Diagnostic Biochips - Brochure en français

Diagnostic Biochips P r o g r a m m e d e r e c h e r c h e t h é m a t i q u e HE S - S O sur les outils diagnostiques e t toxi colo giqu e s mini at u ris é s

Ingénierie et Architecture

hepia - Tissue Engineering Laboratory Luc Stoppini luc.stoppini@hes-so.ch +41 22 546 24 96

HEI-VS – Institution Technologies du vivant Jean-Manuel Segura jmanuel.segura@hevs.ch

HEIG-VD – Institut REDS 2

Comité de pilotage du programme Diagnostic Biochips

Yann Thoma yann.thoma@heig-vd.ch

HEIA-FR – Institut iPrint Marco Mazza marco.mazza@hefr.ch

HE-Arc ingénierie – Groupe Micro & Nano Systèmes Alexandra Homsy alexandra.homsy@he-arc.ch

Edito La recherche appliquée et développement est au cœur des missions de la HES-SO et plus particulièrement du Domaine Ingénierie et Architecture.

Dirigée par des professeurs de l’institution, elle permet à tous les collaborateurs d’acquérir des compétences pratiques pour répondre aux besoins de la société et de l’industrie, et de garantir un enseignement de pointe à nos étudiants en leur offrant un véritable tremplin vers le monde du travail après l’obtention de leur diplôme.

Depuis quatre ans, le Domaine Ingénierie et Architecture a structuré ses projets de recherche appliquée en six programmes thématiques qui, ensemble, couvrent tous les champs d’étude de la faculté. De l’énergie à l’optimisation de la chaîne agroalimentaire, en passant par l’étude de la densification urbaine ou des objets connectés, ces programmes thématiques ont pour objectif de trouver des solutions concrètes aux problèmes de notre temps.

La brochure que vous tenez entre vos mains présente le programme thématique Diagnostic Biochips, qui permet de proposer des solutions d’analyses rapides et proches des patients ainsi que de comprendre les effets biochimiques de molécules spécifiques sur la santé. Chacun d’entre nous peut se rendre compte de l’évolution technologique que subit le domaine de la santé: il est aujourd’hui facile de se procurer un thermomètre infrarouge, un test de grossesse,

voire un kit de dépistage de mélanome avec un smartphone.

Nous nous devons d’offrir également aux professionnels de la santé des outils à même de faciliter leur travail au quotidien en leur faisant profiter des avancées de l’ingénierie, de la chimie et de la biotechnologie.

Ce programme, réalisé en étroite collaboration avec les acteurs directs de la santé, offre une vitrine des compétences développées au sein des hautes écoles de la HES-SO. Olivier Naef Responsable du Domaine Ingénierie et Architecture de la HES-SO

Nous avons souhaité expliquer au grand public et aux entreprises la nature de ces programmes, au travers d’une série de brochures présentant leurs points forts et les compétences clés qu’ils mobilisent. Ces publications servent aussi à mettre en avant les réalisations concrètes auxquelles les programmes ont permis d’aboutir, grâce à une collaboration forte avec des partenaires du secteur concerné.

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

3

l e p r o g r amm e

Diagnostic Biochips

4

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

Le programme Diagnostic Biochips a deux priorités: une médecine et une toxicologie préventives. L’objectif est de proposer des outils aidant les médecins à poser leur diagnostic et les régulateurs à valider les produits qui seront mis sur le marché.

Se rapprocher des patients et analyser les effets des molécules chimiques sur les tissus biologiques: ce sont les deux axes principaux du programme Diagnostic Biochips. Pour le premier point, l’idée centrale consiste à développer des technologies intégrées, compactes, voire implantables, qui permettent d’améliorer la vie des malades et d’accélérer le diagnostic lorsque chaque minute compte grâce à des tests pouvant se réaliser à leur chevet.

Ces tests biochimiques ou biologiques pourront, par exemple, être effectués avec une seule goutte de sang en utilisant des mini-laboratoires.

