La Biophotonique française Perspectives de … Patrice Directeur Scientifique, Département Laser, Neurochirurgie, Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie,

La Biophotonique française

Perspectives de développement

Etude réalisée par

Opticsvalley et Genopole® Evry

En collaboration avec l’ADIT

Sous la présidence de Jean-Louis Martin,

Directeur du Laboratoire d’optique et Biosciences de

l’Ecole Polytechnique

5 juin 2003

© Opticsvalley, Genopole®, ADIT - 2003 Page 2

Sommaire

AVANT-PROPOS 4

CHAPITRE I - DÉFINITION ET ENJEUX DE LA BIOPHOTONIQUE 8

A) Définition de la biophotonique : « Interaction du photon avec la matière biologique » 9 1. Un secteur en phase de structuration 9 2. Qu’est-ce que la Biophotonique ? 9

2.1. Définition consensuelle 9 2.2. Segmentation technologique globale 10 2.3. Domaines d’application de la biophotonique 11 2.4. Un marché mondial considérable 11

B) Enjeux de la biophotonique 12 1. Enjeux technico-économiques 12 2. Enjeux sociétaux 12 3. Enjeux de politique industrielle pour la France 13

CHAPITRE II - PANORAMA À L’INTERNATIONAL 17

A) La biophotonique en Amérique du Nord 20 1. Les Etats-Unis s’organisent 20

1.1. Des initiatives gouvernementales dédiées à la biophotonique 20 1.2. Des initiatives gouvernementales pour le développement de la biophotonique 22 1.3. Un tissu d’acteurs où la biophotonique joue un rôle important 23

2. Des initiatives de soutien au Canada 24

B) La biophotonique en Europe : exemple de l’Allemagne 28 1. Une impulsion gouvernementale 28 2. Des réseaux qui vont rapidement structurer le secteur de la biophotonique 29

C) Quatre « facteurs-clés de succès » 32

CHAPITRE III - ETAT DES LIEUX DE LA BIOPHOTONIQUE EN FRANCE 34

A) Une filière en cours de structuration 35 1. Quatre segments porteurs pour l’avenir de la biophotonique 35 2. Un potentiel de transferts de technologies 36

2.1. Pour le segment « imagerie » 36 2.2. Pour le segment « nouveaux matériaux à propriétés optiques », 40 2.3. Pour le segment « biopuces » 40 2.4. Pour le segment « applications biomédicales des lasers », 41

3. En conclusion : cahier des charges des attentes du marché 44 3.1. Du point de vue technologique 44 3.2. Demandes et besoins technologiques 45

B) Les forces en présence 46 1. Les pôles biophotoniques français 46

1.1. Cartographie de la biophotonique française 46 1.2. Les atouts du pôle francilien 47

2. Les initiatives lancées en France 50 3. Des réseaux qui se tissent peu à peu 52

3.1. Les sociétés savantes déjà en place 53


3.2. Des « réseaux de recherche biophotoniques » qui se structurent 55 3.3. Intégration de la recherche française en biophotonique dans l’espace européen de R&D 59

C) Présentation des segments porteurs et positionnement correspondant de la France et de l’Ile-de-France 63 1. Imageries cellulaire et tissulaire (y compris micro et nanomanipulations d’objets biologiques) 64

1.1. Grille technologique 64 1.2. Grille de marché : analyse par la matrice de Porter 82 1.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie 84

2. Nouveaux matériaux à propriétés optiques (y compris photoactivation d’objets biologiquement actifs) 86 2.1. Grille technologique 86 2.2. Grille de marché : analyse par matrice de Porter 98 2.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie 101

3. Biopuces et technologies associées 104 3.1. Grille technologique 104 3.2. Grille de marché : analyse par matrice de Porter 124 3.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie 134

4. Lasers biomédicaux : innovations technologiques, photodiagnostic et photothérapie 136 4.1. Grille technologique 136 4.2. Grille de marché : analyse par matrice de Porter 145 4.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie 148

5. Positionnement de la France et de l’Ile-de-France sur les différents segments 150

CHAPITRE IV - PRÉCONISATIONS POUR DÉVELOPPER LA BIOPHOTONIQUE FRANÇAISE 154

A) Pour favoriser la pluridisciplinarité 155 1. Fédérer les forces de recherche 155 2. Organiser des formations pluridisciplinaires 158

B) Pour favoriser le transfert de technologies de la recherche vers l’industrie 161 1. Mettre une place une plateforme de validation de technologies 161 2. Favoriser le transfert de technologies et la création d’entreprises innovantes 162 3. Structurer les acteurs 163 4. Sensibiliser les chercheurs à la propriété industrielle 165

ANNEXES 166 1. Financements de la NSF 167 2. Instituts et équipe de recherche allemands 170 3. Le réseau NanoToLife 172 4. Analyse par la matrice de Porter 174 5. Liste des laboratoires et entreprises français de biophotonique 178

5.1. Laboratoires 178 5.2. Entreprises 193


Avant-Propos Avec un marché évalué à plus de 8 milliards d'euros à l'horizon 2005, la biophotonique est sans doute l'une des applications les plus porteuses des sciences et techniques de la lumière. Ses évolutions sont prometteuses sur le plan économique, et participent surtout aux progrès de la santé (diagnostiques, analyses et soins), de la maîtrise raisonnée de l'environnement, de la cosmétologie, de l'agronomie. Malgré l’essor important qu’elle est amenée à connaître dans les prochaines années, la Biophotonique, reste peu structurée en France, alors qu’au plan mondial plusieurs initiatives ont débouché sur la création de grands centres internationaux (Wellman Laboratories, Harvard ; Molecular Biophotonics Lab., Stanford ; Center for Biophotonics, Glasgow ; Québec Biophotonique ; etc.). C’est pourquoi, avec le soutien de pouvoirs publics, Genopole® Evry et Opticsvalley ont voulu cerner les travaux et les attentes des professionnels de la bio photonique de l'hexagone, et plus spécifiquement du vivier technologique présent en Ile-de-France. En collaboration avec l'ADIT, cette étude a été menée auprès de scientifiques soucieux de développer ce secteur en France. Qu'ils soient physiciens, biologistes, chimistes ou cliniciens, ils font part de l'état de leurs recherches, des applications concrètes qu'ils en espèrent ou développent déjà. Tous soulignent l'importance de la lumière dans leurs domaines de recherche, convaincus de la nécessité de faire de la biophotonique une discipline à part entière. Ce travail a été présidé par Jean-Louis Martin, Directeur du Laboratoire d’Optique et de Biosciences de l’Ecole Polytechnique, et supervisé par un comité de pilotage constitué d’une cinquantaine d’experts reconnus issus de la recherche et de l’industrie. Son objectif était de dresser un état des lieux précis de ce domaine en France, et plus précisément en Ile-de-France, afin de détecter les transferts de technologie potentiels de la recherche vers l’industrie. L’ampleur de la tâche et le manque de visibilité de la biophotonique en France, en tant que discipline à part entière, n’ont pas permis d’identifier de façon exhaustive tous les acteurs présents sur le territoire national. Que les « oubliés » ne nous en tiennent pas rigueur. Avec la volonté de tous, la future structuration de ce secteur y palliera.


Nous remercions tout particulièrement les experts qui ont contribué activement à l’élaboration de cette étude :

François Amblard Institut Curie, Laboratoire de Physico-Chimie, CNRS - INSERM

Philippe Aubourg Directeur commercial, Groupe Quantel

Dominique Ausseré Nanoraptor

Loïc Auvray Directeur du Laboratoire Matériaux Polymères aux Interfaces, Université d'Evry

Sigrid Avrillier Professeur, Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris 13

Hugues Bédouelle Directeur du Laboratoire de Biologie Structurale et Agents Infectieux, Institut Pasteur, Paris

Henry Benisti Professeur, Institut d’Optique

Pierre-Damien Berger Directeur R&D, Atmel Grenoble

Mireille Blanchard-Desce Directeur de Recherche CNRS, Equipe de Photonique Moléculaire, UMR Synthèse et ElectroSynthèse Organique, Université de Rennes I

Claude Boccara Directeur du Laboratoire d’Optique Physique, ESPCI

Alain Bondois Directeur commercial, Service Test et Mesures, Agilent

Geneviève Bourg-Heckly Maître de Conférence, Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire et Cellulaire, Université Paris 6

Sophie Brasselet, Maître de Conférence, ENS Cachan

Daniel Brault Professeur, Laboratoire de Photobiologie, Muséum National d'Histoire Naturelle

Jean-Marc Brosse Chef des ventes, Bio-Rad

Spencer Brown Directeur de Recherche CNRS, Responsable de la plateforme de microscopie photonique, Institut des Sciences Végétales, Gif-sur-Yvette

Malcom Buckle Directeur de Recherche, ENS Cachan

Zoran Cerovic Chercheur, Equipe Photosynthèse et Télédétection du LURE-CNRS, Université Paris-Sud 11

Florent Chavand Directeur du Laboratoire des Systèmes Complexes (CEMIF), Université d’Evry Val d’Essonne

Pierre Chavel Directeur du Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique

Maxime Dahan Chercheur, ENS Paris, Département de physique, Laboratoire Kastler Brossel, Groupe Optique et Biologie

Jean Davoust Professeur, Généthon

Gérard Dine Professeur, Ecole Centrale de Paris et Directeur de l’Institut de Biotechnologie de Troyes

René Farcy Enseignant-Chercheur, Laboratoire Aimé Cotton, Université Paris-Sud 11

Francis Galibert Directeur du programme Puces à ADN, CNRS


François Gendre Directeur de Recherche, Danone Vitapôle

Patrick Georges Directeur, IOTECH

Xavier Gidrol Chef du Service de Génomique Fonctionnelle et Responsable de la plateforme de génomique fonctionnelle, CEA, Genopole® Evry

Stéphane Guillerez Responsable du Laboratoire d'Electrochimie Moléculaire et de Structure des Interfaces, CEA Grenoble

Pascal Le Floch-Riche Directeur du Département Biosciences, Agilent

Isabelle Ledoux-Rak Professeur associée, Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, ENS Cachan

Christian Lerminiaux Directeur New Business Development, Corning

Bernard Limon BioMérieux, Directeur R&D Ingénierie et Systèmes

Leif Lissmyr Directeur de la Division Microscopie, Carl Zeiss

Sacha Loiseau Président Directeur Général, Mauna Kea Technologie

Jean-Michel Lourtioz Directeur de l’Institut d'Electronique Fondamentale, Université Paris-Sud 11

Christian Maennel Directeur commercial, Cilas Orléans

Michel Mariton Directeur Général, Jobin-Yvon

Jean-Louis Martin Directeur du Laboratoire d’Optique

et Biosciences, Ecole Polytechnique, INSERM et CNRS

Gérard Mathis Responsable de la Division In Vitro Technologies, CIS bio international

Yves Menu Professeur, Service de Radiologie, Hôpital Beaujon, Paris

Thibaut Mercey Directeur Général, Genoptics

Fabienne Merola Chargé de Recherche, Laboratoire de Chimie Physique, Université Paris-Sud 11

Patrick Meyrueis Directeur du Laboratoire des Systèmes Photoniques, Université Louis Pasteur, Strasbourg

Jean-Christophe Olivo-Marin Responsable de l’Unité Analyse d’Images Quantitatives, Institut Pasteur

Thierry Patrice Directeur Scientifique, Département Laser, Neurochirurgie, Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie, Hôpital Laënnec, Nantes

Christine Pernelle Professeur titulaire de la chaire de Génie Analytique, CNAM Paris

Jean-Paul Pocholle Senior Expert, Thales R&T

Françoise Prêteux Professeur, Institut National des Télécommunications

Hervé Rigneault Responsable de l’Equipe Composants Optiques Microstructurés (COM), Institut Fresnel, Marseille

Emmanuel Rosencher Directeur adjoint du Département Mesures Physiques, ONERA-DMPH


Ian Small Directeur scientifique adjoint, Unité de recherche en génomique végétale, INRA-CNRS

Pierre Tambourin Directeur Général, Genopole® Evry

Eric Trinquet Senior Research Scientist, CIS bio international

Philippe Vielh Chef de service de cytopathologie et cytométrie cliniques, Institut Curie

Sandrine Villette Doctorante, Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire et Cellulaire, Université de Paris 6

Jaouad Zemmouri Président Directeur Général, Osyris

Joseph Zyss Directeur du Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, ENS Cachan

Chapitre I -

Définition et enjeux de la biophotonique

Chapitre I Définition et enjeux


A) Définition de la biophotonique : « Interaction du photon avec la matière biologique »

1. Un secteur en phase de structuration Une première définition de la biophotonique pourrait être l’application directe de la photonique à la biologie et à la santé. Les nouveaux dispositifs biophotoniques utilisent les propriétés des photons pour générer des interactions avec les tissus vivants. Ainsi, cette nouvelle branche scientifique unit la photonique et les biotechnologies. En termes de développement technologique et industriel, ce secteur est en phase d’émergence. Par exemple, pour l’initiative Québec Biophotonique, l’initiative canadienne visant à favoriser le développement d’entreprises dans ce domaine, neuf projets sur dix sont encore au stade de la recherche fondamentale ou en voie d’application. En terme d’organisation, ce secteur est déjà en phase de structuration. En effet, plusieurs associations regroupant des acteurs de la recherche autour de segments spécifiques, existent déjà tant au niveau mondial que national, tels que l’International Photodynamic Association qui a pour but le développement de la photothérapie dynamique (PDT) et du photodiagnostic en clinique. En France, on peut citer en particulier la Société Française de Photobiologie ou la Société Française des lasers médicaux. Egalement, de nombreuses conférences tant en France et à l’étranger portent sur des thématiques relatives à la biophotonique. Ainsi par exemple, le congrès biennal OPTDIAG qui ont lieu à Paris et de très importantes conférences de la SPIE (The International Society for Optical Engineering) et de l’OSA (Optical Society of America) regroupent plusieurs fois par an les acteurs de la biophotonique. 2. Qu’est-ce que la biophotonique ? 2.1. Définition consensuelle

L’ensemble des experts consultés s’accordent sur la définition de la biophotonique comme étant « l’application de l’optique-photonique à la biologie et aux sciences de la vie plus globalement ». A cela il conviendrait d’ajouter l’imagerie aux rayons X (par exemple, avec le rayonnement synchrotron, très utile à la biologie structurale) et l’imagerie nucléaire (par exemple, sur petits animaux). La biophotonique qui pourrait alors se définir ainsi :

« La biophotonique est l'application de l'optique-photonique dans le domaine spectral allant des micro-ondes à l’ultraviolet, voire aux rayons X, pour l’analyse ou la modification d’objets biologiques par nature complexes. »



Cependant, les secteurs de l’imagerie nucléaire et de la radiologie, très mûrs et structurés, ont été volontairement écartés de ce travail.

2.2. Segmentation technologique globale

Une tentative de segmentation conduit à dégager trois grands thèmes :

- les aspects thérapeutiques, - les techniques de diagnostic - l’analyse pour la biologie-biotechnologie.

1- Les aspects thérapeutiques ont pour objectif de concevoir les techniques et les

instruments permettant d’exploiter les effets de la lumière sur les cellules et les tissus par des procédés photochimiques, photothermiques et photo(électro)mécaniques. Ces techniques et ces instruments sont à la base de toutes les thérapies reposant sur la lumière : thérapie photodynamique par des médicaments photoactivés, chirurgie au laser et modification in situ de matériaux biologiques.

2- Les techniques de diagnostic utilisent les variations de certaines propriétés

mesurables de la lumière pour sonder la structure et la fonction des tissus telles que l’absorption, l’excitation par fluorescence et la diffusion (Raman) élastique ou inélastique. Ces procédés permettent la détection précoce de la maladie, l’observation des fonctions tissulaires normales et anormales et l’orientation des traitements. Si les techniques de la photonique ont autant d’incidence, c’est qu’elles sont peu invasives.

3- L’analyse concerne essentiellement la mise au point de nouvelles classes de

microscopes optiques, la micromanipulation au laser de cellules et d’organites, l’imagerie des mécanismes génétiques par bioluminescence et fluorescence et la création de techniques d’analyse rapide des cellules et des gènes.

