Intervention de Luc Darrasse, chargé de mission INST2I

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Ingénierie pour la SantéIngénierie pour la SantéLuc DarrasseChargé de Mission INST2I

sur la base du Rapport de Juillet 2008 du Groupe Transversal d'Experts en Ingénierie du Vivant (P. Cozzone, C. Bergaud, P. Chabrand, L. Darrasse, A. Denise, V. Deplano, J. Legrand, A. Marc, M. de Mathelin, L. Sedel)

mes collègues de l'INST2I (DSA : P. Bompard, Chargé de mission : P. Sommer)



Domaine de l'ingDomaine de l'ingéénierie du vivant ...nierie du vivant ...

La santé(pratiques médicales,médicaments, biomatériaux…)

L 'agro-alimentaire

L'environnement

Les nouvelles énergies

... un impact ... un impact ééconomique et sociconomique et sociéétal majeurtal majeur





L ‘Ingénierie pour la SantéDEFINITION

L’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. Elle:

- 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 et le traitement des pathologies, la réhabilitation des patients et l’amélioration de la santé humaine.

(National Institutes of Health)



Comment décrire le fonctionnement global des systèmes vivants (régulations, mécanismes, dysfonctions, cinétiques, ….) à partir des inventaires des différents intervenants moléculaires (génomique, transcriptomique, protéomique, métabolimique) ?

Comment caractériser et/ou maîtriser le comportement de cellules,tissus, et organes dans leur environnement physiologique,physiopathologique, ou in vitro ?

Comment mettre en œuvre et valoriser les technologies pourétudier, observer, modéliser, prévoir, réparer, concevoir les systèmesvivants (... dimension éthique et facteurs de risque) ?

Les dLes dééfis fis àà relever:relever:



LL’’IngIngéénierie pour la Santnierie pour la Santéé : : Un champ de recherche fortement PLURIDISCIPLINAIREUn champ de recherche fortement PLURIDISCIPLINAIRE

Mise en commun de compétences en :- biologie- chimie- (micro) électronique- génie des procédés- imagerie- informatique- mathématiques- mécanique- médecine- physique- …………..

ingénieursmédecins

biologistesinformaticiens

physiciens

chimistes



Des approches gDes approches géénnéérales qui sont propres au ST2I rales qui sont propres au ST2I

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

Pour développer des connaissances et des

compétences :

• méthodologiques• technologiques• expérimentales• logicielles



Des thDes théématiques clairement matiques clairement identifiidentifiéées au ST2Ies au ST2I …….. .. fortement interfortement inter--corrcorrééllééeses

BioinformatiqueRobotique médicale

Biomécanique cellulaire,tissulaire et organique

Biomatériaux

Micro- et Nanobiotechnologies

Imagerie Diagnostique in vivo

Génie des bioprocédés





BiomBioméécanique Cellulairecanique CellulaireTissulaire et OrganiqueTissulaire et Organique



Biomécanique Cellulaire, Tissulaire et OrganiqueApplications

des intéractions : Bioprocédés – Imagerie - Biorobotique

Simulateur coeur gauche

Cupule

Globules rouges

Prothèse de hanche

Stent

Disque intervertébral



Biomécanique Cellulaire, Tissulaire et Organique

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

Mécanobiologie et biomatériauxIngénierie 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

périprothétiqueOrganes artificiels

Médecine – Biologie - Bioprocédés – Imagerie – Biorobotique -Informatique



Biomécanique cellulaire, tissulaire et organique.Voies d’évolution

Indispensable transversalité des domaines : du clinicien au mécanicien

• Développement de méthodes dédiées à la caractérisation des propriétésmatérielles et géométriques des milieux vivants et à leurs variabilités

• Développement de modèles de comportement multiéchellesPour les tissus vivants, les échelles spatiales vont de la cellule au tissu et àl’organe et les échelles temporelles peuvent varier de la seconde aux années.

• Développement de modèles de comportement multiphysiquesLe comportement des milieux vivants, hétérogènes et multiphasiques faitintervenir de multiples phénomènes physiques couplés fluide, structure, transport, transferts…

• Développement de matériaux de substitutionImplants, biointégration, résorbabilité, durée de vie….





Imagerie Imagerie DiagnostiqueDiagnostique in vivoin vivo



Champ médical très vastePhysiopathologie, Biologie du développement, Cancérologie, Pharmacologie préclinique et thérapeutique…Neurologie, Virologie, Cardiologie, Rhumatologie…

• Homme et animal (modèle)

• Plusieurs niveaux d'exploration de l'organismeImagerie(s) Anatomique ou Morphologique, Fonctionnelle, Métabolique, Moléculaire, Interventionnelle

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

Imagerie diagnostique in vivoDomaines d’application



• Nouveaux principes d'imagerie ou concepts instrumentaux

• Imagerie multimodalitaire

• Imagerie avec dimension fonctionnelle et métabolique

• Nano-objets biocompatibles : agents de contraste ciblés et vectorisation de médicaments (imagerie moléculaire)

• Nouveaux capteurs (micro-nanotechnologies)

• Guidage des gestes chirurgicaux et pharmacologiques

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

• Protocoles d'imagerie quantitatifs (fusion d'images et modèles)