Il va sans dire que de telles pratiques, si elles se généralisent, permettront une forte diminution des coûts de la santé. Pour atteindre nos objectifs, nous nous appuyons sur le savoir-faire de la HES-SO et développons des interactions fortes avec le monde médical, en particulier le CHUV et les HUG. S’agissant du deuxième

axe, nous travaillons en partenariat avec le Centre suisse de toxicologie humaine appliquée (SCAHT) et l’Office fédéral de la santé publique dans le but de détecter et d’évaluer l’effet sur la santé des molécules chimiques présentes dans notre environnement et dans notre alimentation. Ensemble, nous voulons développer une plateforme spécialisée, en particulier dans le domaine de la neurotoxicologie.

L’objectif final est d’aider le régulateur à valider des produits en lui donnant des outils plus performants – sachant qu’à terme, l’idéal serait évidemment que les lignes directrices soient uniformisées au sein de l’OCDE. A noter que ces différents développements permettront de limiter le recours à l’expérimentation animale, voire de s’en passer complètement.

Démarrés en 2014, la plupart des projets de notre programme se trouvent aujourd’hui dans leur dernière phase. Nous souhaitons achever prochainement les démonstrateurs qui permettront de prouver que nos principes peuvent fonctionner, avant de passer à la réalisation de prototypes, puis à la commercialisation auprès de divers partenaires académiques ou d’institutions publiques et privées.

Luc Stoppini Coordinateur du programme HES-SO Diagnostic Biochips Professeur de bio-ingénierie à l’hepia

Trois questions à Cédric Bilat Professeur et chercheur à la Haute Ecole Arc ingénierie, Cédric Bilat est responsable du projet i-Melanoma.

Son objectif est de faciliter le dépistage des mélanomes et de réduire ses coûts, notamment à l’aide d’un smartphone.

1–

En quoi votre projet se différencie-t-il des applications de diagnostic pour smartphone déjà présentes sur le marché?

Un mélanome, c’est un peu comme un iceberg. Il semble parfois sans risque à la surface, mais il peut être dangereux en dessous. Une simple caméra pour smartphone ne suffit donc pas. Nous avons notamment développé un dermascope multispectral, un appareil inédit qui prend neuf photos de la peau à différentes profondeurs de l’épiderme. Il fonctionne en éclairant la peau avec des longueurs d’onde spécifiques, dont chacune correspond à une profondeur de la peau différente. Plusieurs dermatologues romands l’ont déjà testé.

2–

Comment procédez-vous pour obtenir la meilleure fiabilité possible?

Nous utilisons la pratique du «machine learning».

Nous apprenons à un ordinateur comment poser un diagnostic. Un dermatologue nous fournit, par exemple, une photo d’un mélanome, dont certaines caractéristiques – comme la couleur, la forme ou la texture – signalent qu’il y a un risque. Nous allons ensuite indiquer ces données à la machine, qui analyse chaque pixel de l’image. A l’avenir, elle saura que ces caractéristiques indiquent un danger.

Toutefois, un diagnostic n’est jamais fiable à 100%.

Notre dispositif donne des informations, comme le fait un thermomètre par exemple. Ensuite, c’est au sujet de décider s’il doit consulter ou non.

3–

Quelles sont les limites d’un dispositif fonctionnant avec un smartphone?

Aujourd’hui, notre système fonctionne uniquement avec une connexion internet. C’est le smartphone qui envoie les données dans notre système sur le cloud pour être analysées. Le problème se pose pour les pays en développement où tout le monde n’a pas accès à internet. Nous en sommes conscients, c’est pourquoi nous réfléchissons à intégrer l’ensemble de notre dispositif dans un appareil qui ne serait pas qu’un smartphone, qui serait tout-en-un, portable et bon marché.

Hautes écoles impliquées

HE-Arc Ingénierie HEIG-VD

14,4

milliards

HEIA-FR

En dollars, le marché global des Biochips d’ici à 2018.