Toutes ces applications sont tributaires de l’élaboration et de l’intégration de nouvelles technologies dites habilitantes, dont les lasers, les fibres optiques et les réseaux de photodétecteurs en robotique, les systèmes de traitement d’images et les micro-nanostructures. Elles exigent une compréhension approfondie de l’interaction de la lumière avec les biomolécules, les cellules et les tissus. Ainsi, beaucoup de recherches fructueuses doivent être accomplies en biophysique optique, en photochimie, en photobiologie et en génie optobiologique. La biophotonique est un domaine intrinsèquement multidisciplinaire qui appelle une étroite collaboration des physiciens, des ingénieurs, des biologistes, des spécialistes des biotechnologies, des chimistes et des cliniciens. Par comparaison avec d’autres technologies, l’optique-photonique a l’avantage d’être relativement facile à intégrer, par de simples jeux de déflecteurs par exemple. L’optique-photonique a cette capacité à détecter, quantifier et imager des composants intrinsèques et

Genopole® Evry



exogènes de tissus biologiques. De plus, les développements dans un domaine précis peuvent avoir un impact considérable sur d’autres domaines d’applications. Face à cette simplicité et cette transversalité, le défi réside donc essentiellement dans l’intégration d’applications à des systèmes vivants, hétérogènes et complexes.

2.3. Domaines d’application de la biophotonique Les domaines d’application de la biophotonique sont aujourd’hui très larges :

- Le biomédical : étude des tissus (architecture des tissus), notamment dans un cadre clinique diagnostic médical de façon générale (anatomopathologie…), et plus spécialement ceux liés aux tests génétiques individualisés

- La cosmétologie, notamment afin de remplacer les tests in vivo sur animaux - L’agroalimentaire : détection des OGM, de l’ESB, des micro-organismes etc. - L’agronomie, comme l’application du « thermal imaging » au contrôle de la

dégradation des plantes afin de repérer les premiers signes de pourrissement - La médecine vétérinaire, surtout pour la recherche et les études sur modèle

animal - L’environnement avec par exemple l’utilisation de biouces pour le contrôle

qualité de l’eau potable (Cf. accord entre bioMérieux et Ondeo)

2.4. Un marché mondial considérable L’Institute for Lasers Photonics and Biophotonics de l’Université de Buffalo avance le chiffre de 25 milliards de dollars pour le marché mondial en 2001, tout en admettant que ce chiffre est une approximation.

D’après une étude du cabinet canadien « Strategic Health Innovations » en 20011, le marché mondial de la biophotonique, pour le seul segment santé devrait être de 8 milliards de dollars en 2005, avec un taux de croissance annuel de 45%. Cette étude estime par ailleurs le marché des biocapteurs à 8,8 milliards de dollars en 2005 (+ 35% par an), et celui des nanotechnologies à 80 milliards de dollars (+ 30% par an), deux segments qui intègrent des dispositifs photoniques. Le cabinet américain Spectrum Consulting estime que le marché mondial du laser médical est de 2,3 milliards d’euros après une

chute de -9% depuis 2000. Il est important de noter que seul le marché européen a augmenté depuis un an (5%), avec une nouvelle prévision d’augmentation de 6% en 2003. Les ventes sont estimées à 2,3 milliards d’euros dont 23% pour l’Europe avec 533 millions d’euros. Les estimations varient donc énormément selon les sources. La définition du secteur de la biophotonique est sans doute très différente selon les experts. Quoi qu’il en soit, le potentiel de marché est considérable.

1 Emerging Convergent Biohealth Technologies : Canadian Strenghts and Global Markets, Strategic Health Innovations (CHI), Août 2001

Avec un taux de croissance annuel de 45%, le marché mondial de la biophotonique, estimé à 1,2 milliard de dollars en 2000 pour le seul secteur santé, serait de 8 milliards de dollars en 2005.



B) Enjeux de la biophotonique 1. Enjeux technico-économiques Afin de mieux saisir la transversalité de la biophotonique, une première segmentation a permis de mettre en évidence l’ensemble des segments où interviennent les technologies photoniques dans le domaine des sciences de la vie.

Thérapie Analyse-Diagnostic

Lasers Imagerie médicale Microscopie Spectroscopie

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Segmentation de la biophotonique

On constate que la biophotonique – au sens large - intervient directement ou indirectement dans un très large spectre de domaines. Les parts de marché correspondantes sont donc considérables. Elle s’intègre également sur un marché de la photonique à très forte croissance. En effet, d’après Linos AG2, fournisseur de technologies photoniques de précision, notamment pour le secteur des sciences de la vie, avec des clients tels que Siemens, Agilent ou Tecan, le volume du marché de la photonique

va décupler pour passer à 500-700 milliards de dollars d’ici à 2012. De plus, avec un tel volume de marché, les retombées en terme de création d’emplois seront certainement considérables. 2. Enjeux sociétaux De par ses interactions avec le vivant, la biophotonique peut également contribuer à l’amélioration du bien-être, tant en termes de santé humaine qu’en termes d’environnement.

2 Rapport annuel 2001

Le marché actuel de la biophotonique, estimé à 25 milliards de dollars, selon les sources, pourrait décupler d’ici 2012.



La grande force de la biophotonique réside dans son caractère non invasif, c’est-à-dire qu’elle n’affecte pas les organes explorés. Il y a donc moins de risques pour les patients, qui peuvent récupérer plus rapidement et qui ne gardent aucune séquelle tant physique que psychologique de l’intervention. Pour les hôpitaux et le système de santé, ce genre de pratique comporte également de nombreux avantages. Les patients sont hospitalisés moins longtemps, ce qui, non seulement contribue à désengorger les centres hospitaliers, mais encore réduit les coûts de façon considérable.

En outre, la biophotonique permet la mise en œuvre de nouvelles pistes de diagnostic et de traitement, et fournit de nouveaux outils pour l’observation, les techniques de mesure, l’analyse et la manipulation en recherche. Face aux enjeux de la lutte contre le cancer, la biophotonique peut jouer un rôle prépondérant, notamment dans les phases de dépistage, pour une détection la plus précoce possible, des cellules cancéreuses.

De même, ces nouvelles technologies, de par leur caractère non destructif et la richesse des signaux qu’elles produisent, permettent de surveiller l’environnement de façon très précise et d’adapter d’éventuels moyens de protection. 3. Enjeux de politique industrielle pour la France Ces enjeux industriels ont conduit quelques pays à décider une politique agressive dans le domaine de la biophotonique, secteur d’activité en émergence à travers le monde comme en témoignent les revues scientifiques internationales (par exemple Biophotonics International) de même que les présentations aux congrès spécialisés (congrès international Medical Imaging 2003, 15-20 février 2003, San Diego, en Californie ; colloque Paris-Biophotonique, 22 octobre 2003, Paris, Photonics West 24-29 janvier 2004, le plus grand congrès annuel international de biophotonique qui se tient à San Jose…). Cela se traduit également par la mise en place, dans quelques pays, d’initiatives en matière de soutien à la R&D dans ce secteur. Quelques universités ou instituts ont ainsi créé des centres de recherche en biophotonique. Par exemple, aux États-Unis, la « National Science Foundation » a investi 2,7 millions de dollars début 2002 dans la création du premier programme national d’études supérieures spécialisées en biophotonique. Ce programme est proposé à l’Université de New York à Buffalo. D’autres initiatives viennent s’inscrire dans cette dynamique, notamment :

- Le réseau de recherche allemand en biophotonique (50 millions d’euros sur 5 ans) - Le programme d’imagerie cellulaire à l’Université de Liverpool (1,4 millions

d’euros) - Le centre de biophotonique NSF (National Science Foundation) à l’Université de

Davis en Californie (52 millions d’euros sur 10 ans) - L’association Québec Biophotonique créée en mars 2002 et dotée d’un budget de 450

000 dollars annuels sur 3 ans, pour sa mise en place (le plan stratégique ne concerne toutefois que le domaine biomédical)

La biophotonique peut jouer un rôle prépondérant dans la lutte contre le cancer et la surveillance de l’environnement.



Le panorama à l’international est présenté en détail dans le chapitre suivant, afin de mieux positionner la France et l’Ile-de-France lors de préconisations de structuration de la filière biophotonique. D’un point de vue technologique, la biophotonique se situe en pointe de l’innovation, à l’intersection de nombreuses technologies. Le schéma suivant met en évidence certaines convergences.

La biophotonique, convergence de multiples disciplines

Dans ce cadre, on peut déjà identifier quatre facteurs clés de succès nécessaires au développement d’une telle filière, de la recherche au marché :

- Une nécessaire approche pluridisciplinaire scientifique et technologique - L’interfaçage de la recherche et de l’industrie pour les transferts de technologie - La formation d’une nouvelle génération de chercheurs, d’ingénieurs et de techniciens - Un système de gouvernance de cette discipline

En France, les forces sont aujourd’hui en émergence mais ne sont pas encore structurées et restent relativement éparses sur l’ensemble du territoire national. La France commence à lancer des programmes pluridisciplinaires en biophotonique… Est-elle réellement en retard ? Le monde de la biophotonique se situe à différents niveaux de maturité selon les domaines considérés : quasiment mature pour la microscopie et en pleine croissance pour les nanobiotechnologies. Cette discipline, riche en idées innovantes, est aujourd’hui en quête à la fois d’une identité reconnue par la communauté scientifique française et de valorisation, autrement dit, d’ancrage dans le marché. La France, et en particulier l’Ile-de-France, de par son potentiel et la présence d’Opticsvalley et de Genopole® Evry, pourrait jouer un rôle moteur dans son développement. L’enjeu est aujourd’hui de contribuer à la création et au développement d’une nouvelle filière économique par « fertilisation croisée », scientifique et industrielle, des sciences de la vie et de l’optique-photonique.

Santé,Biotechnologies

Biomédical

Techniquesagriculturales

avancées

Technologiesde l’information

GénomiqueProtéomique

BiophotoniqueBiopuces

BiocapteursBioinformatique

Biomol éculesImagerieTélémédecine

Instrumentationmédicale

Mesure à distanceEnvironnement

Santé,Biotechnologies

Biomédical

Techniquesagriculturales

avancées

Technologiesde l’information




Biomol écules




Biomol éculesImagerieTélémédecine

Instrumentationmédicale

Mesure à distanceEnvironnement

Source : « Ottawa’s technology convergence opportunity » Ottawa Life Sciences Council, avril 2002



En France, les forces sont nombreuses et prêtes à s’organiser. Les faiblesses font ressortir un tissu industriel assez peu représenté en raison des transferts de technologie difficiles à réaliser sur le territoire et qui se font encore trop souvent vers l’étranger. Dans ce contexte hautement concurrentiel, la France dispose d’une réelle opportunité liée à la présence de pôles optique et de génopoles bien structurés.



Trois questions à… Irène Nenner est Directeur adjoint des Sciences de la Matière au CEA

1. Quelles actions préconisez-vous pour favoriser le développement de la filière biophotonique en France ? Plusieurs actions sont nécessaires. Il faut par exemple renouveler l'initiative de rencontres interdisciplinaires comme cette réunion Paris-Biophotonique 2003. Il faut également susciter la mise en place de financements mixtes publics-privés de type Action Concertée Incitative- à tous les niveaux : intra et inter-organismes, ministère de la Recherche... Il faut enfin favoriser la création de fondations dans le but de financer des actions sur ce thème et pour aider la mobilité des chercheurs de disciplines différentes. 2. Quels sont aujourd'hui les besoins des laboratoires de recherche en matière de biophotonique ? Les compétences clefs nécessaires en matière de biophotonique sont présentes au sein des laboratoires de recherche, et les formations dispensées par les écoles ou les universités sont de haut niveau. Il n'y a pas de besoin supplémentaire, qualitatif ou quantitatif, en ce qui concerne ces compétences. En revanche, les laboratoires de recherche se heurtent à une difficulté : le nombre d'équipementiers français est insuffisant. Or, la proximité des équipes de Recherche et Développement des laboratoires de recherche et des équipementiers favorise la collaboration, ce qui est un point important. Enfin, les moyens financiers des laboratoires de recherche sont jugés satisfaisants. Une augmentation de ces moyens permettrait cependant de progresser plus vite dans la résolution des problèmes. 3. Comment jugez-vous le potentiel de la France dans le domaine de la biophotonique ? Un potentiel important en recherche existe en région parisienne, à Toulouse et à Grenoble. La France se situe à un bon niveau, même si les laboratoires allemands sont considérés comme en avance par rapport aux équipes françaises, avec des facilités apportées par les collaborations avec des équipementiers tels que Zeiss et Leitz. Quant aux Etats-Unis, ils possèdent un potentiel encore plus important, en particulier parce que les équipes de recherche ont développé de fortes compétences en optique avancée au sein de programmes de recherche financés par les budgets militaires. _____________________________________ Les Actions Concertées Incitatives selon la Direction de la recherche. Les Actions Concertées Incitatives (ACI) orientent les efforts de la recherche vers des domaines choisis comme prioritaires. Il s'agit de domaines pour lesquels l'effort français est jugé insuffisant, mais où l'existence d'au moins quelques équipes de qualité permet de penser qu'un soutien et un effort de structuration seront couronnés de succès.

Chapitre II -

Panorama à l’international

Chapitre II Panorama à l’international


Introduction Le marché estimé de la biophotonique est considérable : de 8 à 25 milliards de dollars selon les sources et les segments considérés, comme indiqué précedemment. Dans ce contexte, même si l’estimation des chiffres de marché varie beaucoup, la biophotonique représente une formidable opportunité de développement et d’innovation. Le front de l’innovation dans ce domaine se situe aujourd’hui dans les pays les plus « organisés », à savoir les Etats-Unis, le Canada et l’Allemagne en Europe. Les gouvernements de ces pays ont décidé de stimuler au maximum la R&D dans ce domaine, afin de structurer la filière, du laboratoire au tissu industriel. A travers le monde, d’autres initiatives récentes ont été identifiées mais ces dernières restent ponctuelles, même si l’excellence des équipes de recherche dans des domaines connexes à la biophotonique ne fait aucun doute, comme en Grande-Bretagne. On peut ainsi citer :

� Le Consortium International SYSTEMOSCOPE, inauguré le 18 juin 2003, qui vise

à développer la recherche fondamentale sur la complexité des systèmes biologiques et ses applications biomédicales, avec un engagement sur le long terme des partenaires d’apporter les outils de la génomique fonctionnelle et les résultats de la biologie systémique, du laboratoire au patient. Le Consortium International SYSTEMOSCOPE est une organisation sans but lucratif fédérant des organismes de recherche biomédicale leaders de renommée mondiale et des organisations de malades, des associations caritatives, des sociétés de l’instrumentation, des réactifs et de l’informatique, des agences gouvernementales et des sociétés pharmaceutiques et biotechnologiques.

� Le programme d’imagerie cellulaire à l’Université de Liverpool (Grande-

Bretagne) : elle vient en effet de recevoir en novembre 2002 un financement gouvernemental de 1,4 millions d’euros sur 5 ans3. Ce programme interdisciplinaire a pour but le développement de nouvelles méthodes d’analyse et de criblage des gènes pour des applications pharmaceutiques. � Le programme national norvégien pour la recherche industrielle en

biotechnologies : la Norvège projette d’accroître sensiblement son effort dans le domaine des biotechnologies en utilisant une partie des revenus issus du pétrole, afin de ramener l’effort de recherche national au niveau de ses voisins ou au moins, à celui de la moyenne des pays de l’OCDE. Créé en 1999, le fond d’investissement pour la recherche avoisine aujourd’hui 1,78 milliard d’euros et vise les 2 milliards d’euros pour 20054. Dans ce contexte, quelques secteurs spécifiques – dont certains sont directement connexes à la biophotonique - ont été choisis pour leur potentiel de création d’entreprises viables et de haute valeur ajoutée sur le plan national : la bioinformatique, les puces à ADN, la protéomique, l’analyse structurale, l’imagerie moléculaire, les modèles d’organismes et les biobanques en liaison avec

3 Communiqué de presse de l’Université de Liverpool, novembre 2002 4 Ambassade de France en Norvège, novembre 2002

© CEA - LETI

Prototype du lecteur de fluorescence confocal



l’épidémiologie. Pour les puces à ADN, cet effort peut également s’appuyer sur le consortium norvégien ad hoc (Norwegian Microarray Consortium), projet mené conjointement par les communautés de recherche des régions d’Oslo, de Bergen et de Trondheim. Une infrastructure consacrée au développement de ces nouvelles technologies de biopuces est en cours de création. � La création d’un département de recherche spécialisé dans les biosystèmes à

l’Université technologique KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) à Daejon (Corée) en 2003 suite à une donation de 25 millions de dollars du directeur général de Mirae Industry Corp., M. Moon-Sool Jung5 : il privilégiera trois domaines, la bioinformatique, la bioélectronique (ingénierie médicale, systèmes neuronaux) et les bio-MEMS (biocapteurs et biopuces).

Ce chapitre se focalise préférentiellement sur les trois pays les plus « organisés » - Etats-Unis, Canada et Allemagne - et les initiatives qui y sont engagées, afin d’en dégager des facteurs-clés de succès qui pourraient servir de base à une future dynamique de structuration de la filière biophotonique en France.

