Les biopuces entrent en clinique
En 1989, dans l'institut de recherche d'une entreprise néerlandaise, Affymax, à Palo Alto (Californie), une équipe de jeunes chercheurs dirigée par le biochimiste Stephen Fodor inventa un drôle de prototype issu de la rencontre entre la technologie des semi-conducteurs et la biologie moléculaire : la puce à ADN. En quelques années, l'invention prit un envol fulgurant : adoubée par la communauté scientifique suite à sa publication dans Science, en 1991, le premier modèle fut mis sur le marché en 1994 par la société Affymetrix (Santa Clara) que Fodor avait cofondée avec Affymax deux ans plus tôt. Depuis lors, les puces à ADN ont envahi les laboratoires de recherche du monde entier, d'autres acteurs industriels (Agilent Technologies, NimbleGen Systems, Roche, Illumina, Applied Biosystems...) venant amplifier un marché qui représente aujourd'hui plus d'un milliard de dollars.
Le prototype de puce à ADN mis au point par l’équipe de Stephen Fodor en 1989, réalisé sur une lame de microscope
Courtesy of Affymetrix
La percée dans le domaine clinique est en revanche beaucoup plus lente, contrairement aux pronostics des années 1990 pour lesquels le principe même des puces à ADN - la reconnaissance des acides nucléiques d'un échantillon biologique par les sondes d'ADN déposées sur la puce - faisait entrevoir une foultitude d'applications médicales : diagnostic, découverte de médicaments, suivi de paramètres cliniques, découvertes de biomarqueurs, etc. La difficulté de valider cet outil sur des cohortes de patients, ce qui demande des investissements importants en temps et en argent, un certain manque de reproductibilité d’une plate-forme à l’autre y sont sans doute pour beaucoup (1, 2).
En outre, la puce à ADN est restée longtemps cantonnée dans les esprits comme un pur outil de recherche, indispensable pour étudier l'expression et la fonction des gènes « à grande échelle ». Les quelque 22 000 gènes humains sont désormais répertoriés, mais la tâche d’identifier leurs fonctions est loin d’être achevée et les puces à ADN ont encore de longues années de service devant elles pour aider à caractériser les interactions des acteurs moléculaires en jeu dans les mécanismes physiopathologiques. La région Ile-de-France est de ce point de vue bien pourvue avec plusieurs plates-formes d’analyse du transcriptome par puces à ADN (homme, levure ou souris) destinées à la recherche académique (Service de génomique du département de biologie (SGDB) de l’Ecole normale supérieure, Paris, Service de génomique fonctionnelle du CEA à Evry, plate-forme de l'institut Pasteur, plate-forme Gif-Orsay GODMAP), complétées de laboratoires de bioinformatique, en particulier à l’Institut Curie et au Centre de génétique moléculaire du CNRS à Gif-sur-Yvette, qui développent des outils d’analyse des données et des images issues des biopuces.
 Le diagnostic en ligne de mire
Des puces à ADN destinées au diagnostic ont été toutefois commercialisées, mais pour détecter des variations touchant quelques gènes. C'est le cas du premier test sur puce homologué en Amérique du Nord et dans l'Union européenne, l'AmpliChip CYP450 Test de Roche, commercialisé début 2005. Basé sur la technologie Affymetrix et la technique PCR (qui permet de multiplier le nombre de copies d’une séquence d’ADN, et ainsi d’amplifier la sensibilité du test), il recherche les variations dans deux gènes du complexe cytochrome P450 impliqués dans le métabolisme des médicaments afin d'optimiser, pour chaque patient, la posologie des traitements (pharmacogénétique). Plusieurs services hospitaliers s'en sont équipés, le premier en France ayant été le laboratoire de biochimie de l’Hôpital européen Georges Pompidou, dirigé par Philippe Beaune. Ce marché des puces de diagnostic génétique va à l'évidence continuer de croître, à commencer par le domaine des maladies génétiques et des cancers (voir « PartnerChip : du service à la recherche en génétique » et « Serial Genetics : des biopuces contre les maladies génétiques »).
L'AmpliChip CYP450 de Roche Diagnostics
© Roche
Parallèlement, la mesure et le suivi de données biochimiques, la mise en évidence et l'utilisation clinique de biomarqueurs devraient sortir des laboratoires dans les prochaines années. Ainsi ExonHit Therapeutics envisage-t-elle de commercialiser en 2009 un puce à ADN qui mesurerait soixante biomarqueurs pour diagnostiquer la maladie d'Alzheimer à partir d'un échantillon de sang (voir « Les puces d’épissage : de l’ARN au diagnostic »). Dans les domaines du cancer et des maladies infectieuses, de nombreuses publications récentes suggèrent que des puces à ADN, associées aux logiciels adéquats, pourront détecter d'ici quelques années, de manière non invasive, des signatures spécifiques de la présence de cellules cancéreuses ou d'agents infectieux, fondées sur la détection de l'expression relative de plusieurs gènes ou dizaines de gènes (3). Une esquisse de la médecine prédictive dont on parle depuis une bonne décennie.