(Source: 2013, Dixit CK.)

hepia

HEI-VS

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

5

9 PR O J E T S dia g n ostic B iochi p s : B r i q u e s t e ch n olo g i q u e s

CapSense

MOVABLE

SupraDiag

Octobre 2015

Février 2014

Février 2014

But: Créer une plateforme pour le transfert d’énergie et des données par couplage capacitif.

But: Créer un système pour la détection optique du taux de CD4+ et de malaria.

But: Développer un nouveau type

Hautes écoles HES-SO:

Hautes écoles HES-SO:

HEIA-FR et HE-Arc Ingénierie

HEIG-VD et HEI-VS

Descriptif: Le RFID utilise le

Descriptif: Ce projet vise à réaliser

couplage inductif car il est simple à réaliser. Toutefois, pour des dimensions réduites, le transfert d’énergie et la communication deviennent critiques à cause de la petite taille des antennes. Le couplage capacitif présente l’avantage d’éviter ces problèmes. Le projet consiste à réaliser une étiquette capacitive d’un volume d’un millimètre cube.

un système d’analyse optique du sang pour offrir une méthode «low-cost» de détection de cellules CD4+ (lié à un degré d’infection) ainsi qu’un calcul du taux de parasitémie pour le cas de la malaria.

Dans ce second cas, les résultats obtenus doivent permettre d’automatiser une tâche – source d’erreurs – actuellement effectuée par un technicien.

CellBarrSens

MiniBioDet

Muchsens

Janvier 2014

Octobre 2014

Juillet 2014

But: Développer un appareil permettant le monitoring en continu de barrières biologiques in vitro.

But: Développer des briques technologiques pour la miniaturisation d'un détecteur de biomarqueur sans label.

But: Développer des membranes intelligentes et des capteurs flexibles.

Hautes écoles HES-SO:

HE-Arc Ingénierie, HEIA-FR et hepia

Date de lancement:

Date de lancement:

Date de lancement:

de biosenseur moléculaire.

Hautes écoles HES-SO: HEI-VS et HEIA-FR

Descriptif: Les nouveaux biosenseurs supramoléculaires du projet SupraDiag permettent de quantifier un biomarqueur dans un fluide biologique par modulation d’un signal optique. Ils seront l’élément central d’une nouvelle génération de tests diagnostiques au chevet du patient. Le concept a été démontré pour le dosage du méthotrexate, un médicament anticancéreux.

6

Date de lancement:

Date de lancement:

Hautes écoles HES-SO: hepia, HEI-VS, HEIA-FR et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: CellbarrSens a développé des outils basés sur la mesure de l’impédance électrique, spécialement dédiés à la mesure de l’étanchéité de barrières biologiques, comme la barrière hémato-encéphalique ou l’épithélium intestinal. Exécuter des tests in vitro sur des cultures de ces deux types de barrières biologiques ouvre la voie au criblage à haut débit et favorisera le développement de nouveaux médicaments ainsi que pour l’évaluation de la toxicité de produits chimiques.

hepia, HEI-VS, HEIA-FR et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: MiniBioDet vise à développer les outils permettant la détection de biomarqueurs portable et sans label, par méthode électrique.

Basée sur un principe de mesure de spectroscopie à impédance électrique, cette technologie exploite un nouveau type de biocapteurs fabriqués par impression d’encre avec activation de surface. Le projet développe aussi une méthode et une instrumentation pour détecter et mesurer la présence de biocapteurs.

Date de lancement:

Hautes écoles HES-SO: Descriptif: La préparation d’échantillons joue un rôle primordial dans le diagnostic des fluides.

Le projet Muchsens développe des membranes (i.e. PDMS, parylène, graphène) avec fonctionnalités intelligentes (i.e. mesure de débit) flexibles et intégrables dans les systèmes de diagnostic portables.

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

7 PR O J E T S dia g n ostic B iochi p s : D é mo n st r at e u r s

smartH2Ogel

MUBIOS

Aptaprint

Avril 2014

Avril 2014

Juillet 2015

But: Créer des hydrogels intelligents pour l’ingénierie tissulaire et des applications biomédicales.

But: Développer un nouveau système de diagnostic au chevet du patient.

But: Développer des méthodes de préparation et d’impression de composants de tests.

