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Pascal SommerChargé de Mission Ingénierie pour la Santé

INST2I

Sur la base

Du Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant dirigé par P. Cozzone (07- 2008)

Du bilan des représentants CNRS de l’Institut des Technologies pour la Santé (direction J Grassi & P Bompard pour le CNRS)

Du rapport de conjoncture 2004 – 2008 de la section 30 du CoNRSThérapeutique, pharmacologie et bio-ingénierie (past-Président P. Sommer)

Ingénierie pour la Santé



L'Ingénierie du Vivant concerne:L'Ingénierie du Vivant concerne:

La santé

L 'agro-alimentaire

L'environnement

Les nouvelles énergies

Les facteurs de risque

L’éthique


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L ‘Ingénierie pour la Santé : DéfinitionL’Ingénierie pour la Santé intègre les sciences physiques, chimiques, mathématiques, informatiques et les principes de l’ingénieriepour étudier la biologie, la médecine, le comportement et la santé.

L’Ingénierie pour la Santé- fait avancer les concepts fondamentaux, - crée des connaissances allant du niveau de la molécule

à celui de l’organe - et développe des produits innovants en biologie (réactifs…),

matériaux, procédés, implants, appareils, informatique…

- pour la prévention, le diagnostic, le traitement des pathologies, la réhabilitation des patients et du handicap, l’amélioration de la santé humaine et la prévention des risques.

(d’après National Institutes of Health)



Comprendre et décrire le fonctionnement global des systèmes vivants dans leur environnement (in vivo ou in vitro) : régulations, mécanismes, dysfonctions, évolutions, ….

Modéliser, concevoir et maîtriser les systèmes vivants et les technologies pour les étudier, les mettre en œuvre, les valoriser ou les réparer ?

Les défis à relever:Les défis à relever:



L’Ingénierie pour la Santé : Une activité PLURIDISCIPLINAIREL’Ingénierie pour la Santé : Une activité PLURIDISCIPLINAIRE

Mise en commun de compétences en :

- biologie- chimie- (micro) électronique- génie des procédés- imagerie- informatique- mathématiques- mécanique- médecine- physique- SHS

ingénieurs

médecinsbiologistes

informaticiens

physiciens

chimistes

SHS



Des approches générales qui sont propres au ST2I Des approches générales qui sont propres au ST2I

Des Approches

• multi-échelles• multi-physiques• systémiques• multi-modales

Des compétences :

• conceptuelles•méthodologiques• technologiques• expérimentales

• Découverte • Valorisation



Des thématiques clairement identifiées Des thématiques clairement identifiées au ST2Iau ST2I …….. .. fortement inter-corréléesfortement inter-corrélées

(Bio)- Informatique

Biomécanique cellulaire,tissulaire et organique

Micro- et Nanobiotechnologies

Imagerie Diagnostique in vivo

Génie des bioprocédés

Robotique

Biomatériaux




Bio - Ingénierie: Bio - Ingénierie: Biomécanique CellulaireBiomécanique CellulaireTissulaire et OrganiqueTissulaire et Organique

BiomatériauxBiomatériaux



Biomécanique Cellulaire, Tissulaire et Organique

Mécanique des solides et fluides biologiques (rhéologie, tribologie..)

Mécanobiologie et biomatériaux Ingénierie tissulaire

Vieillissement Ostéoporose, Arthrose,

Organes des sens,Marche

Handicap

Traumatologie: apprentissage, aide à décision

assistance pré/post

opératoirePrévention

Régénération(Cellules souches, scaffolds)

Peau, ligaments, innervation

Remplacement:Prothèses (endo / exo),

Remodelage périprothétique

Organes artificiels

Médecine – Biologie - Bioprocédés – Imagerie – Biorobotique - Informatique



Biomécanique cellulaire, tissulaire et organique.Voies d’évolution

• Développement de méthodes dédiées: caractérisation des propriétés matérielles et géométriques des milieux vivants et à leurs variabilités

• Développement de modèles dédiés: de la cellule au tissu et à l’organe, de la seconde aux années.

• Développement de modèles de comportement multi-échelles: intervention de phénomènes physiques couplés / fluide – structure – transport - comportement

• Développement de matériaux de substitution : Implants, biointégration, résorbabilité, vieillissement ….