5 Communiqué de presse du KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), mars 2003



La NSF investit dans la biophotonique:

- 52 millions de dollars sur 10 ans dans la création du Centre de Biophotonique,

- 2,7 millions de dollars au début de l’année 2002 dans la création du premier programme national d’études supérieures spécialisées en biophotonique,

- 3 millions de dollars pour le financement de 8 projets depuis 4 ans, dans le cadre de son programme « Biophotonics Partnership Initiative »

A) La biophotonique en Amérique du Nord 1. Les Etats-Unis s’organisent Les Etats-Unis semblent être aujourd’hui les plus actifs dans le domaine de la biophotonique. Leurs efforts s’organisent autour d’initiatives de soutien à la R&D ou de formation d’une nouvelle génération de chercheurs, soit directement dédiées à la biophotonique, soit indirectement dans le cadre de programmes plus larges. Ces soutiens sont presque exclusivement orientés vers les applications biomédicales. 1.1. Des initiatives gouvernementales dédiées à la biophotonique Les initiatives les plus significatives sont présentées ci-dessous :

� L’initiative récente6 la plus marquante concerne la création du Centre de Biophotonique de la National Science Foundation (NSF) à l’Université de Davis en Californie avec un financement de 52 millions de dollars sur 10 ans (40 millions venant de la NSF et le complément de subventions fédérales ou gouvernementales et de fonds privés). Ce centre regroupera près de 100 chercheurs issus à la fois du monde académique et de l’industrie. En effet, l’infrastructure met en relation des acteurs tels que Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California Davis, University of California Berkeley, University of California San Francisco, Stanford University, Alabama A&M University, University of Texas (San Antonio), Hampton University, Fisk University et Louisiana State University, ainsi que des partenaires industriels tels que Chiron, Boston Scientific, Sequenom, BioLuminate etc.

Les thématiques de recherche s’organisent notamment autour :

- des technologies de microscopie optique avancées, - du marquage optique et des sources lumineuses associées, - du développement de capteurs et tests (« assays »), - de nouveaux matériaux à propriétés optiques, - de l’imagerie aux rayons X, - de la détermination de structures par utilisation de nouvelles sources de rayons X.

Le caractère inédit de cette création réside dans la constitution d’une véritable filière à l’échelle régionale à travers les quatre actions suivantes :

6 L’annonce officielle en a été faite en octobre 2002.



- mise en réseau d’une masse critique de chercheurs de haut niveau, - mise en place de formations pluridisciplinaires assurant l’arrivée prochaine d’une

nouvelle génération de chercheurs spécialisés en biophotonique, - création d’une structure de transfert de technologies (avec notamment la création

d’un portail d’affaires virtuel), - partenariats avec des industriels de poids, pouvant financer ou accueillir des

porteurs de projets biophotoniques. � La NSF a investi 2,7 millions de dollars au début de l’année 2002 dans la création du

premier programme national d’études supérieures spécialisées en biophotonique. Ce programme est proposé à l’Université de New York à Buffalo. A titre d’illustration, des financements de la NSF en cours et spécifiquement dédiés à la biophotonique sont présentés en annexe 1. Ils mettent en avant quelques équipes ou instituts particulièrement innovants dans ce secteur.

� Fin 2002, la « National Science Foundation » (NSF) a lancé pour la quatrième année

consécutive son programme « Biophotonics Partnership Initiative ». La publication en 1998 du rapport « Harnessing Light - Optical Science and Engineering for the 21st Century » par le National Research Council est à l’origine de cette politique : ce rapport préconisait que « la NSF accroisse ses efforts dans le domaine de l’optique biomédicale et recherche de manière très active un maximum d’opportunités, non seulement sur le plan fondamental pour la mise au point de nouvelles technologies optiques mais aussi en recherche appliquée pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic médical et de thérapies ». Le programme « Biophotonics Partnership Initiative IV » soutient la recherche et le développement à hauteur de 3 millions de dollars pour un nombre estimé de huit projets. Il a pour objectif de stimuler la recherche pluridisciplinaire pour le développement de nouvelles technologies bio-optiques complexes et intégrées (par exemple par utilisation des cristaux semi-conducteurs ou quantum dots, de nouveaux guides d’ondes, de la résonance plasmonique de surface (SPR), de microréseaux de lentilles ou de MOEMS-NOEMS de façon plus générale).

Les thématiques de recherche privilégiées sont les suivantes :

- Méthodes innovantes de marquage optique de macromolécules, nouveaux matériaux et nouvelles méthodes de fabrication de sondes multiplexées, notamment pour un marquage in vitro et la détection de cellules anormales spécifiques

- Nouvelles approches optiques permettant une action moléculaire spécifique sur des cellules avec la fixation de deux ou plusieurs sondes à différents marqueurs macromoléculaires

- Développement de nouvelles technologies de détection biocompatibles pouvant être intégrées au sein d’interfaces massivement parallèles, et pouvant par exemple « communiquer » avec des réseaux de cellules

- Outils optiques miniaturisés pour le suivi, le contrôle ou la mise en œuvre de réactions spécifiques intracellulaires ou intratissulaires

- Imagerie moléculaire fonctionnelle ou cellulaire et biochimique



- Etude fondamentale de nouvelles propriétés photoniques de nanoparticules ou de sondes optiques et de leurs interactions avec les cellules, voire les organites intracellulaires

- Nouvelles méthodes de transduction pour l’imagerie simultanée de plusieurs macromolécules intracellulaires

- Développement d’une nouvelle classe de matériaux optiques biocapteurs permettant de recueillir un maximum d’informations et pouvant être intégrés facilement dans des systèmes multimodaux

Ce programme se concentre exclusivement sur les applications biomédicales de la biophotonique. Il est important de remarquer que ce financement ne concerne pas seulement la recherche appliquée mais également la recherche fondamentale, afin de mettre au point les futures technologies habilitantes – composantes de base de tout système.

1.2. Des initiatives gouvernementales pour le développement de la

biophotonique D’autres initiatives gouvernementales s’appuient sur les financements des National Health Institutes (NIH), l’équivalent de l’INSERM, pour soutenir en partie les efforts d’innovation en biophotonique. Les programmes issus de ces initiatives concernent des problématiques plus générales qui englobent également ce domaine : � Programme “Single molecule detection and manipulation” (appel à projets initié en

février 2001 et renouvelé chaque année jusqu’en février 2004) – Financement SBIR (Small Business Innovation Research) et STTR (Small Business Technology Transfer). Le financement, de 250 000 dollars par candidature, est réparti sur plusieurs lignes budgétaires, en fonction des projets présentés chaque année et de leur état d’avancement. L’objectif scientifique principal est de pouvoir observer le comportement dynamique de molécules individuelles, d’explorer leur hétérogénéité et de déterminer des mécanismes d’action. Les projets portant sur les observations en temps réel de molécules uniques dans des cellules vivantes sont plus particulièrement privilégiés. � Programme “Systems and methods for small animal imaging” (appel à projets

démarré en novembre 2002 et renouvelé chaque année jusqu’en novembre 2005) – Financement SBIR (Small Business Innovation Research) et STTR (Small Business Technology Transfer). Le financement, de 100 000 dollars par candidature, est réparti sur plusieurs lignes budgétaires, en fonction des projets présentés chaque année et de leur état d’avancement. L’objectif est de soutenir la recherche et le développement d’outils et de méthodes, pour l’étude de processus biologiques et pathologiques chez le petit animal, grâce à des informations aux niveaux physiologique, métabolique et moléculaire. Les thématiques de recherche peuvent par exemple concerner la mise au point de nouveaux systèmes d’imagerie à haut débit adaptés au petit animal, le développement de méthodes avancées de reconstruction et de traitement d’images, la mise au point de capteurs en micro- ou nanoréseaux permettant de s’affranchir des biais dus à la manipulation de petits animaux (compensation des mouvements, administration d’agents de contraste etc.), le développement d’agents de contraste et de sondes moléculaires hautement spécifiques pour des études in vivo, etc.



� Programme “Bioengineering nanotechnology

initiative” (appel à projets initié en juillet 2002 et renouvelé chaque année jusqu’en juin 2005) – Financement BECON (Trans-NIH BioEngineering CONsortium). Le financement, de 400 000 dollars par candidature, est réparti sur plusieurs lignes budgétaires, en fonction des projets présentés chaque année et de leur état d’avancement. L’objectif est de stimuler le développement des nanotechnologies dans le domaine de la biomédecine. L’angle biophotonique, est plus particulièrement représenté par le développement de systèmes intégrés biocompatibles – optique, fluidique, mécanique et électronique – pour la détection et la prévention de maladies à des stades les plus précoces possibles, de la nano-imagerie en temps réel de structures, fonctions et propriétés subcellulaires, de capteurs moléculaires et cellulaires jusqu’au niveau de la molécule unique et de nouvelles sondes fluorescentes à l’échelle nanométrique pour l’observation des phénomènes en surface et à l’intérieur des cellules. � Programme “Probes for microimaging the nervous system” (appel à projets initié en

décembre 2001 et renouvelé chaque année jusqu’en décembre 2004) – Financement SBIR (Small Business Innovation Research). Le financement, de 250 000 dollars par candidature, est réparti sur plusieurs lignes budgétaires, en fonction des projets présentés chaque année et de leur état d’avancement. L’objectif de ce programme est d’encourager le développement de sondes permettant d’étudier la structure ou la fonction de molécules ou d’éléments subcellulaires de neurones ou d’autres cellules du système nerveux. La biophotonique se situe au niveau de l’ingénierie de sondes individuelles détectables selon plusieurs modalités (microscopie ou spectroscopie de fluorescence par exemple). � Programme “Low-cost medical imaging devices” (appel à projets en janvier 2003 et

date de dépôt des dossiers en mars 2003) – Financement NIBIB (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering) à hauteur de 5 millions de dollars pour l’année fiscale 2003 à répartir entre 12 à 15 projets. L’objectif est de stimuler la recherche pluridisciplinaire afin de développer des appareils à bas coût dans le domaine de l’imagerie biomédicale, non seulement mieux adaptés aux budgets de petits hôpitaux, de communautés rurales ou de pays en voie de développement, mais aussi pour réduire les coûts induits par les appareils d’imagerie dans le système de santé américain. Ceci implique, entre autres, l’utilisation de technologies biophotoniques, en complément de technologies ultrasons, de la tomodensitométrie, etc.

1.3. Un tissu d’acteurs où la biophotonique joue un rôle important

© CNRS Photothèque Organisation

des microtubules et de la chromatine lors de la transition

MII/MIII dans les souris Mos.Immunofluorescence :

visualisation des microtubules (en vert) à l'aide de l'anticorps

monoclonal YL1/2 dirigé contre l'alpha-tubuline tyrosinée et de la

chromatine (en rouge) par coloration au iodure de propidium.

Reconstitution d'une série de 80 coupes d' 1 µm d'épaisseur.



La filière biophotonique américaine, en cours de structuration, peut également s’appuyer sur des centres pluridisciplinaires ou sur un tissu académique et industriel biotechnologique très dynamique. Depuis quelques années, notamment avec les importants investissements en nanotechnologies (de l’ordre de 710 millions de dollars dans le cadre de la « National Nanotechnology Initiative » pour l’année fiscale 2003), des instituts tels que le Nanobiotechnology Center (NBTC, situé sur le campus de la Cornell University à New York) ont largement misé sur l’interdisciplinarité des recherches en nanobiotechnologies, à l’interface de la biologie, de la chimie et de la physique. La biophotonique rentre également dans ces champs de recherche, par exemple pour l’intégration de dispositifs nanophotoniques sur des biopuces ou pour l’observation et la manipulation de molécules uniques. On peut également citer la création physique d’instituts regroupant notamment biologistes, chimistes, physiciens et informaticiens, par exemple :

- BioX à Stanford : Cet institut se concentre sur quatre thématiques majeures : analyse des structures moléculaires, neurosciences cognitives, imagerie – de la molécule à l’organisme – et bioinformatique (biologie in silico).

- QB3 sur le nouveau campus de l’Université de Californie à San Francisco

(Mission Bay) : ce centre est organisé autour de trois thèmes de recherche : bio-ingénierie et biotechnologie, bioinformatique, et biologie structurale et chimique.

Des petites entreprises, associées à des laboratoires très innovants, travaillent déjà activement dans le secteur de la biophotonique, même si elles ne communiquent pas vraiment dans ce sens (nombre d’entre elles sont présentées dans le chapitre suivant, lors de la caractérisation des différents segments porteurs). La structuration de la filière biophotonique en est d’autant facilitée. Enfin, la densité du tissu industriel biotechnologique représente un atout considérable pour les Etats-Unis : couplé à un savoir-faire de haut niveau en transfert de technologies, il va permettra d’accélérer la création d’une filière biophotonique à part entière. 2. Des initiatives de soutien au Canada

En 2001-2002, le Canada a lancé des initiatives de soutien à la biophotonique afin de tirer parti au maximum de ses infrastructures de recherche et industrielles à la fois en optique-photonique et en sciences de la santé. La biophotonique canadienne est un peu plus restrictive que la biophotonique française telle que définie par les experts consultés. En effet, au Canada la biophotonique concerne exclusivement les applications biomédicales : c’est l’optique-photonique au service des

sciences de la santé. Elle fait appel à l’utilisation de la lumière à des fins de diagnostic, de thérapie et de développement d’outils d’analyse dans le domaine de la santé.

Globalement, au Canada, les investissements en photonique-optique et en santé sont de 25 millions d’euros.



Un nombre important de chercheurs de haut niveau dans ces deux domaines7, couplé à des infrastructures de premier rang au niveau mondial, réunit tous les ingrédients favorisant l’émergence de la biophotonique. Encore récemment, celle-ci provenait essentiellement des centres d’excellence en optique-photonique. Cependant la présence de catalyseurs semblait nécessaire afin de mieux structurer la filière biophotonique autour de projets innovants.

Au Canada, Vancouver constitue le précurseur historique de la biophotonique : c’est en effet suite à un transfert de technologie des laboratoires de l’Université de Colombie Britannique que l’entreprise QLT, leader de la photothérapie dynamique, a été créée il y a 20 ans. D’autre part, la société canadienne Xillix Technologies (Richmond, Colombie Britannique) fondée pour assurer le transfert industriel des travaux du laboratoire « Cancer Imaging » de l’université de Colombie Britannique, est la première entreprise à avoir industrialisé un imageur endoscopique fondé sur l'exploitation de l'autofluorescence tissulaire.

Parallèlement deux « catalyseurs biophotoniques » sont clairement identifiés :

� L’association Québec Biophotonique créée en mars 2002 et dotée d’un budget d’environ 300 000 euros annuels sur 3 ans pour sa mise en place8. L’objectif principal de cette association est de faciliter la convergence entre l’optique-photonique et les sciences de la santé afin de créer des opportunités industrielles pour cette nouvelle filière économique. L’organisation de ce cluster se focalise sur la région de Québec-Montréal-Ottawa, qui concentre de nombreuses entreprises, universités et laboratoires de recherche. Québec Biophotonique a déjà effectué une première évaluation du potentiel du Québec auprès des instituts impliqués en optique-photonique et auprès des groupes de recherche en santé. Seize regroupements de chercheurs provenant de la région ont déjà exprimé leur intérêt immédiat pour la biophotonique. La structure régionale de la recherche en biophotonique au Québec est présentée ci-dessous.

7 Dans le cas de la recherche universitaire en optique-photonique, une part importante de la recherche se fait dans le cadre de l’Institut canadien pour les innovations en photonique (ICIP), réseau dont la tête est l’Université de Laval. 8 « Québec Biophotonique, l’optique-photonique au service de la santé – plan stratégique », mars 2002

La Fondation canadienne pour l’innovation (FCI) a financé en janvier 2002 le projet d’agrandissement du Centre d’optique, photonique et laser (COPL) de l’Université Laval à hauteur de 10,7 millions d’euros et le projet du Centre de génomique fonctionnelle et humaine du Centre de recherche du CHUQ (CHUL) à hauteur de 7,5 millions d’euros.