• Meilleure prise en compte des facteurs de risque/éthiques

Imagerie diagnostique in vivoVoies d'évolution





MicroMicro--NanosystNanosystèèmesmes et et NanobiotechnologiesNanobiotechnologies



- 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

MicroMicro--NanosystNanosystèèmesmes et et NanobiotechnologiesNanobiotechnologiesDomaines d’application

Capteur chimique pour le suivi de l'hémodialyse rénale Microsystème pour la fabrication

de biopuces

Combinaison d’une image optique et AFM sur la bactérie

Escherichia. coli



MicroMicro--NanosystNanosystèèmesmes et et NanobiotechnologiesNanobiotechnologiesVoies 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





BioprocBioprocééddéés: de la Cellule au Produits: 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 dégradationsAgro-alimentaire, Energie, Chimie verte, EnvironnementSanté



Bioprocédés : de la Cellule au ProduitGluc

Sed7P

Pyr AcCoA

PGA

PEP

Fru6P

Glc6P Pgnt

Ery4P

GA3P

Rul5P0

13.813.298.7

83.778.1

92.686.080.6

177.9171.6167.5

169.1159.5156.3

-1.43.13.0

-1.43.13.0

138.0129.1128.4

25.524.022.1

120.4106.0113.6

011.417.9

50.531.522.0

90.049.886.1

96.678.576.7

01.07.4

××

Mal

OAA

AKG

33.857.263.9

89.380.698.0

45.665.971.9

37.857.263.9

400

000

-4.10

0.2

100100100

23.720.417.1

modélisationpilotage

capteursen ligne

Milieu nutritif

bioréacteur

séparation

Conception, contrôle et conduite du

procédéRelations cellule- environnementpolyphasique et multiphysique

Génie métabolique -Modélisation dynamique

produits

Couplage : expériences dédiées - modélisation - simulation



Bioprocédés : de la Cellule au Produit Voies d'évolution

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)





Bioinformatique et SantBioinformatique et Santéé



Structures Evolution

Interactomes

TranscriptomesGénomes

Protéomes

Données « haut débit »Systèmes biologiques

Bioinformatique et Santé



Bioinformatique et SantéDomaines d’application

• Génomique et évolution épidémiologie et évolution des maladies ; étude des

organismes pathogènes, des maladies génétiques

• Bioinformatique structurale recherche de cibles thérapeutiques et conception de

médicaments

• Biologie des systèmes compréhension des mécanismes impliqués dans des

pathologies complexes aide au diagnostic, rationalisation de la conception de

médicaments.



Bioinformatique et SantéVoies d’évolution

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

• Intégration de données massives et hétérogènes.

• Classification et apprentissage automatique pour l’étude et l’inférence des réseaux biologiques ; fouille de textes scientifiques.

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





Robotique et SantRobotique et Santéé



Robotique 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





La communautLa communautéé scientifiquescientifiqueen Ingen Ingéénierie pour la Santnierie pour la Santéé



La communauté scientifique en Ingénierie du VivantLa communauté scientifique en Ingénierie du Vivant

1000 chercheurs et ITA du CNRS

Plus de 2000 statutaires en incluant les personnels INRA, INSERM et CEA, et les enseignants-chercheurs

Une communauté ouverte au partenariat industrielouverte sur l’internationalorganisée (14 GDR…)



Groupements de recherche (GDR) Groupements de recherche (GDR) Bioinformatique moléculaireBiomécanique des chocsBiomécanique des fluides et des transferts - Interactionfluide/structure biologique Conceptions de microbiocapteurs électrochimiques pour la santél'environnement et la sécurité alimentaireImageries in vivoIngénierie des Biosystèmes : de la cellule au procédéInstrumentation et Modélisation pour l'Imagerie BiomédicaleMécanotransductionMicroscopie fonctionnelle du vivantGDRI Nano and MicrosystemsNano and MicrosystemsRobotiqueSTIC-SantéSystem On Chip - System In Package



• Chimie pour le développement durable• Énergie• Longévité et vieillissement• Interface physique, biologie, chimie

• Groupe transversal créé en 2007 et présidé par P. Cozzone (C. Bergaud, P. Chabrand, L. Darrasse, A. Denise, V. Deplano, J. Legrand, A. Marc, M. de Mathelin, L. Sedel)

• Missions : état des lieux, prospective, propositions

• Laboratoires à l'interface ST2I-SDV• Section 30 mixte SDV-ST2I• Ateliers du savoir • Écoles thématiques

Des échanges ST2I-SDV

Un groupe d'experts ST2I en Ingénierie du vivant

• INRA-ST2I : modélisation du tube digestif• CEA-CNRS (Alliance INSERM) : co-pilotage "Institut des Technologies pour la santé"(P. Bompard, P. Couvreur, P. Cozzone, L. Darrasse, M. de Mathelin, F. Noble, P. Sommer

pour le CNRS)

Des collaborations inter-organismes

Des programmes interdisciplinaires (A.I., PEPS,...)



Ingénierie du Vivantau ST2I

78

9

10

30

SDV

EDD

Chimie

MPPU

SHS

INRA

INSERM

CEA

INRIA

Universités

Industriels

Partenairesétrangers

Hôpitaux

L ‘Ingénierie du Vivant: une exemplaire pluridisciplinarité!

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