Hautes écoles HES-SO:

Hautes écoles HES-SO:

Hautes écoles HES-SO:

HEIA-FR, hepia et HEI-VS

HEIG-VD et hepia

HEI-VS, hepia, HEIG-VD et HEIA-FR

Descriptif: smartH2Ogel se

Descriptif: Le projet MUBIOS vise

consacre au développement d’hydrogels à base de biopolymères et/ou de polymères synthétiques ainsi que de modificateurs fonctionnels comme les peptides.

Ces hydrogels «intelligents» définissent les milieux ionique, hydrophile et biologique dans le but de stimuler la croissance cellulaire. Ils sont destinés à la culture cellulaire et la diffusion de médicaments.

à développer une puce en verre recyclable avec électronique embarquée. Ce dispositif doit permettre le monitoring de cellules en culture (en réponse à un traitement thérapeutique) ou encore l’analyse diagnostique de fluides organiques (dosage glycémique, cholestérol, détection d’agents infectieux...), le tout de façon rapide et bon marché.

Descriptif: Le projet Aptaprint vise à cibler et identifier des aptamères et/ou des anticorps comme outils pour capturer des biomarqueurs dans le sang et permettre le développement de tests diagnostiques. Le projet étudie par ailleurs les techniques d’impression permettant de disposer ces réactifs sur des électrodes de mesure.

Date de lancement:

Date de lancement:

Date de lancement:

7

DiaFev

Biowatch

DrugSens

Mai 2016

Juillet 2016

Mars 2016

But: Développer un nouveau test rapide multiplexe pour le diagnostic en cas de fièvre.

But: Concevoir une montre interconnectée avec mesure de bioimpédance.

But: Créer un système de suivi de chimiothérapies en milieu hospitalier.

Haute école HES-SO:

HEI-VS, HE-Arc Ingénierie et HEIA-FR

Date de lancement:

Haute école HES-SO: HEI-VS, HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Le nouveau test diagnostique en cas de fièvre du projet DiaFev permettra l’analyse de trois biomarqueurs pour détecter de manière sensible une infection bactérienne nécessitant la prescription d’antibiotiques. Le test fonctionnera à partir d’une seule goutte de sang déposée sur une languette et pourra être lu à l’aide d’un lecteur optique portable.

Date de lancement:

HEI-VS

Descriptif: Biowatch veut intégrer une mesure de bioimpédance dans une montre, créant ainsi un dispositif médical personnalisé qui soit agréable à porter et offre des possibilités d’interconnexion avec le monde extérieur. Une telle combinaison est attractive pour le porteur car elle combine une fonctionnalité utile avec l’élégance et le statut du produit.

Date de lancement:

Hautes écoles HES-SO: Descriptif: Le projet DrugSens vise à apporter une solution au problème des effets secondaires des traitements médicamenteux lourds en permettant le suivi continu de la concentration en substance thérapeutique dans le sang pour ajuster la posologie. Le nouvel appareil situé sur le patient effectuera d’infimes prises de sang régulièrement et les analysera directement.

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

PR O J E T S dia g n ostic B iochi p s : D é mo n st r at e u r s

I-MelanomaGPU

H3POC

Octobre 2014

Juillet 2016

But: Fournir un outil de dépistage du mélanome, grand public, nomade et bon marché.

But: Développer une plateforme de diagnostic médical portable et de haute performance.

Hautes écoles HES-SO:

Hautes écoles HES-SO:

HE-Arc Ingénierie, HEI-VS et HEIG-VD

HE-Arc Ingénierie, HEIG-VD et HEI-VS

Descriptif: Le développement d’un dermascope permettant la visualisation de l’épiderme à différents niveaux de profondeur représente l’une des innovations prédominantes de ce projet.

Par l’intermédiaire d’un smartphone, le dermascope est connecté au cloud, où de puissants calculateurs GPU analysent les images reçues.

Ce dispositif vise une médecine préventive près du patient.