Signification des sigles : COPL : Centre d’optique-photonique et laser CERPIC : Centre de recherche sur les propriétés des interfaces et la catalyse CREFSIP : Centre de recherche sur la fonction, la structure et l’ingénierie des protéines CERSIM : Centre de recherche en sciences et ingénierie des macromolécules INO : Institut national d’optique CRDV : Centre de recherche pour la défense de Valcartier

Source : « Québec Biophotonique, l’optique-photonique au service de la santé – plan stratégique », mars 2002

� Le centre de recherche Photonics Research Ontario qui possède une plateforme

technologique en biophotonique permettant d’aider les chercheurs et les entrepreneurs, créé en lien avec le département de Biophysique médicale de l’Université de Toronto et le Centre de recherche sur le cancer du « Princess Margaret Hospital ». Les principales applications développées sont orientées vers les thématiques suivantes :

- la photothérapie dynamique, - les thérapies les moins invasives possible guidées par image, - les méthodes de diagnostic optique non invasif, - les technologies de balayage par laser confocal, notamment pour l’imagerie

quantitative in vivo. � L’Advanced Biophotonics Consortium (ABC) vient d’être crée en mai 2003 sur

l’initiative du conseil de sciences de le vie d'Ottawa (Ottawa Life Sciences Council - OLSC), Photonics Research Ontario (PRO) (un centre d'excellence d'Ontario) et Ottawa Photonics Cluster (OPC) en partenariat une communauté multidisciplinaire incluant Ottawa Photonics Research Alliance (OPRA), Carleton University, University of Ottawa, Ottawa Health Research Institute, Canadian Photonics Consortium (CPC), National Capital Institute of Telecommunications (NCIT) et des entreprises locales de la photonique et des science de vie.

Ces structures organisent autour d’elles des « clusters biophotoniques ». Ainsi, parallèlement certaines entreprises « classiquement » orientées vers les télécommunications, les lasers ou les fibres optiques se diversifient vers des applications dans le domaine biomédical. Par exemple, Nortech Fibronic (EXFO) qui a déjà développé un biocapteur à base de fibre optique ou FISO Technologies aujourd’hui en partenariat avec des

Structure régionale de recherche en biophotonique à Québec

Optique- photonique Santé

Université Laval Fac. Sciences et Génie

Fac. Médecine

INO CRDV

Centres de recherches hospitaliers

Centres hospitaliers

Entreprises en photonique Entreprises en biotechnologie

et santé

Université Laval COPL, Fac. Sciences et Génie

CCERPIC, CREFSIP, CERSIM



fabricants d’appareils médicaux. Quant aux chercheurs académiques de renom en biophotonique, on peut citer (liste non exhaustive) :

� Groupe de David Dolphin, University of British Columbia, Chemistry Department : photothérapie dynamique. David Dolphin est par ailleurs co-fondateur de la société QLT PhotoTherapeutics Inc..

� Groupe de Ted Dixon, University of Waterloo, Physics Department, Ontario : mise

au point d’applications pour l’imagerie par fluorescence de gels de protéine et de gels de séquençage d’ADN; imagerie par fluorescence pour la détection de cancers ; application de l’imagerie confocale à la biologie et à la médecine, notamment légale. Ted Dixon est par ailleurs co-fondateur de la société Biomedical Photometrics Inc. qui développe et commercialise des « Laser Confocal Scanners ». � Groupe de Brian Wilson, Institut du cancer de l’Ontario : utilisation de modèles

animaux pour étudier le rapport entre les tissus et la lumière dans les techniques thérapeutiques et diagnostiques.

� Groupe de Michael Sherar, Institut du cancer de l’Ontario) : étude de la manière

dont les ondes électromagnétiques, les ultrasons et la lumière interagissent avec les tissus et mesure des changements qui interviennent dans les propriétés des tissus qui y sont exposés.

� Groupe de Lothar Lilge, Université de Toronto : amélioration de l’utilisation de la

lumière pour le diagnostic clinique et (ou) les applications thérapeutiques et comme instrument de recherche biomédicale.

Cette convergence académique et industrielle renforce d’autant plus la création de la filière biophotonique. Ainsi, l’excellence de la recherche biomédicale et la présence d’une filière optique structurée permettent l’avènement d’une filière biophotonique d’excellence et structurée par la mise en place de deux clusters organisés soutenus par les pouvoirs publics et les entreprises.



B) La biophotonique en Europe : exemple de l’Allemagne 1. Une impulsion gouvernementale La biophotonique allemande a commencé à réellement se structurer au cours de l’année 2002. Deux faits marquants l’attestent.

En février 2002, le ministère allemand de l’Education et de la Recherche a lancé un programme de soutien et de promotion des technologies optiques9 pour le 21ème siècle. Se basant notamment sur le rapport 1998 « Harnessing Light - Optical Science and Engineering for the 21st Century » du National Research Council américain, le gouvernement a voulu miser sur l’importance des technologies optiques pour le positionnement économique de l'Allemagne afin de mettre en place les moyens permettant d’exprimer leur réel potentiel. Le BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) soutient ce programme à hauteur de 280 millions d’euros sur 5 ans10, à la fois pour des projets de recherche fondamentale, de recherche appliquée, de soutien industriel et de coordination de

l’ensemble de la filière « optique ». La biophotonique fait donc partie des secteurs soutenus, et plus particulièrement autour des thématiques suivantes :

� Mise au point de nouvelles technologies de microscopie, pour la caractérisation et la manipulation de cellules vivantes ou de tissus, notamment à des fins diagnostiques ou thérapeutiques

� Développement de nouvelles méthodes spectroscopiques, plus sensibles et plus

spécifiques � Ingénierie de sondes et de marqueurs, pour des analyses qualitatives et quantitatives

in situ, permettant de contraster spécifiquement les structures biologiques

Il faut également souligner l’importance accordée à la recherche fondamentale dans ce programme. Elle permet de mettre au point de nouveaux concepts photoniques, des composants nano-optiques ou de nouvelles sources lumineuses et donc de jeter les bases des futures technologies habilitantes de la photonique et a fortiori de la biophotonique. Le deuxième fait marquant correspond à la création d'un réseau de recherche dédiée exclusivement à la biophotonique, en

9 Programme intitulé « Optische Technologien – Made in Germany » 10 Communiqué de presse du BMBF, février 2002

Le BMBF, ministère allemand de l’Education et de la Recherche, soutient son « programme de soutien et de promotion des technologies optiques pour le 21ème siècle » à hauteur de 280 millions d’euros sur 5 ans.

Le BMBF finance la création d'un réseau de recherche dédiée exclusivement à la biophotonique doté d’un budget de 50 millions d'euros sur cinq ans.



novembre 200211. Un projet de recherche fédérale en biophotonique, doté d’un budget de 50 millions d'euros sur cinq ans financé par le Ministère de l'Education et de la Recherche, a été lancé par le porteur de projet VDI-Technologie Zentrum (Technologie physique). Coordonné par l'Université Friedrich Schiller de Jena (avec pour coordinateur le Professeur Jürgen Popp de l’Institut de chimie physique), ce réseau comprendra une cinquantaine de projets, avec des applications dans les domaines de la médecine, de la chirurgie, de l’environnement ou de l’agroalimentaire. Outre ces deux initiatives, permettant l’émergence de nombreux projets innovants, la biophotonique allemande s’appuie sur d’importants réseaux, en photonique ou en biotechnologies. 2. Des réseaux qui vont rapidement structurer le secteur de la

biophotonique En photonique, la plateforme OptecNet Deutschland e.V. fédère l’ensemble des réseaux régionaux de photonique. La carte ci-dessous présente ces réseaux, chacun étant constitué d’instituts de recherches, d’entreprises et d’universités pour la formation.

Source : OptecNet Deutschland e.V.

11 Communiqué de presse de l’Université de Jena (Allemagne, land du Thüringen), novembre 2002



Chacun des réseaux régionaux entreprend des efforts pour soutenir la biophotonique, que ce soit dans l’optique biomédicale, comme le fait Optec Berlin-Brandenburg, ou dans des technologies habilitantes de la biophotonique telles que les fibres optiques ou les technologies laser, dans le cas d’OptoNet e.V. En biotechnologies, les clusters régionaux donnent déjà une infrastructure de taille à la biophotonique. La carte ci-dessous présente l’ensemble des clusters biotechnologiques présents sur le territoire allemand. Des instituts de recherche, des entreprises et des universités (pour la formation) sont mis en réseau au sein de chacun d’eux.

Source : “kompetenznetze.de 2003-2004, Networks of Competence in Germany”, VDI-Technology Center - BMBF, avril 2003

Chacun des clusters biotechnologiques régionaux possède une activité en biophotonique, support de multiples projets de recherche (biopuces, plateformes de microscopie etc.). Certains d’entre eux sont plus particulièrement actifs dans ce domaine :

� Le cluster Tübingen-Reutlingen-Neckar-Alb “Biochip Technologies” : à l’interface de disciplines telles que la microélectronique, la microingénierie, l’optique, la chimie, la biologie et l’informatique, il a pour objectif la mise au point de nouvelles générations de biopuces.



� Le cluster Berlin Brandenburg et plus particulièrement le projet “BioHyTec–

Biohybrid Technologies” : il regroupe des expertises en développement de biocapteurs, nanotechnologie et en « design » de puces microélectroniques. Comme pour le précédent cluster, l’objectif est la mise au point de biopuces les plus massivement parallèles possible et produits à des coûts les plus bas possible. � Le cluster Jena-Erfurt-Ilmenau “BioInstruments Jena” : d’un point de vue

historique, ce cluster est le résultat d’une longue tradition de coopération entre Carl Zeiss Jena GmbH et les centres de recherche à proximité, comme l’Université Friedrich Schiller ou l’Université des sciences appliquées de Jena plus récemment. Aujourd’hui, Carl Zeiss et de nombreux autres partenaires industriels contribuent au développement industriel du cluster “BioInstruments”, notamment dans des domaines tels que la microscopie à balayage laser, la spectroscopie de fluorescence ou les nanobiotechnologies de façon plus générale.

Parallèlement à ces réseaux et clusters régionaux, un tissu industriel dense complète les forces en présence sur le territoire allemand, en faveur de la biophotonique et des transferts de technologies futurs. Ce tissu se compose, non seulement d’industriels de poids, à double compétence optique et biologique, adossés à des centres de recherche universitaire de premier plan international, tels quel Zeiss, Leica ou Siemens Medizintechnik, mais aussi de tout un réseau de PME très innovantes, le plus souvent associées au secteur des biotechnologies. Ces entreprises sont citées lors de la présentation des segments biophotoniques les plus porteurs au chapitre suivant. Enfin, le monde académique apporte une expertise de très haut niveau. Plus de 20 équipes sont mobilisées dont la liste, non exhaustive, qui figure en annexe 2 présente des instituts ou des équipes de recherche de réputation internationale particulièrement actifs en matière de biophotonique.



C) Quatre « facteurs-clés de succès » L’analyse de l’expérience des trois pays les plus « organisés », fait ressortir quatre facteurs-clés de succès qui ont favorisé l’émergence et l’accélération de la mise en place d’une filière biophotonique. � L’amorçage de structuration de la filière biophotonique résulte d’une impulsion

gouvernementale avec un financement relativement conséquent et à court-moyen terme (sur 5 ans).

� Le soutien à la recherche et au développement consacre une large part à la recherche

fondamentale. Elle est en effet cruciale pour l’avenir d’une telle filière, par la mise au point de technologies habilitantes, composantes de base de tout système, et qui pourraient devenir incontournables.

� Les initiatives s’appuient toujours sur des réseaux préexistants, photoniques ou

biotechnologiques, le plus souvent à l’échelle régionale. D’une part, la mise en réseau à l’échelle nationale s’en trouve facilitée et d’autre part, cela permet de limiter les risques et de démontrer le potentiel d’une telle filière biophotonique, à condition :

- de fédérer une masse critique de chercheurs de haut niveau, - de mettre en place des formations pluridisciplinaires assurant l’arrivée prochaine

d’une nouvelle génération de chercheurs en biophotonique, - de créer une ou des structure(s) de transferts de technologies (par exemple par la

création d’un portail d’affaires virtuel), - d’établir des partenariats industriels de poids, pouvant financer ou accueillir des

porteurs de projets en biophotonique. � La mise en œuvre d’une interdisciplinarité scientifique et industrielle, essence même de

la discipline « biophotonique ».

A titre d’illustration, on peut mettre en parallèle le développement des biotechnologies aux Etats-Unis. Un des facteurs de succès de leur développement (et plus spécialement dans le domaine du biomédical) en Californie est d’avoir misé sur le renforcement de la pluridisciplinarité afin de briser les barrières traditionnelles entre disciplines. On peut citer par exemple quelques-unes des mesures prises :

- Programmes de formation permanente permettant d’élargir le champ de compétences des chercheurs biologistes vers des domaines en plein essor (nanotechnologie, informatique, ingénierie, optique-photonique…),

- Soutien de travaux transdisciplinaires intégrant biologie, recherche biomédicale,

ingénierie et informatique, tels que le programme COILS de l’UC San Diego qui a pour objectif la création d’un cercle vertueux entre recherche fondamentale, recherche clinique et développement de médicaments ou d’outils thérapeutiques en



collaboration avec de jeunes pousses ou des entreprises pharmaceutiques ou biotechnologiques déjà établies. Ce programme est à l’interface entre la médecine et les autres sciences.

- Création physique d’instituts regroupant notamment biologistes, chimistes et

informaticiens (BioX à Stanford ou QB3 de l’Université de Californie, à San Francisco).

L’un des principes fondateurs de cette dernière initiative est la sélection de professeurs suffisamment ouverts d’esprit, intéressés par la collaboration, respectueux du travail d’autrui et préparés à partager un espace de travail. Le rapport d’ambassade12 à l’origine de ces constatations souligne la flexibilité des projets et le pragmatisme des fondateurs. Le prix pour une meilleure compétitivité du système français passe par une simplification et une meilleure réactivité. La solution réside sans doute dans une véritable régionalisation du système de gestion de la recherche. Enfin, d’après certains experts européens et américains13, cette interdisciplinarité peut aussi trouver sa source dans la diversité institutionnelle et thématique de la recherche. La trop grande spécialisation et fragmentation des pôles d’excellence scientifique peuvent cloisonner l’espace de recherche et nuire aux synergies. Au contraire une certaine diversité des thèmes et des acteurs de la recherche a des effets positifs non seulement sur le succès du transfert de technologie dans une région donnée, mais aussi sur la formation d’un réseau cohérent de R&D. Toujours selon ces experts, « cette diversité organisationnelle et scientifique, dans le dispositif amont de la R&D, a plus à voir avec le succès de l’industrie des sciences de la vie aux Etats-Unis qu’avec les différences des politiques de recherche menées ici et là, ou avec les moyens donnés au système ».

Face à ces trois pays en forte « structuration biophotonique », la France et l’Ile-de-France pourraient s’inspirer des « facteurs-clés de succès » pour construire leur propre filière biophotonique. Dans ce cadre, Opticsvalley, en partenariat avec Genopole® Evry, pourrait alors jouer un rôle d’interface primordial.

12 « Innovation et recherche biomédicale en Californie », Jacques Haiech, Pierre Tambourin, Marc Bonneville, Ludger Johannes, Stéphane Roy, Ambassade de France aux Etats-Unis, Août 2002 13 « Europe – Etats-Unis : la force des réseaux », Fabio Pammolli, Massimmo Riccaboni, Jason Owen-Smith et Walter W. Powell, Biofutur 222, mai 2002

Chapitre III -

Etat des lieux de la biophotonique en France

Chapitre III Etat des lieux en France – Transferts de technologies


A) Une filière en cours de structuration

Dans l’objectif de valorisation et de structuration de la filière à court, moyen et long terme, un panel significatif d’experts français de la biophotonique, dont la liste est présentée ci-dessus, a été consulté.

Au cours des discussions les forces et faiblesses de la France dans le domaine de la biophotonique ont été évoquées :

Forces • La France dispose de nombreux moyens de recherche • Le tissu industriel en biophotonique porte un fort potentiel de développement • La volonté marquée des acteurs d’organiser la filière • Les organismes de recherche sont bien structurés •

Faiblesses • Le tissu industriel n’est pas structuré autour de la biophotonique en France ni en

Europe, à l’exception de l’Allemagne. Le développement industriel se fait donc surtout à l’étranger

• Les transferts de la recherche vers l’industrie restent encore difficiles à réaliser • Il n’y pas de structuration de la discipline, de réseau organisé, ni de financements

spécifiques (capitaux risqueurs, investisseurs, programmes de recherche…).

Globalement, la biophotonique française se situe aujourd’hui essentiellement au niveau de la recherche et du développement, renforcée par quelques petites entreprises très innovantes, et en demande d’une structuration de la filière en France.