Bio - Ingénierie: Biomécanique et BiomatériauxRecommandations: Intégrer Plus, Modéliser et Valoriser mieux,

Interactions renforcées entre communautésPhysique instrumentale, Médecine, Biologie, Electronique, Informatique et traitement du signal, Chimie, Pharmacologie, Imagerie

Partenariats renforcés sur des projets innovants Le développement de modèles biologiques pertinents: tissus humains reconstruits ou modèles animaux, pour les systèmes ostéoarticulaire, musculo-squel., cardio – vasculaire, neurologiques, la peau…

La détermination des propriétés biomécaniques des modèles

Le contrôle de l’implantation et de l’évolution des implants in vivo (cellules, tissus, biomat.) et l’exploration des capacités régénératives des tissus implantés

Valorisation intégrée ab initioIntégration de Partenariat industriel

Intégration des dispositions comportementales, sociales et éthiques




Imagerie du VivantImagerie du Vivant



Champ très vaste: Imagerie fonctionnelle et interventionnellePhysiopathologie, Biologie du développement, Cancérologie, Pharmacologie préclinique et thérapeutique…

• Homme et animalModélisation chez l’animalSuivi clinique

• Plusieurs niveaux: Anatomique ou Morphologique, Métabolique, Moléculaire,

• Différentes modalitésRayons X, Résonance Magnétique (IRM), Ultrasons, Radionucléides, Optique, Magnétoencéphalographie (MEG)

Imagerie in vivo



Imagerie diagnostique in vivo

42°-45°

45°- 48°

> 48° C

IRM + thermo-ablation par ultrason IRM statique

et dynamique

Spectro - IRM

Imagerie par fluorescence

Imagerie par ultrasons + Doppler



• Nouveaux principes d'imagerie ou concepts instrumentaux

• Amélioration des dimensions multimodalitaires, fonctionnelles, métaboliques et interventionnelles

• Amélioration des marquages: agents de contraste ciblés, imagerie moléculaire, nouveaux capteurs (micro-nanotechnologies)

• Moyens accrus de production, gestion, traitement des images et quantification

• Association d’autres technologies: assistance chirurgicale et pharmacologique

•Meilleure prise en compte des nuisances / facteurs de risque / éthique

Imagerie diagnostique in vivoVoies d'évolution : voir Mieux, voir Plus



Interaction renforcées entre communautésPhysique instrumentale, Médecine, Biologie, Electronique, Informatique et traitement du signal, Chimie, Pharmacologie

• Renforcement d’un nombre limité de pôles spécialisés en imagerie in vivo biologique et médicale

Compétences multidisciplinaires, Plateformes reconnues et validéesJouvence permanente du matérielPartenariat industriel (sans conflit d’intérêt)Respect des dispositions éthiques, prise en compte des nuisances

• Programmation de projets innovants et intégratifsProjets « à risques » Intégration ab initio des facteurs de risque / éthique

Imagerie diagnostique in vivoRecommandations




Micro-Nanosystèmes et NanobiotechnologiesMicro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies



- Conception de nouveaux dispositifs pour la détection chimique et biologique in vivo, le diagnostic, le suivi thérapeutique, la délivrance de médicaments, etc.

- Optimisation de l’interface avec le Vivant (Robotique médicale, Neurochirurgie, etc.)

- Conception de nouvelles approches pour comprendre le fonctionnement du Vivant

Micro-Nanosystèmes et NanobiotechnologiesMicro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies Domaines d’application

Capteur chimique pour le suivi de l'hémodialyse rénale

Microsystème pour la fabricationde biopuces



Micro-Nanosystèmes et NanobiotechnologiesMicro-Nanosystèmes et NanobiotechnologiesVoies d’évolution

• Composants et technologies associées- Nouveaux matériaux biocompatibles, biodégradables, non toxiques- Nouveaux procédés de fabrication, de mise en forme, de structuration- Micro et nanostructures fonctionnelles (vectorisation, agents de contraste…)- Micro et nanofluidique

• Techniques de détection, d’instrumentation et de modélisation- Couplage entre nouvelles techniques d’imagerie (biophotonique, microscopie 2 photons, microscopie de champ proche) et micro-nanosystèmes- Optimisation de l’interface avec le Vivant par micro et nanomanipulation- Approches de simulation et de modélisation multiéchelles et multiphysiques - Approche « Système » dans la modélisation du Vivant (biologie systémique)

• Systèmes intégrés (in vivo et in vitro)- Micro-nanosystèmes bio-hybrides- Biopuces (ADN, protéines, cellules, tissus) et laboratoire sur puce - Micro-nanosystèmes implantables



Micro-Nanosystèmes et NanobiotechnologiesMicro-Nanosystèmes et NanobiotechnologiesRecommandations

- Création de véritables structures pluridisciplinaires pour la mise en œuvre de projets ambitieux (prise de risques) en recherche fondamentale ou appliquée

- Cahier des charges à définir très précisément pour les projets applicatifs par rapport à l’existant sur le marché industriel

- Prise en compte des directives européennes sur la toxicité dès les phases de conception de nouveaux projets (directive REACH en particulier)