Puces à protéines : encore un effort
Un développement qui devrait faciliter l'entrée des biopuces en clinique est le perfectionnement des puces à peptides et à protéines comme complément des méthodes traditionnelles de la protéomique. C'est en 2000 que l'équipe de Michael Snyder (Université Yale) développa la première puce à protéines de levure. Cette invention a donné naissance au ProtoArray® commercialisé par Invitrogen et dont la dernière version comporte plus de huit mille protéines humaines. Aujourd’hui, aux Etats-Unis, un partenariat entre Plexera Bioscience (filiale de Lumera) et l'Harvard Institute of Proteomics ambitionne de mettre au point une puce « protéome entier » comptant plus de dix mille protéines humaines.
Ces puces à protéines sont toutefois avant tout des outils de recherche servant notamment à étudier les interactions entre protéines, mais quelques-unes pourraient bien entrer en essais cliniques dans les prochaines années. En Ile-de-France, l’entreprise AbAg (Génopole d'Evry), dirigée par Marc Bourlioux, développe en collaboration avec le CEA de Grenoble un projet de puces à protéines pour la détection d'agents infectieux dans un format en capillaire et non plus sur plaques de verre (4).
Le laboratoire sur puce HPLC d’Agilent Technologies, capable de réaliser une chromatographie liquide haute performance sur un nanoéchantillon
© Agilent Technologies
Sensibilité et compacité : deux propriétés des biopuces du futur
Deux autres types d'innovations technologiques devraient permettre d'agrandir le champ d'applications cliniques des biopuces. Ce petit dossier en donne quelques illustrations. Tout d'abord l'amélioration de la sensibilité des puces à ADN conduira à détecter des gènes dont l'expression dans l'échantillon est faible. Cette amélioration prend au moins trois formes : la mise au point de marqueurs fluorescents plus luminescents - ce type de marqueurs est utilisé dans 90 % des puces à ADN pour détecter l'hybridation des molécules de l'échantillon avec les sondes de la puce (voir « Des biopuces plus fluorescentes ») ; des dispositifs optiques qui amplifient et collectent mieux le signal émis par le marqueur (cf « Genewave, ou comment rendre les puces plus sensibles ») ; et des systèmes qui se passent de tout marqueur en utilisant des principes physiques autres que le transfert d'énergie vers des molécules fluorescentes (voir « GenOptics : l’imagerie optique sur puces » et « Les biopuces à transistors »).
L'autre innovation importante est représentée par les laboratoires sur puce (lab-on-a-chip) ou microsystèmes d'analyse (microTAS), qui reposent sur la capacité à manipuler de très petits volumes de fluides (microfluidique) (5). C’est l’un des axes de recherche que souhaite approfondir le Centre de développement et d’innovation en bioengineering (CEDIB) en cours de montage à Ivry-sur-Seine (voir « La bioingénierie innove en Ile-de-France »). Dans le paysage francilien, outre les avancées du CEA, les produits de Fluigent, essaimage de l'Institut Curie (voir « Fluigent : la ’’boîte à outils’’ microfluidique »), ou ceux en développement de Genewave sont un bon exemple de l'ingéniosité des équipes pluridisciplinaires qui « bricolent » ces micromachines d’un nouveau genre. Ces systèmes pourront analyser avec une grande sensibilité et en parallèle différents composées (analyse multiplexée) à partir d'un échantillon de quelques microlitres ou nanolitres. D’où un gain de temps et des coûts d’analyse réduits à grande échelle. On peut parier qu’ils connaîtront le succès qu’ont eu leurs vénérables ancêtres, les puces à ADN.
(1) B.R. Jordan (2007) DNA microarrays in the clinic: how soon, how extensively?, Bioessays 29(7):699-705.
(2) E. Strauss (2006) Arrays of hope, Cell 127(4):657-9.
(3) Voir par exemple : J.E. Korkola et al. (2007) Identification of a robust gene signature that predicts breast cancer outcome in independent data sets, BMC Cancer 7: 61
www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=17428335
(4) Marc Bourlioux n'ayant pas répondu à nos demandes d'interview, nous n'en dirons pas plus ici.
(5) Voir Nature Insight, juillet 2006
www.nature.com/nature/supplements/insights/labonachip/index.html
 Ressources Internet
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