1. Quatre segments porteurs pour l’avenir de la biophotonique

Une recherche documentaire a complété l’analyse des experts. Ce travail a permis l’identification de domaines à fort potentiel de développement technologique et de marché. Ces domaines d’intérêt croissant constituent le « terreau » de transferts de technologie en France et en Ile-de-France plus particulièrement. D’après les experts consultés, les sources d’innovation des prochaines années se situeront dans les quatre segments suivants (N.B. : l’ordre n’a aucune valeur hiérarchique) :

1) L’imagerie cellulaire et tissulaire et les micro et nano-manipulations :

microscopie confocale, tomographie optique cohérente et acousto-optique, pinces optiques,…

2) Développement de nouveaux matériaux à propriétés optiques : marqueurs fluorescents, nanomarqueurs…

3) Les biopuces : puces à ADN, à ARN, à protéines, à cellules, biocapteurs, laboratoires sur puces, détection avec ou sans marquage,…



4) Les applications médicales des lasers : photoablation, photocoagulation, photothérapie dynamique, photodiagnostic,…

2. Un potentiel de transferts de technologies

Sur ces quatre segments, la biophotonique industrielle française est en émergence. Environ 60 sociétés, représentant globalement 3 800 emplois, sont présentes sur le territoire français. Les deux tiers de ces entreprises sont situés en Ile-de-France. La biophotonique française présente un réel potentiel de développement industriel et de création d’entreprises très innovantes. Ainsi, au cours de cette étude, 14 transferts de technologie en cours ou potentiels, qui devraient renforcer la filière à plus ou moins long terme, ont été identifiés.

2.1. Pour le segment « imagerie » Transferts à court terme

� Imagerie de surface utilisant des supports porte-objets consommables La technologie développée porte sur des consommables très originaux destinés à la microscopie optique : les « surfs ». Il s’agit de supports porte-objets qui, en améliorant d’un facteur 10 à 100 la sensibilité des microscopes optiques, permettent la visualisation de films très minces et même de nano-objets. En outre, la technique des « surfs » permet de recourir à des microscopes plus légers pour visualiser des films ultraminces. Laboratoire concerné : Unité Polymères, Colloïdes, Interfaces du CNRS et de l’Université du Maine (Le Mans) et plus particulièrement Dominique Ausserré, Chercheur. Applications visées : l’instrumentation pour les nanotechnologies, notamment dans les biotechnologies. Les domaines d’application en biophotonique vont du diagnostic in vitro, au contrôle de qualité des biopuces, en passant par la lecture des biopuces sans marquage, l’analyse cinétique d’hybridations ou la micromanipulation en couplage avec la microfluidique. Stade de développement actuel : En cours de transfert dans l’entreprise Nanoraptor ; cette technologie sera commercialisée dans un an a priori. En parallèle, les fondateurs cherchent à élargir le plus possible les champs d’application. � Imagerie endoscopique d’autofluorescence

Cette technologie combine les avantages de l’endoscopie classique en exploitant les propriétés d’autofluorescence des tissus à visualiser. Laboratoire concerné : Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire et Cellulaire à l’Université Paris VI et plus particulièrement Mme Geneviève Bourg-Heckly, Maître de Conférence.



Applications visées : l’imagerie biomédicale, notamment pour la détection précoce de tumeurs cancéreuses. Stade de développement actuel : Un prototype de laboratoire est en cours de validation. Le transfert de technologie est en négociation avec une entreprise française.

� Microscopie tomographique plein champ par cohérence optique

Depuis le début des années 90, la Tomographie Optique Cohérente (« Optical Coherence Tomography » ou OCT) s’est imposée comme une nouvelle modalité d’imagerie, non invasive et non destructive, qui permet de réaliser des images en profondeur à l’intérieur des tissus organiques et biologiques. Les structures imagées ont une résolution très importante, de l’ordre de la dizaine de micromètres (voire moins). Utilisant des techniques interférométriques, l’OCT se base en général sur les interféromètres de Michelson. Par analogie à l’imagerie ultrasons qui utilise un signal acoustique, l’OCT exploite la lumière infrarouge. La technologie développée par l’équipe de Claude Boccara permet de faire de l’imagerie optique en coupe en milieu diffusant, notamment pour des échantillons biologiques : autrement dit, faire de la microscopie en exploitant l’approche OCT. Ce dispositif permet de réaliser des images tomographiques perpendiculairement à l’axe optique, sans balayage, grâce à l’utilisation d’une caméra CCD. Le dispositif est basé sur un interféromètre de type Linnik. Il s’agit d’un interféromètre de Michelson avec des objectifs de microscope identiques placés dans les 2 bras. La source de lumière est une diode électroluminescente (LED) émettant dans le proche infrarouge autour de 840 nm14. Laboratoire concerné : Laboratoire d’Optique Physique (LOP) de l’Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de Paris et plus particulièrement Claude Boccara, Directeur scientifique de l’ESPCI et Directeur du LOP. Applications visées : l’imagerie médicale, en ophtalmologie pour les premières applications, en gastro-entérologie et en oncologie pour les applications les plus prometteuses. Stade de développement actuel : Un prototype existe aujourd’hui à l’ESPCI depuis janvier 2003. Les utilisateurs actuels sont des biologistes, notamment de l’Institut Jacques Monod, pour l’analyse de tissus végétaux. Aujourd’hui, la résolution spatiale atteinte avec ce système est d’environ 1µm dans les 3 dimensions. Il est ainsi possible de reconstruire une image tridimensionnelle à partir d’une pile d’images tomographiques enregistrées à des profondeurs successives. Pour se développer, cette technique d’imagerie non invasive demande :

- de trouver des sources d’énergie plus puissantes, si possible aussi peu coûteuse que les diodes superluminescentes,

- une résolution plus importante pour son utilisation en 3D - un temps d’acquisition plus rapide (actuellement 1/50ème de seconde par

plan).

14 Site Internet de l’équipe : http://www.espci.fr/recherche/labos/upr5/fr/themes-optique/theme4.htm



Transferts à moyen terme

� Imagerie cellulaire multiphotons par exploitation de l’autofluorescence et des

effets non linéaires La technologie en cours de développement vise à recueillir des informations de morphologie structurelle en complément de la fluorescence classique. L’imagerie cellulaire multiphotons existe déjà pour la fluorescence extrinsèque. Cette nouvelle technologie qui exploite l’autofluorescence, apporte une solution pour le passage du linéaire au non linéaire en microscopie. Laboratoire concerné : Laboratoire de Physico-Chimie à l’Institut Curie (CNRS UMR 168) et plus particulièrement. François Amblard, Chargé de Recherche CNRS. Applications visées : Cette technologie vise le marché du diagnostic médical pour le recueil d’informations de morphologie structurelle en complément de la fluorescence classique. Stade de développement actuel : Avant de proposer cette technologie au marché, il reste à améliorer l’interprétation de contraste.

� Tomographie acousto-optique

Cette technique acousto-optique permet de faire de l’imagerie de tissus biologiques à grande profondeur, actuellement de l’ordre du millimètre, et haute résolution (meilleure que le millimètre). Comme la tomographie optique cohérente, son objectif est l’exploration des milieux diffusants et biologiques par des méthodes optiques non invasives et non destructives. On obtient ainsi des images de structures biologiques situées à des profondeurs de quelques millimètres, actuellement, à quelques centimètres, objectif à terme, sous la surface des tissus. Par une approche basée sur le « marquage » de la trajectoire des photons par un champ ultrasonore focalisé, la tomographie acousto-optique apporte des informations complémentaires à d’autres techniques. Elle répond à la difficulté d’observation rencontrée dans les tissus hétérogènes et diffusants (par exemple dans le cas de tumeurs du sein). Basée sur l’échographie, elle utilise les ultrasons pour la résolution couplés à la lumière qui apporte le contraste optique et permet une résolution de 1 mm pour une profondeur de quelques centimètres. La combinaison coaxiale de ces techniques se fait par l’utilisation d’un grand champ acoustique et d’un petit champ optique. Laboratoire concerné : Laboratoire d’Optique Physique (LOP) à l’Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de Paris et plus particulièrement Claude Boccara, Directeur scientifique de l’ESPCI et directeur du LOP Applications visées : Le principal domaine d’applications est à ce jour l’imagerie médicale in situ et in vivo. Stade de développement actuel :



Seul le principe technique est actuellement validé en laboratoire. Un partenariat avec l’Institut Curie est en cours pour des applications concernant les tumeurs du sein. Outre l’équipe de Claude Boccara à l’ESPCI, deux autres équipes au monde travaillent sur le même type de technologie : aux Etats-Unis, l’équipe du Professeur Lihong Wang du Optical Imaging Laboratory (Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University) et en Israël. En termes de développement, un progrès récent utilisant une source virtuelle a été réalisé en collaboration avec l’Institut Curie. L’équipe de Claude Boccara vient d’acquérir des lasers accordables en longueur d’onde, ce qui permettra d’optimiser le système. Enfin, des techniques de Speckle sont mises au point pour éviter la décorrélation du signal pendant le temps de mesure et notamment s’affranchir de problèmes liés à la circulation sanguine. A terme, d’un point de vue technologique, le but recherché est de révéler des contrastes optiques (absorption, diffusion) dans la profondeur des tissus (quelques centimètres) avec une résolution spatiale de l’ordre du millimètre. En terme d’application, l’objectif est d’introduire cette technologie dans le milieu hospitalier afin de faire de l’imagerie in situ et in vivo, directement sur des patients. � Imagerie endoscopique d’autofluorescence excitée dans l’UV

Une étude préliminaire avec un prototype clinique mesurant la fluorescence globale d’une surface réduite de la vessie in vivo chez l’homme a prouvé qu’une excitation à 308 nm permettait de détecter, avec une très grande efficacité, des carcinomes de très petit volume. Un appareil permettant de faire de l’imagerie sur une surface plus grande et de réduire ainsi le temps de la procédure de dépistage est en cours de construction. L’innovation réside dans le développement d’un endoscope UV spécifique. Laboratoire concerné : Laboratoire de Physique des Lasers (LPL) à l’Université Paris 13, et plus particulièrement Dominique Ettori, Maître de conférence. Applications visées : La détection précoce des carcinomes de l’endothélium, notamment pour la prévention des cancers de la vessie. Stade de développement actuel : Un prototype de laboratoire est en cours de validation. Le développement de la technologie est soutenu par Olympus Médical.

Transfert à long terme � Pinces optiques non linéaires

Ce transfert de technologie correspond plutôt à une piste de développement, à partir de l’utilisation des mémoires optiques non linéaires, basées sur l’holographie. Laboratoire concerné : Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan et plus particulièrement Joseph Zyss, Directeur du laboratoire. Applications visées : elles ne pas encore précisées, étant donné la jeunesse du projet. Vraisemblablement, ces pinces optiques non linéaires seraient utilisées dans l’industrie des biotechnologies.



Stade de développement actuel : en cours de mise en place et recherche de partenaires.

2.2. Pour le segment « nouveaux matériaux à propriétés optiques », Transfert à court-moyen terme

� « Design moléculaire » et développement de nouvelles nanosondes : sondes fluorescentes multiphotons et sondes avec génération de seconde harmonique L’exploitation de tels effets pour des nanosondes permet d’avoir un signal beaucoup plus riche en information. Globalement, l’utilisation de la fluorescence induite par absorption à deux photons (TPEF) et de la génération de seconde harmonique (SHG), permet d’obtenir une imagerie des tissus à plus grande profondeur et une réduction de la photodégradation, ainsi qu’une meilleure résolution tridimensionnelle intrinsèque en imagerie microscopique. Par exemple, la génération de seconde harmonique (SHG) apporte des informations complémentaires à la technique de FRET ((Fluorescence Resonance Energy Tranfer) qui intervient sur une profondeur de 1 à 10 nm. Elle permet d’améliorer la profondeur de pénétration (10 à 100 nm) dans les tissus biologiques et d’en limiter la photodestruction. Laboratoire concerné : Equipe de Photonique Moléculaire, UMR 6510 « Synthèse et ElectroSynthèse Organique » (SESO), Université de Rennes I et plus particulièrement Mme Mireille Blanchard-Desce, Directeur de Recherche CNRS. Applications visées : Les applications concernées sont transversales, des biopuces à l’imagerie. Il est possible de moduler chimiquement la molécule selon un cahier des charges qui définit à l’avance les fonctions voulues, par exemple pour le transport ou la « rétention » dans certains compartiments intracellulaires. Stade de développement actuel : Les techniques de synthèse sont déjà bien maîtrisées. Elles varient essentiellement en fonction des applications visées. Actuellement, par visualisation de l’orientation et de la localisation des nanosondes moléculaires, ces dernières ont permis de réaliser le suivi de potentiels électriques membranaires, de la dynamique de « flip-flop » membranaires, la visualisation d’adhésions membranaires, ou la mesure de distance intermembranaire à résolution sub-longueur d’onde.

2.3. Pour le segment « biopuces » Transfert à court-moyen terme

� Immunocapteurs fluorescents autonomes Cette technologie se fonde sur la construction de conjugués, dont la fluorescence varie en fonction de la fixation spécifique de l’antigène ciblé et à partir d’anticorps dont la structure n’est pas nécessairement connue. Par rapport aux systèmes actuels de référence que sont les puces à anticorps, ce type de biocapteur incorporé sur une biopuce simplifie drastiquement le protocole expérimental : il n’est plus nécessaire de marquer le protéome ciblé à l’aide de réactifs spécifiques, d’où un coût moindre et une rapidité d’analyse accrue.



De plus, il permet une mesure continue et quantitative de la fluorescence, ce que les systèmes actuels ne peuvent pas faire. Son large potentiel d’applications lui confère également un important avantage : le développement de bibliothèques d’anticorps est en effet relativement aisé en fonction des cibles souhaitées. Laboratoire concerné : Laboratoire de Biologie Structurale et Agents Infectieux de l’Institut Pasteur – Paris (URA 2185 du CNRS) et plus particulièrement Hugues Bédouelle, Directeur du laboratoire. Applications visées : de par son statut de « technologie habilitante », cette technologie très polyvalente peut être utilisée dans de nombreuses applications : - Pour des tests médicaux in vitro :

- Criblage de populations à risque et prévention de maladies - Diagnostic, le plus précoce possible - Suivi de traitements thérapeutiques - Evaluation de l’intérêt d’une intervention médicale plus poussée - Tests génétiques de prédisposition, ou pour la mise en place de nouveaux

traitements thérapeutiques (approche pharmacogénomique) - Pour des tests non médicaux tels que le suivi de procédés de fabrication dans

l’industrie pharmaceutique (production de protéines de plasma), la médecine vétérinaire, le contrôle de l’environnement (qualité de l’eau, analyses de sols) ou la détection de contaminations pathogènes (bactéries, virus, champignons) dans l’industrie agroalimentaire.

Stade de développement actuel : Aujourd’hui, l’équipe de Hugues Bédouelle se concentre sur la mise au point de techniques d’immobilisation de ses conjugués d’anticorps avec différents partenaires, notamment pour des applications « biopuces à protéines ». Les applications avec utilisation de fibres optiques devraient venir dans un second temps : l’association à des fibres optiques est en effet plus complexe à mettre en œuvre. De plus, pour la détection biophotonique, un mini-spectrofluorimètre reste à développer à partir de solutions préexistantes sur le marché. En d’autres termes, la prochaine étape est la mise au point d’un prototype, avec un effort tout particulier sur l’intégration de l’environnement technologique immédiat (technique immobilisation des anticorps sur biopuces et mini-spectrofluorimètre notamment). Actuellement, la sensibilité du système est de l’ordre de la nanomole, avec un objectif entre 10 et 100 picomoles à court ou moyen terme, plus spécialement pour des applications diagnostiques. Des partenariats industriels et académiques sont en cours d’élaboration sur l’ensemble de ces problématiques technologiques.

2.4.Pour le segment « applications biomédicales des lasers », Transferts à court terme

� Couplage spectroscopie confocale et microscopie confocale fibrée

L’objectif de cette technologie est de coupler les avantages des deux technologies afin d’obtenir en temps réel une information à la fois morphologique, via une image, et



biochimique, résultat d’une analyse spectrale. L’instrument final aura également l’avantage d’être modulaire. Laboratoire concerné : Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire et Cellulaire de l’Université Paris VI et plus particulièrement Geneviève Bourg-Heckly, Maître de Conférence. Applications visées : essentiellement des applications de diagnostic biomédical (en oncologie) et dans les sciences de la vie en général pour une imagerie in vivo et in situ. Stade de développement actuel : Le transfert de technologie est en cours avec une entreprise francilienne.