Descriptif: Ce projet vise une aide au dépistage précoce, grand public et à large échelle de la malaria et du mélanome dans les pays du tiers monde. Une plateforme de diagnostic médical portable, bon marché et de haute performance intègrera les projets I-MelanomaGPU et Movable.

Elle pourrait être utilisée tant dans des dispensaires médicaux que dans du «dépistage de rue».

MeaZure

RF3sens

Date de lancement:

Date de lancement:

8

(Radio Frequency Flexible Flow Sensing)

Date de lancement: Décembre 2015

Date de lancement:

But: Développer un appareil pour le monitoring en continu de tissus nerveux et de barrières biologiques.

Juillet 2016

Hautes écoles HES-SO:

But: Construire un capteur de débit ultra-flexible avec transmission de données sans fil.

hepia, HEI-VS, HEIA-FR, HE-Arc Ingénierie et HEIG-VD

Hautes écoles HES-SO:

Descriptif: La barrière hématoencéphalique (BHE) permet les apports nécessaires au bon fonctionnement du cerveau. Le projet Meazure vise à développer un modèle in vitro qui permettra, à travers un monitoring simultané de l’activité électrophysiologique du tissu nerveux et la mesure de l’intégrité de la BHE, d’étudier simultanément le passage de molécules chimiques ou de médicaments à travers cette barrière ainsi que leurs effets potentiellement toxiques sur le tissu nerveux.

Descriptif: RF3sens veut

HE-Arc ingénierie et hepia construire un démonstrateur avec un capteur de débit flexible permettant une mesure sans fil du fluide cérébrospinal en cas d’hydrocéphalie. En tant que suite du projet Muchsens, il répond à une demande de l’entreprise Codman (J&J) concernant l’optimisation de tels capteurs en termes de consommation d’énergie et de plage de mesure.

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

u n p r oj e t p ha r e

SupraDiag

9

SupraDiag développe depuis 2014 un nouveau type de biosenseurs supramoléculaires. A l’aide d’une seule goutte de sang, ces molécules «intelligentes» permettent de mesurer rapidement la quantité d’une substance dans le corps. Les explications de Jean-Manuel Segura, responsable du projet et chercheur à la HES-SO Valais-Wallis - Haute Ecole d’Ingénierie – HEI.

HES-so Quelles sont les nouveautés qu’apporte le projet SupraDiag?

JMS Nous avons créé des biosenseurs supramoléculaires.

Ce sont des molécules intelligentes qui changent de forme lorsqu’elles sont en contact avec une substance, par exemple un médicament. Cette transformation se traduit par une baisse de l’intensité de lumière qu’elles génèrent.

On peut ensuite mesurer cette baisse et déduire la quantité de la substance dans l’organisme. Cela permet, par exemple, d’éviter des surdoses de médicaments.

Il existe d’autres biosenseurs que les nôtres, mais ils requièrent un mélange de plusieurs solutions ou ne sont capables de reconnaître qu’un nombre limité de substances. De plus, ils ne peuvent être utilisés qu’une fois. Nos biosenseurs s’adaptent à presque tous les biomarqueurs et peuvent servir plusieurs fois, permettant ainsi de réaliser des contrôles continus.

Dans quels cas est-il utile de procéder à un contrôle continu?

JMS Lorsqu’il est capital d’éviter les surdoses, par exemple. Dans le cadre de la chimiothérapie, HES-so

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

notre molécule intelligente cible le méthotrexate, un médicament anticancéreux très puissant qui peut avoir de graves effets secondaires. Aujourd’hui, on peut seulement contrôler le dosage de ce médicament quelques fois par jour. Les analyses prennent du temps, car elles doivent être faites en laboratoire.

et de la fièvre pour savoir s’il faut prescrire des antibiotiques ou non.

Nos biosenseurs peuvent en effet révéler si une infection est virale ou bactérienne. Nous pourrions également mesurer la quantité d’anesthésiants dans le corps ou même le niveau de stress, en analysant les biomarqueurs qui se trouvent dans la salive!