- Questionnements éthiques à prendre en considération pour de nombreuses applications mises en exergue dans le cadre de la convergence NBIC (Nanotechnology, Biotechnology, Information technology and Cognitive Science)

Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008)






Bioprocédés: de la Cellule au ProduitBioprocédés: de la Cellule au Produit



Bioprocédés : de la Cellule au Produit Applications

Bioréacteurs / Bioséparateurs de 10-5 m3 à 20 m3

Enzyme

Cellule sur support

• médicaments (anticorps, hormones, immunorégulateurs,…)• vaccins• molécules fonctionnalisées• ingénierie tissulaire

Procédés de synthèses, de transformations, de dégradations Agro-alimentaire, Energie, Chimie verte, Environnement Santé



Bioprocédés : de la Cellule au Produit Voies d’évolution et Recommandations

Génie métabolique (usine cellulaire) en conditions réelles • Descripteurs mathématiques des flux métaboliques • Modèles intégratifs (physiologie, énergétique cellulaire) • Outils de mesures rapides des composés intracellulaires• Thermodynamique appliquée aux systèmes biologiques

La cellule et son environnement dans le réacteur• Impact des phénomènes physiques (mécaniques, radiatifs, thermiques)• Hydrodynamique des bioréacteurs (micro-macromélange, trajectographie)• Dynamique des réactions cellulaires aux divers stress• Modèles de couplage entre cinétiques biologiques et environnement

Conception, contrôle et conduite de bioprocédés• Acquisitions en-ligne (capteurs) et traitement de l'information• Conception de nouveaux bioréacteurs (sous contraintes, jetables, micro,…)• Technologies innovantes de séparation de biomolécules• Modélisation multiobjet (capteurs logiciels, commande, optimisation)• Evaluer l’impact des bioprocédés sur l’environnement et sur la Santé






(Bio) - Informatique et Santé(Bio) - Informatique et Santé




(Bio) - Informatique et Santé: Domaines d’application

• Pharmacologie épidémiologie et évolution des maladies ; étude des organismes pathogènes, des maladies génétiquesEthno-pharmacologie et recherche de famille de médicaments

• Imagerie (diagnostique, couplée à la robotique…) Développement d’algorithmes adaptés à une acquisition / exploitation rapide et efficace de données, pour une imagerie non invasive et en mouvement

• Biologie des structures et des systèmes compréhension des mécanismes impliqués dans des pathologies complexes aide au diagnostic, rationalisation de la conception de médicaments.




Structures

Phylogénie

Transcriptome

Génome

Protéome

Systèmes

(Bio) - Informatique et Santé

ImagerieComportement

Interactomes

Gestion des données « haut débit »

Médicament, Bioingénierie, robotique, imagerie, génie des procédés




(Bio) - Informatique et SantéVoies d’évolution / Recommandations

• Algorithmique et statistique des données de la biologie à haut débit : séquences, structures moléculaires, données d’expression, réseaux d’interaction…

•Modélisation mathématique des réseaux biologiques complexes, des structures moléculaires, et de leur dynamique.

Classification et apprentissage automatique pour l’étude et l’inférence des réseaux biologiques (ex : fouille de textes scientifiques).

• Favoriser le travail en pluridisciplinarité: entre réalisme biologique, modélisation mathématique et traitements informatiques.






Robotique et SantéRobotique et Santé




Robotique et SantéDomaines d’application

Assistance au médecin • Réalité augmentée à l’aide d’images pré-opératoires • Navigation et positionnement d’instruments • Suivi de trajectoire robotisé en radiologie et radiothérapie • Co-manipulation et télé-manipulation d’un assistant robotique • Exploration active à l’intérieure du corps • Simulation des procédures médicales et chirurgicales

Assistance à la personne • Rééducation assistée • Activation et stimulation fonctionnelle de membres paralysés • Prothèses et orthèses actives • Fauteuils robotisés, lits, chambres médicalisées




Robotique et SantéVoies d’évolution Assistance au médecin

• Imagerie temps-réel multimodale • Prise en compte des mouvements physiologiques • Co-manipulation et télé-manipulation avec retour d’effort• Assistance robotique à la radiologie interventionnelle par IRM • Assistant robotique miniaturisé à la chirurgie mini-invasive • Thérapies ciblées avec guidage externe des produits vers la cible et activation in situ• Simulation patient dépendante

Assistance à la personne • Robotique d’assistance à domicile sécurisée • Stimulation fonctionnelle implantée, adaptative et durable • Prothèses et orthèses actionnées avec des capacités d’adaptation • Environnements médicalisés intelligents




Robotique et Santé : RecommandationsFavoriser les interactions chercheurs en robotique & informatique et les médecins et spécialistes du comportement

Les priorités en Robotique médicale d’assistance au médecinla miniaturisation des dispositifs le caractère non invasif des procéduresl’utilisation en temps-réel de différentes modalités d’imagerie ou d’acquisition de signaux per-opératoires l’intégration de capteurs et d’actionneurs au niveau des instruments

Les priorités en Robotique d’assistance à la personneles interfaces homme-machine les interactions entre l’environnement et la personne, en développantune modélisation des opérateurs et des utilisateurs des interfaces sécurisées des capteurs et des actionneurs biocompatibles ou embarqués



L ‘Ingénierie pour la Santé: une large communauté pluridisciplinaire!