� Capteurs d’autofluorescence

Ces capteurs permettent en fait un suivi optoélectronique par fluorimétrie des cultures et du couvertvégétal en général, orienté vers l’exploitation de capteurs de la fluorescence végétale pour une estimation en temps réel et à distance de l’état physiologique de la végétaion. Les signaux ainsi récoltés seront utilisés en agriculture de précision pour traiter les champs au mètre carré près. Cette nouvelle pratique agricole économisera les intrants, engrais, herbicides et pesticides, ce qui contribuera de surcroît à la protection de l’environnement et à une meilleure qualité des aliments. Laboratoire concerné : Equipe Photosynthèse et Télédétection du LURE – CNRS au Centre Universitaire Paris-Sud 11 et plus particulièrement Zoran Cerovic’, Chercheur CNRS. Applications visées : d’abord agronomiques (agriculture de précision, sélection variétale). Stade de développement actuel : La technologie est en cours de transfert auprès d’une entreprise en création, Force A, lauréate du concours national d’aide à la création d’entreprises de technologies innovantes (édition 2002). Une étude de marché est actuellement en cours. � Dispositif d’irradiation ciblée

Ce dispositif se compose d’un partie « logiciel », relativement simple, et d’une partie « matériel » asservie qui constitue le noyau innovant du système. Elle est basée sur des sources laser fibrées, un montage optique et des caméras de détection. A partir d’une image de la zone ciblée, même en mouvement, le système permet d’irradier sélectivement certaines zones d’intérêt (esthétique ou thérapeutique par exemple). Laboratoire concerné : Laboratoire Aimé Cotton à l’Université de Paris-Sud, Orsay, et plus particulièrement René Farcy, Enseignant-Chercheur. Applications visées : Deux applications sont en cours de mise au point, l’une concernant l’épilation ciblée et l’autre en cancérologie de la vessie (en collaboration avec l’Hôpital de Kremlin Bicêtre). Une troisième application, beaucoup plus en amont, concerne l’ingénierie tissulaire. Stade de développement actuel :



Un prototype fonctionne actuellement dans le laboratoire ; des applications sont en cours de développements. René Farcy est actuellement à la recherche de moyens humains ou financiers pour accélérer ses développements.

Transfert à moyen terme

� Détermination de coefficients optiques par mesure résolue en temps de la lumière diffuse – Cette technologie a pour objectif la détermination des coefficients optiques d’un organe situé en profondeur, tel le muscle ou le cerveau. La connaissance de ces coefficients peut se révéler très intéressante pour le diagnostic médical : Une mesure précise du coefficient d’absorption dans l’infrarouge proche pourra ainsi être reliée au taux d’oxygénation du tissu étudié, l’absorption à ces longueurs d’onde étant essentiellement liée à l’hémoglobine. Une détermination précise de ces coefficients peut être obtenue par l’analyse résolue dans le temps de la lumière rétrodiffusée à la surface de la peau du patient. Le point particulièrement innovant de cette technologie consiste à utiliser une méthode d’analyse de tavelures. Outre la détermination des coefficients optiques, cette technique permettra également d’accéder à des données dynamiques dans l’organe étudié, liées notamment à la circulation sanguine. Laboratoire concerné : Laboratoire de Physique des Lasers (LPL) à l’Université Paris 13, et plus particulièrement Jean-Michel Tualle, Chargé de Recherche CNRS. Applications visées : Le principal domaine visé est l’oxymétrie, et plus particulièrement le suivi de l’oxygénation cérébrale des nouveaux-nés prématurés. Stade de développement actuel : Brevet n° PCT/FR01/01520. Prototype en cours de validation en laboratoire, recherche de partenaires industriels.

� Validation préclinique de photosensibilisants et de photomarqueurs – Transfert à

court terme Bien qu’hors du champ de la biophotonique, ce « transfert » présente une piste de développement qui est l’utilisation de l’optique pour concevoir directement de telles molécules. Laboratoire concerné : Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie Générale à l’Hôpital Laennec, Nantes, et plus particulièrement Thierry Patrice, Directeur Scientifique. Applications visées : exclusivement biomédical (photochimiothérapie et photodiagnostic) Stade de développement actuel : Thierry Patrice est en cours de création d’entreprise dans ce domaine.



3. En conclusion : cahier des charges des attentes du marché Ces considérations résultent de la consultation des experts, en particuliers industriels.

3.1. Du point de vue technologique La fluorescence est la technologie essentielle, utilisée dans 70% des applications sur l’ensemble des segments porteurs. Pourquoi ?

- Une longue expérience de son utilisation - De nombreuses applications qui fonctionnent, et déjà présentes

commercialement, sous de multiples déclinaisons (cf. Molecular Probes) - Une technique est très sensible : on peut mesurer un fluorophore à la fois - Une grande souplesse d’utilisation, qui s’accompagne d’une familiarité et d’une

confiance importante dans les outils de la fluorescence Les besoins ?

- Toujours plus de sensibilité - Plus de gamme de couleurs (cf. quantum dots) - Mieux adaptée à l’étude de phénomènes résolus dans le temps - Dérivées des techniques fluorescentes « pures » : développement de la gamme de

sondes fluorescentes spécifiques de certaines molécules biologiques (par exemple les anticorps) ; ingénierie des protéines fluorescentes (GFP)

Des techniques alternatives pouvant introduire des innovations de rupture ? Des alternatives possibles mais complémentaires de la fluorescence : il faut raisonner par intégration, recoupement et validation des différents types d’expériences possibles. Ceci concerne des marchés de niche, ces technologies demeurant moins transversales que la fluorescence. Elles ont parfois une meilleure sensibilité que la fluorescence mais elles ne viendront en aucun cas s’y substituer. Exemples :

- Utilisation de l’optique non linéaire avec génération de 2ème et 3ème harmoniques (Jérôme Mertz à l’ESPCI, très en pointe dans ce domaine)

- Résonance plasmonique de surface (SPR), avec des systèmes commerciaux déjà existants (Thierry Livache au CEA)

- Utilisation de particules d’or par effet photothermique (équipe de Bordeaux) - Techniques de transfert d’énergie : FRET - Utilisation des effets Raman

Ces éventuelles innovations de rupture seraient à débattre avec un plus large panel d’experts. Dans la plupart des cas, il n’y a pas de marquage des molécules biologiques. Ces dernières et leur environnement cellulaire ne sont pas perturbés, contrairement à ce qui se passe dans le cas du marquage par fluorescence. On se rapproche donc des conditions in vivo, sans introduire de biais (ou très faible) dans l’interprétation des résultats.



3.2. Demandes et besoins technologiques Les demandes et besoins technologiques représentent en quelque sorte les facteurs de succès de pénétration d’une innovation biophotonique sur un marché. En tenant compte de ces critères, un transfert de technologie augmente ses chances de réussite. a) « Toujours plus »

- Mettre au point de meilleurs produits de contraste - Avoir plus de données mais surtout plus pertinentes (« data relevance »),

d’ordre statique et dynamique - Avoir plus de souplesse et de modularité dans les technologies : c’est

indispensable pour l’étude des systèmes vivants, complexes, hétérogènes et changeants (cf. le multiplexing de sondes fluorescentes)

- Optimiser le ratio signal / bruit - Améliorer la sensibilité des systèmes de détection (lien avec la fluorescence

notamment) b) Aller vers le massivement parallèle

- Pour la détection en masse des interactions moléculaires - Même pour de la microscopie (liens avec la robotique et l’analyse d’images,

surtout pour des critères quantitatifs) - Intégration et parallélisation des optiques

c) Réduire les coûts

- Faire chuter, par exemple, le prix des réactions mises en jeu (la miniaturisation, via les « lab-on-a-chip », permettra, entre autres, de consommer moins de réactifs et de matériels biologiques).

d) Se rapprocher le plus possible des conditions in vivo

- Amélioration du marquage des molécules biologiques, pour mieux connaître les phénomènes intracellulaires et sub-cellulaires (interactions notamment)

- Perturbation minimale de la cellule et de son environnement e) Rechercher une meilleure ergonomie

- Utilisation au quotidien - Transportabilité sur le terrain, en milieu hostile (la simplicité et le coût des

technologies seront des critères déterminants) : concept du Personal Bio-Assistant

D’un point de vue technologique, les futurs besoins en biophotonique résideront dans une approche intégrée depuis la recherche fondamentale jusqu’aux utilisateurs finaux en passant par les entreprises, les hôpitaux et les centre de recherche, sur des plateformes technologiques, avec des techniques complémentaires pour valider les hypothèses et les résultats, en s’affranchissant du biais de chaque technique.

Chapitre III Etat des lieux en France - Forces


B) Les forces en présence 1. Les pôles biophotoniques français

1.1. Cartographie de la biophotonique française

Comme il a déjà été précisé plus haut, la biophotonique française se situe aujourd’hui essentiellement au stade de la recherche et du développement, renforcée par quelques petites entreprises très innovantes. La cartographie ci-dessous présente l’ensemble des pôles du territoire national. La biophotonique s’organise principalement autour de deux pôles majeurs – le pôle francilien et le pôle rhône-alpin (Lyon-Grenoble-St Etienne) - autour desquels se tisse tout un réseau de centres de recherche et de laboratoires.

Légende : Vert : imagerie cellulaire et tissulaire Jaune : biopuces et biocapteurs Bleu : nouveaux matériaux à propriétés optique Orange : lasers biomédicaux N.B : L’importance de chaque pôle est indiquée en fonction du nombre d’acteurs présents par segments porteurs, l’Ile-de-France et le pôle de Lyon-Grenoble-St Etienne étant les deux seuls pôles à représenter les quatre segments.



Les acteurs des ces différents pôles sont présentés ci-dessous par segment, au paragraphe C « Présentation des segments porteurs et positionnement correspondant de la France et de l’Ile-de-France » (la liste globale figure en annexe 5).

1.2. Les atouts du pôle francilien Outre les forces existant dans d’autres régions françaises (Rhône Alpes, autour du CEA à Grenoble, à Marseille, à Bordeaux…), les acteurs en présence constituent un pôle biophotonique très important en région d’Ile-de-France :

• 20 universités et centres de recherche (CEA, CNRS, INRA, INSERM, Institut Pasteur, Institut Curie, Institut d’Optique, Ecole Polytechnique, ESPCI, ENS Cachan, Ecole Centrale de Paris, Universités de Paris 6, Paris 11, Paris 13…) effectuent des recherches dans l’un des secteurs de la biophotonique.

• 21 entreprises dont des entreprises bien implantées au niveau mondial (Quantel,

Jobin-Yvon…), des start-up très innovantes (Mauna Kea Technologies, Genewave,…) et des grands groupes (Thales, Carl Zeiss, Agilent…).

• 2 pôles technologiques structurés: Genopole® Evry et Opticsvalley

• 1 pôle hospitalier : l’Assistance Publique-Hôpitaux de Paris (AP-HP), qui regroupe

39 hôpitaux, couvre les principaux problèmes en santé humaine où des outils basés sur la biophotonique pourront avoir un impact majeur, dont le cancer, la cardiologie, la neurologie, l’infectiologie, l’ophtalmologie, l’ingénierie tissulaire, etc. Dans cet organisme, le transfert de technologies est réalisé par le Comité d'évaluation et de diffusion des innovations technologiques (CEDIT) qui a une mission d'aide à la décision sur l'introduction des nouvelles technologies médicales à l’AP-HP : équipements médicaux, dispositifs médicaux, médicaments ou procédures. De plus, depuis 2000 l’AP-HP s'est s'associée à des industriels des organismes et institutions impliquées ou intéressées par la recherche clinique pour des actions spécifiques (INSERM, CNRS, IINRA, Université de Paris VI).

• 1 pôle agroalimentaire également bien représenté avec les implantations de l’INRA,

l’ENSIA et le centre de recherche de la société Danone.

• Le centre de recherche Synchrotron-Soleil qui permettra, à partir de 2006, aux biologistes, physiciens et chimistes d’exploiter la lumière synchrotron pour analyser très finement les molécules et les structures biologiques.

Les centres de recherche en photonique travaillent déjà sur des projets ayant trait à plusieurs facettes de la biophotonique en collaboration avec des chercheurs en santé de différents domaines de pointe. L’Ile-de-France est la première région française à détenir une telle position combinant une concentration de chercheurs reconnus dans les deux domaines scientifiques et la présence d’industries en optique et en biotechnologie.



Tous les ingrédients essentiels à l’émergence de la biophotonique sont réunis dans la région. Il manque cependant une force centrale pour transformer les activités des différents acteurs en projets plus importants et structurants pour le secteur.



Trois questions à… Gérard Dine est professeur de Biotechnologie à l'Ecole Centrale de Paris, où il est également responsable des enseignements Biotechnologie et Santé et directeur du Laboratoire d'ingénierie en biotechnologie et santé (1).

1. Quelles actions préconisez-vous pour favoriser le développement de la filière biophotonique en France ? La technologie et les outils nécessaires au développement de la biophotonique sont généralement entre les mains d'industriels des secteurs spatial, aéronautique, armement, automobile, télécommunications. Mais ces entreprises n'ont aucune approche précise des spécificités des marchés biomédicaux et biotechnologiques. L'interface indispensable avec les professionnels des sciences du vivant et de la santé reste ponctuelle, et la relation avec les entreprises biomédicales et biopharmaceutiques n'existe pas véritablement. Il est donc nécessaire de mettre en place de telles interfaces aux niveaux scientifique, technologique, industriel et commercial, pour permettre l'échange et la compréhension des besoins et du fonctionnement des professionnels du vivant et de la santé. La création de ces interfaces passe par la formation initiale et continue. 2. Précisément, quels sont aujourd'hui les besoins des organismes de formation en matière de biophotonique ? Le problème principal réside dans la formation initiale et dans la mise en place de formations continues adaptées en vue de créer des interfaces pour dégager des espaces d'activités pluridisciplinaires. Pour être caricatural, il faut en fait mettre en contact, au sein d'enseignements intégrés, les représentants des sciences dites dures avec des cursus comportant l'enseignement des sciences du vivant et de la santé. 3. Comment jugez-vous le potentiel de la France dans le domaine de la biophotonique ? La France y occupe une place significative au plan de la recherche scientifique. Par contre, la connexion entre recherche publique et entreprises biomédicales et biopharmaceutiques n'existe pas véritablement. Les entreprises françaises performantes dans les outils optiques n'ont pas une politique orientée vers les entreprises biomédicales et biotechnologiques. Le souci est donc simple : c'est celui de l'interface, de la transversalité, de la pluridisciplinarité et de la compréhension des réalités économiques et financières des secteurs biomédicaux et biotechnologiques qui constituent des domaines industriels et de services à part entière. Le but est de transformer les potentialités présentes en réalité industrielle. ______________________________ (1) Médecin biologiste et oncohématologue, Gérard Dine est également chef du service d'hématologie clinique et biologique du Centre hospitalier de Troyes, et président de l'Institut de Biotechnologie de Troyes (centre de recherche et de transfert de technologie dédié aux entreprises biomédicales et biotechnologiques).



2. Les initiatives lancées en France Même si la discipline n’est pas encore pleinement identifiée en tant que telle, l’année 2003 correspondra certainement à une mise en action de nombreuses initiatives. Certaines d’entre elles vont dans ce sens, notamment à travers l’interdisciplinarité chimie-physique-biologie de façon générale et les nanobiotechnologies plus précisément.