Notre technologie permet, elle, de procéder à des analyses toutes les dix minutes. Elles se font directement au chevet du patient, évitant ainsi les allers-retours au laboratoire. Concrètement, une seule goutte de sang suffit pour mesurer la quantité du médicament présente dans l’organisme.

Elle sera directement analysée dans un petit boîtier qu’on pourra intégrer à la tige de perfusion.

Il sera ensuite possible d’envoyer le résultat par Wifi au médecin.

Au niveau de l’appareil, notre technologie pourrait, par exemple, être compatible avec un smartphone.

La caméra pourrait en effet servir de détecteur, si l’on ajoute une extension optique. C’est très intéressant, car beaucoup de gens ont un smartphone. En revanche, la qualité de la caméra pose un problème éthique. Si celle-ci fausse le diagnostic, qui est coupable?

L’obsolescence de ces appareils est une difficulté supplémentaire, car il faudrait réaliser des adaptations à chaque nouveau modèle.

Les technologies de diagnostic au chevet du patient («point-of-care testing», en anglais) sont de plus en plus importantes...

JMS Effectivement, c’est un domaine qui se développe fortement, notamment en Suisse. Ces technologies permettent un diagnostic plus rapide, un élément indispensable quand il est question de vie ou de mort, par exemple dans le cas d’une crise cardiaque.

Le «point-of-care testing» réduit également les coûts du diagnostic, ce qui est particulièrement pertinent pour les pays en développement. Démocratiser l’accès à des soins de qualité est d’ailleurs l’un des objectifs de notre projet. Chez nous, le «point-of-care testing» permet surtout d’accélérer le processus d’analyse, mais dans ces pays, les technologies comme la nôtre rendent accessibles des diagnostics qui étaient auparavant impossibles à établir.

HES-so Quelles sont les autres applications possibles de votre projet?

JMS Notre technologie peut faciliter le diagnostic de la pneumonie

Hautes écoles impliquées

HE-Arc Ingénierie HEIG-VD

HES-so

10

La protéine C réactive est l’un des marqueurs biologiques analysés par la technologie de SupraDiag. Selon sa quantité dans le sang, elle indique si une infection est bactérienne ou non.

Pensez-vous déjà à commercialiser votre technologie?

JMS Nous ne sommes qu’au début de cette étape. Il a d’abord fallu démontrer que notre idée fonctionnait. Sur le papier, c’est toujours le cas, mais c’était très risqué. C’est de la chimie très complexe et nos approches initiales ont toutes échoué.

Aujourd’hui, les résultats espérés ont été atteints et nous sommes en train de déposer un brevet.

HEIA-FR

HES-so

Notre technologie a donné naissance à deux nouveaux projets, DrugSens et DiaFiev. Le premier concerne la mesure des médicaments dans le sang. Nous sommes en train d'approcher plusieurs entreprises en Suisse romande, car nous aimerions que notre technologie profite à l’économie locale. Le second concerne le diagnostic de la fièvre. Nous imaginons éventuellement la création d’une start-up pour commercialiser le produit. Nous le ferions en partenariat avec des étudiantes et étudiants de 3ème année de la HES-SO Valais-Wallis . Ce serait une belle continuité de l’interdisciplinarité de notre projet.

HEI-VS

«La rapidité d’un diagnostic peut être une question de vie ou de mort.»

27,5

milliards En dollars, le marché global du diagnostic au chevet du patient (point-of-care) estimé d’ici à 2018.

(Source: PR Newswire)

I n g é n i e r i e e t A R C H I T E C T U RE - D I A GN O S T I C B i o c h i p s

Diagnostic Biochips Programme de recherche sur les outils diagnostiques et toxicologiques miniaturisés Une publication de la HES-SO Haute école spécialisée de Suisse occidentale

Impressum

Edition Rectorat HES-SO Route de Moutier 14 2800 Delémont Suisse

Photographies Couverture – Thierry Parel P. 3 – Bertrand Rey P. 4 – Thierry Parel P. 9 – Nicolas Duc

Réalisation LargeNetwork Abraham-Gevray 6 1201 Genève Suisse

11

Diagnostic Biochips