Ingénierie du Vivant

ST2I7

89 10

30 INSB

INEE

INC

INP

INSHS

INRA

INSERM

CEA

INRIA

Universités

Industriels

Partenairesétrangers

Hôpitaux

INST2I

IN2P3



INSB (SDV)

INST2I INC(chimie)

INSHS INP(MPPU)

IN2P3 Total

labs 85 59 31 2 6 3 186

Pers* 3914 4778 1519 29 328 414 10982

* Personnels potentiels, à titre indicatif = total des personnels chercheurs, enseignants-chercheurs et ITA référencés par unité sur LabIntel en janvier 2009

** Tableau élaboré dans le cadre de l’Institut des Technologies pour la Santé, par Philippe Bompard, Patrick Couvreur, Patrick Cozzone, Luc Darrasse, Michel de Mathelin, Florence Noble & Pascal Sommer

La communauté scientifique CNRS** en Ingénierie pour la Santé



S7 S7 S8 S9 S10 S30** Tot

INGENIERIE Lab 0 4 9 12 6 32

Pers* 120 344 729 928 257 2378

ROBOTIQUE Lab 4 1 3 0 0 8

Pers* 392 239 209 0 0 840

IMAGERIE Lab 11 4 2 1 6 24

Pers* 1530 134 108 32 164 1968

* Personnels potentiels, à titre indicatif = chercheurs, enseignants-chercheurs et ITA (LabIntel)** Unités S30 INST2I & INSB*** Tableau élaboré dans le cadre de l’Institut des Technologies pour la Santé,

La communauté scientifique ST2I*** en Ingénierie pour la Santé



Groupements de recherche CNRS – ITS Groupements de recherche CNRS – ITS Bioinformatique moléculaire Biomécanique des chocs Biomécanique des fluides et des transferts - Interaction fluide/structure biologique Conceptions de microbiocapteurs électrochimiques pour la santé l'environnement et la sécurité alimentaire Ingénierie des Biosystèmes : de la cellule au procédé Instrumentation et Modélisation pour l'Imagerie Biomédicale Mécanotransduction Microscopie fonctionnelle du vivant GDRI Nano and Microsystems Nano and Microsystems Robotique STIC-Santé System On Chip - System In Package



Identifier les forces et les acteurs principaux rôle des DSA et chargés de mission, section du CoNRS,

Identification des équipes IPS lors des évaluations d’unités

Fédérer les communautés : GDR, écoles thématiques, renforcement sur sites (collegium), Développement de modèles communs pertinents, Positionnement dans les sections,

Fédérer des actions innovantes: programmes multidisciplinaires (PEPS, ANR), recrutement post-docs / chercheurs sur programmes IPSOuvrir plus à l’environnement, l’agroalimentaire et l’énergie

Intégrer ab initio les objectifs finauxintégrer le transfert pour des applications pour la Santéintégrer les conséquences éthiques, comportementales, sociales

L’Ingénierie pour la Santé à l’INST2I : recommandations



o Merci au Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant: Christian Bergaud, Patrick Chabrand, Patrick Cozzone, Luc Darrasse, Alain Denise, Valérie Deplano, Jack Legrand, Annie Marc, Michel de Mathelin, Laurent Sedel

o Merci aux représentants CNRS à l’Institut des Technologies pour la Santé :Philippe Bompard, Patrick Couvreur, Patrick Cozzone, Luc Darrasse, Michel de Mathelin, Florence Noble & Pascal Sommer, pour l’ITS

o Merci aux commissionnaires de la section 30 2004 – 2008 : Thérapeutique, pharmacologie et bio-ingénierie Jacques Bittoun, Jocelyne Blanc, Nicole Dalla-Venezia, Chantal Damais, Chantal Etiévant, Jean-Michel Franconi, Alain Gardier, Philippe Hantraye, Gérard Helary, Marie-Christine Ho Ba Tho, Claire Lugnier, François-Xavier Maquart, Jacqueline Milhau, Didier Morin, Sylviane Muller, Patrick Netter, Florence Noble, Brigitte René, Jérôme Steibel, Marie Suzanne Strzalko et Pascal Sommer

[email protected]

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