Pour favoriser l’interdisciplinarité Accord-cadre CNRS-INSERM pour l’innovation technologique en médecine signé en décembre 200215 L’INSERM et le département Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication (STIC) du CNRS, ont annoncé en décembre 2002 leur volonté de développer en étroite synergie des champs de recherche innovants en imagerie médicale, en modélisation du vivant et en bioinformatique. Cette coopération a déjà permis de sélectionner des projets, financés à part égale par chacun des deux partenaires, par exemple le projet « Association de la génétique, de l’imagerie et de la robotique contre le cancer » et le projet « Applications des méthodes statistiques multidimensionnelles à la neuroimagerie ». L’objectif de cet accord est de favoriser une fertilisation croisée entre une expertise médicale et une expertise technologique, toutes deux appliquées au domaine de la santé, tels que la miniaturisation de dispositifs médicaux, les microtechnologies au service de la surveillance médicale, ou la modélisation des mécanismes physiopathologiques pour mettre au point de nouvelles stratégies thérapeutiques. L’accord-cadre INSERM-CNRS–STIC s’appuie sur un Comité de coordination chargé de superviser la coopération entre ces deux organismes, et un réseau thématique pluridisciplinaire « Ingénierie de l’information et de la connaissance en santé » – chargé en particulier de la veille stratégique et de la préparation des actions européennes (6ème Programme cadre de recherche et développement technologique). Par ailleurs, un Groupement de Recherche STIC-Santé-INSERM (GdR) sera prochainement mis en place. La création d’unités mixtes INSERM-CNRS-STIC est également envisagée. Action Concertée « Interface physique-chimie-biologie, Dynamique et réactivité des assemblages biologiques » - Ministère de la Recherche – CNRS - Appel à propositions 200316 Le séquençage systématique des génomes a produit une accumulation massive de données. De nouvelles approches permettant l’exploitation optimale de ces données, parfois nommée « biologie statistique », libèrent les biologistes des tâches descriptives que réclamaient l’identification et la caractérisation de chacune des protéines d’un complexe actif. Le rapprochement de la physique, de la chimie et de la biologie devrait faciliter la connaissance des propriétés dynamiques et des fonctions de ces complexes, ouvrant une intelligibilité nouvelle des mécanismes du vivant. Les projets portant sur un assemblage biologique isolé ou in situ et tentant, grâce à une approche multidisciplinaire, d’accéder à de nouveaux paramètres de contrôle de l’activité

15 Communiqué de presse du CNRS – décembre 2002 16 Communiqué du Ministère de la Recherche

Les initiatives en faveur de l’interdisciplinarité chimie-physique-biologie et les nanobiotechnologies vont favoriser l’émergence de la biophotonique.



biologique seront retenus en priorité. Outre la mise au point d’outils nouveaux adaptés à l’observation et à la mesure des processus de la matière vivante, la physique pourra apporter une description statistique permettant de modéliser et prédire les comportements. La chimie devra contribuer, au-delà des méthodes de spectroscopie ou de purification des macrocomplexes, à l’analyse structurale en liaison avec la réactivité moléculaire, à la caractérisation des interactions inter- et intramoléculaires et à leur dynamique. Elle pourra concevoir et synthétiser des outils pharmacologiques originaux donnant accès à une description nouvelle des mécanismes cellulaires. Les projets pourront mettre en œuvre les approches expérimentales les plus variées, notamment les spectroscopies et les techniques d’imagerie, les mesures d’interactions (mesures de forces, techniques microcalorimétriques, résonance de plasmons de surface...). Action Concertée « Nouvelles méthodologies analytiques et capteurs » - CNRS – Ministère de la Recherche avec la participation de la Direction Générale de l’Armement L’évolution de la perception du risque par la société se traduit par des demandes nouvelles dans des domaines qui prennent une dimension très importante comme la santé publique et du travail, l’environnement, la sécurité, etc. Malgré les progrès dans les moyens de séparation et de caractérisation, les nouveaux instruments de mesure, les avancées dans les spectroscopies, les innovations dans la miniaturisation et la rapidité des mesures, les limites et les besoins sont cependant encore loin d’être atteints ou satisfaits, et il apparaît nécessaire :

- de disposer de méthodes d’analyse intégrant des moyens d’échantillonnage, de

séparation, de détection, notamment in situ d’imaginer et d’utiliser de nouvelles méthodologies analytiques, ainsi que des capteurs spécifiques dans les sols, les milieux biologiques, les liquides et les gaz,

- d’évaluer, calibrer et valider les méthodes et les capteurs, de les adapter à la mesure des composés traces, chimiques ou biologiques et/ou sur des microéchantillons de matière complexe ou vivante,

- de fabriquer des maquettes de dispositifs de détection, dont des capteurs de sécurité et des capteurs logiciels, les miniaturiser et les rendre autonomes sur une longue période

L’objectif de cette Action Concertée commune à la Direction de la Recherche et au CNRS est d’inciter les communautés de chimie, physique, sciences pour l’ingénieur, sciences et technologies de l’information et de la communication à investir ce domaine clé, en particulier en partenariat avec les sciences de l’environnement et des procédés. Les deux thématiques retenues sont :

- les nouvelles méthodologies analytiques : analyses chimiques et biologiques avec

spéciation en microenvironnement et milieux microcompartimentés, méthodes ciblant l’analyse de composés traces dans des milieux complexes, méthodes analytiques spécifiques aux petites molécules biologiquement importantes, microlaboratoires d’analyse totale intégrée et microfluidique (lab-on-a-chip), contrôle et gestion des flux électro-osmotiques en microfluidique analytique, nano-électrochimie, séparation en conditions extrêmes (micro, nano, hautes températures, hautes pressions, …), etc.

- les capteurs et diagnostics : capteur pour des mesures de pollution, capteurs portables (zones à risques, minimisation de la consommation d’énergie), miniaturisation et intégration de capteurs, etc.



Des initiatives résolument orientées vers les nanobiotechnologies Programme CNRS « Protéomique et génie des protéines » - Appel à propositions 200317 Pour ce nouvel appel à propositions, quatre axes ont été retenus : applications de la protéomique à l’étude fondamentale du métabolisme cellulaire et au génie métabolique (axe 1), systèmes miniaturisés pour la protéomique et puces à protéines (axe 2), ingénierie combinatoire des protéines (axe 3) et prédiction des propriétés structurales et fonctionnelles des protéines (axe 4). L’axe 2 peut être privilégié pour la biophotonique,. Ce dernier veut encourager des actions pluridisciplinaires conduisant à la fabrication de puces à protéines remplissant des fonctionnalités variées. Il pourra également soutenir les recherches en amont, portant sur des nouvelles techniques de microfabrication, ou sur des phénomènes de base, actuellement non maîtrisés, intervenant dans la conception des puces à protéines ainsi que dans celle de tout élément miniaturisé susceptible d’être inséré dans la chaîne d’analyse protéomique (voir axe 1). Programme Nanosciences - Action Concertée Incitative du Ministère de la Recherche - CNRS - CEA Nanosciences 2003 - Appel à projets 200318 L’Action Concertée Incitative Nanosciences 2003 s’inscrit dans le cadre d’un Programme National Nanosciences plus ambitieux. Prévu sur 3 ans, et doté d’un financement de 16 millions d’euros en 2003, ce programme prévoit trois types d’interventions qui feront l’objet d’appels à propositions séparés. Les actions retenues se situeront parmi les thèmes suivants :

- Objets individuels - Composants élémentaires - Information quantique - Organisation et assemblage de nano-objets, architectures de circuits - Nanomatériaux : des applications nouvelles dans des domaines variés, allant des

multicapteurs aux systèmes de stockage ou de conversion de l’énergie en passant par les systèmes d’encapsulation et de relargage contrôlé de médicaments, seront recherchées

- Nanobiosciences : située à l’interface de plusieurs disciplines, cette thématique recouvre plusieurs volets concernant la manipulation et l’étude de biomolécules uniques et d’assemblages biomoléculaires individualisés. Sont aussi concernés les nanomoteurs et nanomachines biomoléculaires. Seront également prises en considération les propositions novatrices dans le domaine des nanobiotechnologies : nano-instrumentation, nanocapteurs, nanovecteurs biomoléculaires, structures et assemblages nanobiomimétiques, nanobiomatériaux , aspects particuliers liés à l’adaptation des capteurs au milieu vivant et à leur fiabilité

3. Des réseaux qui se tissent peu à peu

Un futur réseau national « biophotonique » devra s’appuyer sur les réseaux existants ou en cours de formation, dans les domaines connexes. Ces différents réseaux sont présentés ci-dessous.

17 Communiqué du CNRS – janvier 2003 18 Communiqué du Ministère de la Recherche



3.1. Les sociétés savantes déjà en place Des sociétés savantes se sont déjà constituées depuis plusieurs années autour de thématiques spécifiques.

• Société de Biologie Cellulaire de France La Société de Biologie Cellulaire de France, constituée de 350 membres, créée en 1984, a pour objectif de :

- Contribuer à l'avancement de la biologie cellulaire et des techniques qui s'y rapportent. - Favoriser, par tous les moyens l'enseignement pratique et théorique de ces disciplines. - Etablir et entretenir avec ses membres des relations suivies et des liens de solidarité,

ainsi qu'avec la Fédération Wilhelm Bernhard à laquelle elle adhère. La société publie une revue (Biology of the Cell), organise des congrès annuels, des journées sur des thèmes précis, des conférences et des ateliers, une à trois fois par an. Elle met en place d'un site éducatif sur la cellule et propose des bourses de participation à ses congrès.

• Société de Recherche Dermatologique La Société de Recherche Dermatologique a été créée le 12 octobre 1982 et compte aujourd’hui 184 membres. Ses objectifs sont de favoriser et développer la recherche dermatologique francophone, de promouvoir la recherche appliquée à la peau et aux maladies de la peau et de créer une société francophone supranationale ouverte à tous les chercheurs sans distinction de formation universitaire et pluridisciplinaire. Elle correspond aux sociétés européennes ESDR et américaine SID. Elle organise le Congrès Annuel de la Recherche Dermatologique (CARD) et propose des Bourses de participation aux congrès de la SRD et de l'ESDR.

• Société Française d'Optique La SFO a été créée, en 1983 et compte aujourd’hui 1450 adhérents. Ses objectifs sont :

- Faire progresser l'optique et ses applications en regroupant des personnes exerçant ou ayant exercé une activité dans le domaine de l'optique, de l'optoélectronique et de leurs applications ainsi que toute personne concernée par ces disciplines

- Favoriser le rapprochement et la collaboration de toutes les personnes concernées par l'optique et l'optoélectronique

- Favoriser la progression des études entreprises au service des connaissances humaines. Dans ce but elle organise des réunions scientifiques et entretient des relations avec d'autres sociétés ou organismes nationaux et internationaux ayant des intérêts similaires

Le conseil d'administration de la société joue le rôle de Comité français d'optique pour représenter la France auprès de la Commission internationale d'optique.

• Société Française de Biophysique La Société Française de Biophysique a été créée en 1982. Elle compte aujourd’hui 320 adhérants. Ses objectif sont de :

- Promouvoir le développement et assurer la diffusion de la biophysique en tant que discipline scientifique

- Fédérer la communauté des biophysiciens et la représenter à l'échelon national et international



La SFB entretient des liens étroits avec tous les organismes, associations et personnalités intéressés au développement de la biophysique. Elle publie un annuaire et un bulletin d'information semestriel et organise une réunion annuelle sur un sujet lié à la biophysique. De plus, elle attribue le prix "Jeune chercheur" à un jeune chercheur ayant soutenu sa thèse d'université dans les deux années antérieures, parraine de manifestations, assure un service emploi et diffuse un carte des formations en France.

• Société Française des Lasers Médicaux Créée il y a un peu plus de 20 ans maintenant, la SFLM garantit la diffusion d'une information aussi objective que possible puisque ses membres sont des médecins de différentes spécialités, mais aussi des ingénieurs et des scientifiques. Un congrès annuel est régulièrement organisé depuis sa création. Ces congrès sont la plupart du temps axés sur un thème particulier (photodiagnostic, dermatologie, place actuelle du laser à gaz carbonique, biostimulation pour la prochaine session en 2004) et des intervenants sélectionnés sont invités. Par ailleurs, la SFLM organise un Diplôme Inter-Universitaire (DIU) qui assure un enseignement complet et précis sur le laser en général. Il est sanctionné par un examen et après réussite à celui-ci, des stages sont à effectuer par compagnonnage auprès des centres reconnus par la Société Française des Lasers Médicaux. Enfin, la SFLM organise chaque année un "prix Jeune Chercheur" destiné à récompenser un travail de recherche original portant sur les lasers médicaux ou plus généralement sur l'interaction de la lumière avec les tissus biologiques.

• Société Française des Microscopies Héritière de la Société Française de Microscopie Electronique (SFME), créée en 1959, la Société Française des Microscopies (SFµ) a été rebaptisée pour refléter l'ouverture de la Société sur les microscopies nouvelles. Des scientifiques de diverses disciplines, physique, biologie, médecine, chimie, métallurgie, minéralogie..., ont fondé la SFME sur la base de l'usage d'un appareil commun. La SFµ se veut un forum scientifique original regroupant des compétences très diverses dans différents domaines de l'imagerie (microscopie électronique, photonique, à rayons X, à sondes de proximité, etc...), source d'échanges fructueux lors des réunions. La SFµ est une association loi 1901 qui s'est fixée comme but d’améliorer les connaissances et le développement des techniques de microscopie par la formation pratique et l'enseignement théorique et la diffusion du savoir et d’assurer la concertation avec les sociétés commerciales de la profession. Elle compte 511 adhérents.

• Société Française de Photobiologie Le 21 Juin 1952, la Société Française d'Actinologie est devenue la Société Française de Photobiologie. Cette Société compte à l'heure actuelle une petite centaine d'adhérents de spécialités diverses :

Photochimie, Photophysique Phototechnologie, Spectroscopie Photodiagnostique Photosensibilisation Photoprotection Phototoxicité

Photomédecine Dommage et réparation de l'ADN Photocarcinogenèse Phototherapie, PDT Photodermatologie Photoimmunologie



Photobiologie environnementale Photosynthèse ... Chaque année la Société Française de Photobiologie organise un colloque de 2 à 3 jours afin que ses différents membres puissent discuter de l'avancement de leurs travaux.

• Société Française de Photogrammétrie et de Télédétection La SFPT, créée en 1959, a essentiellement pour vocation de promouvoir les techniques liées à la photogrammétrie et la télédétection, d'encourager la recherche dans ces domaines, de développer les échanges avec les sociétés scientifiques nationales et internationales (notamment avec la Société Internationale de Photogrammétrie et de Télédétection), d'entretenir les liaisons avec le milieu de l'enseignement, les ministères et les entreprises. Les moyens d'action sont principalement : la publication d'une revue trimestrielle (le "Bulletin de la SFPT"), l'organisation de conférences et de journées scientifiques. Le bulletin publie des articles scientifiques revus par un comité de lecture ainsi que des informations sur la vie scientifique dans les domaines couverts par la SFPT (revue de presse, calendrier des manifestations,...). La SFPT compte 360 membres adhérents dont 90 personnes morales.

3.2. Des « réseaux de recherche biophotoniques » qui se structurent Des réseaux de recherche, associant des laboratoires et parfois des entreprises, se constituent progressivement, principalement autour des nanobiotechnologies, dans le cadre de divers appels à projet (ACI, PCRD, GDR,…).

� Le « Cluster » Nanobio (CEA Grenoble) vise le développement de micro- et nano-outils

innovants pour les sciences de la vie, avec pour objectif de les transférer à l’industrie et la communauté médicale. Les projets s’organisent autour des thématiques suivantes :

- Biopuces et bio-microsystèmes (Bernard Vinet, CEA/LETI ; Alexandra Fuchs, CEA/DSV) : puces à cellules, puces à oligosaccharides, puces à protéines, laboratoires sur puces

- Imagerie moléculaire (Frédéric Chandezon, CEA/DSM) : « nanodots » - Biophotonique (Patrick Chaton, CEA/LETI) - Interactions moléculaires (Thierry Livache, CEA/DSM)

Les futures orientations envisagées sont : - Développement de biopuces : pour la protéomique à haut débit ou la génomique

structurale (en collaboration avec l’ESRF et l’EMBL), mise au point de MEMS in vivo - Imagerie cellulaire : imagerie de fluorescence (diffusion, tomographie et nanodots),

PET à haute résolution, nanotomographie cellulaire avec intégration de microsources à rayons X

- Développement d’une plateforme biophotonique - Développement d’une plateforme pour l’étude des interactions moléculaires (SPR à

haute sensibilité par exemple) � Le « Cluster » NATBio (Toulouse) vise le développement des nanobiotechnologies

autour du LAAS (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes). Ce cluster a également manifesté son intérêt pour le sixième programme cadre européen dans le cadre du réseau d’excellence « NATBio : Nanotechnologies for biology ».



Il s’organise autour des laboratoires suivants :

- Laboratoire de biotechnologie et bioprocédés détection intégrée : Biopuces avancées, plateforme “biopuces”

- Institut de Pharmacologie et Biologie Structurale : nanopore, nanocapsule, suivi de particules uniques à la surface de cellules vivantes, organisation dynamique de biomembranes à l’échelle nanométrique, modifications électriques de membranes cellulaires

- Ecole Nationale Supérieure Agronomique de Toulouse : suivi de molécules uniques dans des cellules végétales

- Laboratoire de Microbiologie et Génétique Moléculaire : mécanismes de transposition de l’ADN

- Laboratoire de Biologie Moléculaire Eucaryote : mécanismes de recombinaison de l’ADN

- Laboratoire de Synthèse et Physico-chimie des Mol écules d’Intérêt Biologique : microfluidique et laboratoire sur puce

- Laboratoire de Génie Chimique : microfluidique et laboratoire sur puce - Laboratoire des Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique :

greffage de molécules, empreinte moléculaire, auto-assemblage et nanovecteurs - Laboratoire de Chimie de Coordination : greffage de biomolécules, dendrimères - Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux : biovecteurs

magnétiques, nanotubes pour la biologie, nanosondes luminescentes, biopuces - Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes : chambre blanche,

nanofabrication, « nanospotter », nanoadressage de biomolécules, fabrication de laboratoire sur puce, micro- et nanofluidique

- Laboratoire de Physique du Solide : modélisation d’interactions biomoléculaires - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée : “nano-imprint lithography”

� Réseau NaOptec de Lyon, Coordinateurs : Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux

Luminescents (LPCML), UMR 5620 du CNRS – Université Claude Bernard Lyon I à Villeurbanne) au sein du Centre de Nano-optique et Photonique (avec l’Ecole Centrale de Lyon, l’INSA de Lyon, l’ENS de Lyon et l’Université de St Etienne). Les thématiques de recherche peuvent se regrouper en deux approches complémentaires : l’élaboration et la caractérisation de systèmes à l’échelle nanométrique, avec en exergue leurs propriétés optiques, et le développement de nanotechnologies et composants photoniques innovants. Les applications sont notamment orientées vers les nanotechnologies et microtechnologies appliquées à la bio-ingénierie : caractérisation électro-optique de biocapteurs, biocapteurs électro-optiques miniaturisés (Laboratoire de Génie Enzymatique, UCBL), biocapteurs (IFOS/LEOM) et puces à ADN.

� Réseaux Thématiques Pluridisciplinaires (RTP) crées par le département des Sciences

et Technologies de l’Information et de la Communication (STIC) du CNRS qui franchit ainsi une étape supplémentaire dans sa stratégie d’action19. Le RTP met en réseau les laboratoires disposant des compétences significatives autour de thèmes de recherches prioritaires. Essentiel dans sa politique scientifique et dans l’organisation des activités de recherche, le lancement de ces 40 RTP constitue un affichage fort et lisible de la politique du département. Cette organisation s’inscrit naturellement dans l’effort de structuration de l’espace de recherche européen autour des

19 Communiqué de presse du CNRS, 14 mars 2002



nouveaux instruments du 6ème PCRD que sont les réseaux d’excellence et les projets intégrés.

� Réseau « Micro et nanosystèmes pour la biologie et la fluidique » CNRS en cours de

formation (Animateur : Daniel Esteve, LAAS). L’objectif pratique est de concevoir et de réaliser des prototypes miniaturisés de tout ou partie d’instrument d’analyse ou de synthèse biochimique et pour ce faire, de mettre en œuvre les études en composants adaptés, filières et systèmes. L’application d’une démarche de miniaturisation et de fabrication collective aux domaines de la Biologie et de la Chimie suscite d’importants espoirs scientifiques et industriels : plusieurs actions ont déjà été initiées et conduites par le CNRS au travers de programmes internes en génomique, microsystèmes, biopuces, microfluidique,… L’action du Réseau RTP/MNBF se situe dans le prolongement de ces premières initiatives pour considérer les problèmes sous l’angle de la mise en place d’un appui technologique à des projets pluridisciplinaires incluant la participation de Biologistes et de Chimistes. Les recherches s’organisent autour des thématiques suivantes :

- Microsystème microfluidique d’analyse séparative des protéines (MICOPROF) - Microcapteurs optiques parallèles pour les analyses biologiques - Maîtrise des assemblages : silicium-biosondes-cibles moléculaires - Interface liquide-solide en microfluidique (ILISEM). - Développement de la technique RVV dédiée à l’étude des écoulements 3D

instationnaires Le comité de pilotage de ce réseau est composé de : Armand Ajdari (ESPCI), Yong Chen (LPN), Francis Galibert (CNRS), Bernard Gauthier-Manuel (LPMO), Anne-Marie Gué (LAAS), Bruno Le Pioufle (ENS Cachan), Didier Stievenard (IEMN) � Réseau « Nanophotonique » du CNRS en cours de formation (Animateur : Jean-Michel

Lourtioz – IEF). La miniaturisation extrême des dispositifs optiques -source, le contrôle de flux lumineux à très petits nombres de photons et la mise à profit des propriétés quantiques de la lumière constituent une autre voie privilégiée du traitement de l’information à haute performance. Les dispositifs optiques classiques entrés depuis longtemps dans les nanotechnologies, continuent de progresser. Les dernières approches telles que les micro-cavités, les cristaux photoniques, la plasmonique, ouvrent la porte aujourd’hui à de nouvelles réalisations en traitement optique de l’information, guide, mémoire, cryptage, calcul, ainsi qu’aux technologies d’analyse et de visualisation à fort intérêt pluridisciplinaire. L’objectif de ce réseau est principalement de réunir les compétences de physiciens, d’opticiens, d’électroniciens, de chimistes et de biologistes pour étudier et développer des nanodispositifs optiques en s’appuyant sur les micro et nanotechnologies. Parmi les acteurs fugurent : LPMC-ENS-Paris, IEF-Orsay, IF-Marseille, LAAS-Toulouse, LCFIO-Orsay, LEOM-Lyon, LPN-Marcoussis, CEM2-Montpellier, CRHEA-Nice, EM2C-Chatenay, ENS-Cachan, LSPL-ESPCI-Paris, GES-Montpellier, GPS-Paris, IEMN-Lille, IMEP-Grenoble, IRCOM-Limoges, ISIS-Strasbourg, LASMEA-Clermont, LKB-Paris, LOPMD-Duffieux (Besançon), LPM-Lyon, LPUB-Dijon, LSP-Grenoble, LTSI-St Étienne, MPQ-Paris 7. � Réseau « Microfluidique » CNRS, initié par le département « Sciences de l’ingénieur ».

En France, la recherche se trouve aujourd’hui dans une situation favorable pour le développement de la microfluidique. En effet, il existe plusieurs centres de micro et



nanofabrication bien équipés, répartis sur le territoire national. Ces centres ont la capacité, grâce aux équipements et aux expertises locales, de produire des microsystèmes jusqu’à des niveaux de complexité importants. Dans ce contexte, la constitution d’un réseau, ayant pour objectif de rassembler dans une structure interdisciplinaire les communautés concernées par l’élaboration de systèmes microfluiques, et leur utilisation d’un point de vue fondamental ou appliqué, pour leur propre domaine ou des domaines connexes, pourrait jouer un rôle particulièrement intéressant. Les acteurs de ce réseau sont : le LAAS, le LPN, l’ENSIC (DCPR), l’INSA de Lyon (LPM), l’ESPCI (LECA, LPMMH, LPCT), l’ENS (département de chimie LPS, MMN), le LSGC, le LETI CEA, le LEGI, le LGMT, l’UTC, l’Institut Curie, l’Ecole Centrale de Lyon (IFOS), l’ENS Cachan, l’IEMN, bioMérieux, l’Université de Nice (LPMC) et l’Université de Lille (LCOM). Les communautés concernées couvrent des domaines très différents : micro et nanotechnologies, génie chimique, chimie analytique, biologie, biophysique et hydrodynamique physique. � Le Consortium de laboratoires lyonnais, constitué en mai 2002, dont l’objectif est de

« marier la microfluidique avec l’optoélectronique » dans des structures de type Lab-on-a-Chip et d’aboutir ainsi à une nouvelle classe de composants pour la recherche et le diagnostic médical. Les premiers prototypes sont en cours de développement. Trois laboratoires de l’Ecole Centrale de Lyon (UMR CNRS/ECL) et 2 laboratoires de l’Université Claude Bernard Lyon 1 sont associés dans ce consortium:

- Laboratoire d’Electronique Optoélectronique et Microsystèmes (LEOM) - UMR CNRS/Ecole Centrale de Lyon n° 5512 (équipe de S.K. Krawczyk et R.C. Blanchet)

- Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique - LMFA - UMR CNRS/Ecole Centrale de Lyon / Université Claude Bernard n° 5509 (équipe de M. Lance)

- Ingénierie et Fonctionnalisation des Surfaces (IFOS) - UMR CNRS/Ecole Centrale de Lyon n° 5621 (équipe de J.-R. Martin)

- Institut de Biologie et Chimie des Protéines (IBCP) - UMR CNRS / Université Claude Bernard n°5086 (équipe de A.W. Coleman)

- Laboratoire de Chimie Supramoléculaire Biomimétique (SROMB) - UMR CNRS / Université Claude Bernard n°5078 (équipe de Mme H. Parrot-Lopez)

� GDR « Microscopie fonctionnelle du vivant », CNRS no G2588, dirigé par Yves Usson.

Ce groupe de recherche, en création, fédère 52 équipes issues de laboratoires et d’instituts (INRA, INSERM, Institut Curie, Institut Pasteur, Institut Pasteur Lille, ENS Cachan, Institut Paoli Calmettes, ENSP Marseille, Université de Nice, Université de Bordeaux 1, Université de Bordeaux 2, Université de Saint Etienne, Université de Montpellier 2, Université de Toulouse 3, Université d’Aix Marseille 1, Université d’Aix Marseille 2, Université d’Aix Marseille 3, Université de Reims, Université de Rennes 1, Université de Strasbourg 1, Université de Nancy 1, Université de Paris 6, Université de Paris 7, Université de Lyon 1, Université de Mulhouse, Université de Paris-Sud 11). Les missions de ce GDR sont de fédérer les équipes pour favoriser la mise en commun de moyens et de compétences afin de mettre au point de nouvelles stratégies en microscopie du vivant, de donner accès aux platesformes technologiques, de s’impliquer dans des actions de communication et de formation et de participer à la mise en place d’un réseau européen. Cinq thématiques seront abordées :

- Sondes, ciblage, photoactivation et phototoxicité - Nouvelles instrumentations : optique non linéaire, haute résolution, suivi et

manipulation de molécule unique



- Analyse et quantification des dynamiques et interactions moléculaires dans la cellule vivante

- Microscopie intravitale : interactions dynamiques moléculaires dans les tissus et organes in situ pour des applications médicales, pharmaceutiques, vétérinaires et agronomiques

- Traitement et analyse des images, modélisation et archivage des données. D’autre part, le GDR « Microscopie fonctionnelle du vivant » a déposé un projet d’ERT (équipe de recherche technologique) sur ce thème.

3.3. Intégration de la recherche française en biophotonique dans l’espace européen de R&D

3.3.1. Dans le cadre du 6ème PCRD En mars 2003, un premier dénombrement du nombre de projets déposés suite à l’appel à expression d’intérêt pour le 6ème programme cadre européen20 a abouti à une estimation de 45 manifestations d’intérêt (27 projets intégrés et 18 réseaux d’excellence) plus ou moins liés à la biophotonique. La répartition des projets en fonction de la nationalité du porteur de projet principal est la suivante21 : Fra All RU PB Ita Esp Suè Aut Bel Grè Isr Lit Pol RT 10 10 6 4 4 2 2 1 1 1 1 1 1 1

Les deux leaders sont la France et l’Allemagne : ces deux pays semblent être très actifs dans la recherche de financements européens liés à la biophotonique. Ces chiffres ne sont qu’indicatifs, étant donné qu’à cette date, seuls 80% des projets étaient rendus publics pour des raisons de confidentialité et que ces manifestations d’intérêt ne sont que des projets pouvant être potentiellement retenus pour le 6ème PCRD. En juin 2003, 21 manifestations d’intérêt françaises relatives à la biophotonique avaient été soumises (seul le principal porteur du projet est mentionné) : Projets intégrés

- BASTION - Advanced biological systems and technologies for industrial opportunities and needs, CEA LETI (Grenoble)

- BIPOX - Brain imaging with polarized xenon, CEA (Saclay)

20 « Expressions of Interest to help prepare the first calls of FP6 », http://eoi.cordis.lu (11 700 projets ont été reçus entre le 20 mars 2002 et le 7 juin 2002, date de clôture officielle, sur l’ensemble des axes retenus pour le 6ème programme cadre européen) 21 Fra : France ; All : Allemagne ; RU : Royaume-Uni ; PB : Pays-Bas ; Ita : Italie ; Esp : Espagne ; Suè : Suède ; Aut : Autriche ; Bel : Belgique ; Grè : Grèce ; Isr : Israël ; Li : Lituanie ; Pol : Pologne ; RT : République Tchèque



- CELLULOMICS - Hyphenation of Cell Separation Techniques with Characterisation Methods for Biotechnology, Transplantation Diagnostic and Therapeutics, Laboratoire de Chimie Analytique, Faculté de Pharmacie, Université de Limoges (Limoges)

- DAO - Dynamic and adaptive optics, Thales Angenieux SA (St-Héand)

- DYNACELL - Dynamics of molecular machinery : from mechanism to cell physiology, Ecole Polytechnique / INSERM / CNRS (Laboratoire d’Optique et Biosciences, Palaiseau)

- GaN-Opti-Med - Development of GaN-based guided-wave optical components and integration of the above into lab-on-a-chip for medical diagnostics, Ecole Centrale de Lyon / CNRS (Ecully)

- ITCC - Innovative Therapies for Children with Cancer, Institut Gustave Roussy (Villejuif)

- OPTODIAG - Optical spectroscopies for early stage diagnosis of cancer : improvement of strategies for patient response, CNRS/Université de Reims Champagne-Ardennes (Reims)

- PROPULSE - Protontherapy assisted by ultra-intense laser, Laboratoire d'Optique Appliquée (ENTA Palaiseau)

- SICATECH - SIngle Crystals Applications TECHnologies, Vermon S.A. (Tours)

Réseaux d’excellence

- BioMedIma - Biomedical image analysis for new diagnostic and therapeutic tools, INRIA (Sophia Antipolis)

- CELLICIUM - Cellicium, from bio-array imaging to morphogenesis, CNRS (Grenoble)

- EMIL European molecular imaging laboratories, CEA (Service Hospitalier Frédéric Joliot, Orsay)

- FUSQuantNeuro - Fusion in medical imaging: multimodality and multiresolution- Applications to the study of neural diseases, Université d’Auvergne Clermont 1 (Clermont-Ferrand)

- HBC-ImaBiom- IST for Imaging and Biomechanical Modelling of the Human Brain Circulation, INSERM (Toulouse)

- MANOBE- Magnetic Nanoparticles for Optics, Biology and Electronics, Ecole Normale Supérieure de Cachan (Cachan)

- MEC-CELL - Advanced lab on chip for cellular biomechanical analysis, Institut d’Electronique et de Microélectronique du Nord / CNRS (Villeneuve d’Ascq)

- NANORHEO - Nanorheology, Ecole Normale Supérieure de Lyon (Lyon)

- Nano-To-Life- Nanotools for Life Sciences, CEA (Grenoble)

- NATBio - Development of innovative nanotechnology for imaging, detecting and addressing biosystems, LAAS / CNRS (Toulouse)



- SYNBIOMED- Synchrotron Radiation for Disease Prevention, Diagnosis and Therapy, ESRF / Université Joseph Fourier / Hôpital de Grenoble (Grenoble)

On peut noter qu’une seule entreprise française (Vermon S.A, projet intégré SICATECH.) a répondu à l’appel à expression d’intérêt du 6ème PCRD. Ceci met en évidence la nécessité d’une sensibilisation des acteurs industriels à ce type de financement de leur recherche. D’autre part, l’expression d’intérêt « Nanotools for Life Sciences », projet dans lequel le CEA se propose d’être leader pour la constitution du réseau européen des nanobiotechnologies, NanoToLife, est très fédératrice. C’est ce type de réseau que la biophotonique pourrait s’appuyer pour se développer (voir annexe 3) Les voies, liées à la biophotonique, explorées par ce projet, concernent les biopuces, les biocapteurs, les « lab-on-a-chip », souvent englobés sous le vocable générique « nanobiotechnologies ». Cette approche apporte une meilleure compréhension de l’organisation de nouvaux matériaux à l’échelle nanométrique et de leurs propriétés optiques, mécaniques ou chimiques. Il s’agit également d’approfondir le concept de « matériaux intelligents », c’est-à-dire capables de réagir à une sollicitation extérieure ou à une commande par modification de leurs propriétés (surfaces fonctionnalisées, biomimétisme, etc.). 3.3.2. Dans le cadre du 5ème PCRD Des projets soutenus par la communauté européenne dans le cadre du 5ème PCRD, interviennent également dans le domaine de la biophotonique parmi lesquels six projets associant un acteur français :

- MEDPHOT - Optical Methods for Medical Diagnosis and Monitoring of Diseases, (Université d’Ulm, Allemagne) : les 21 unités de recherche qui composent ce réseau contribuent à la recherche médicale sur les maladies chroniques dégénératives, le cancer, le diabète, les maladies cardiovasculaires et les maladies rares par l’utilisation de méthodes optiques. Le Laboratoire de Physique des Lasers (LPL), Université de Paris-Sud 13, est le partenaire français de MEDOPHOT.

- MENDOS - Biomimetic optical sensors for environmental endocrine disruptor screening (Arc Seibersdorf Research GmBH, Vienne, Autriche) : ce projet associe 10 unités de recherche autour du développement d’un nouveau récepteur artificiel basé sur des systèmes de détecteur optiques et leur application à l’évaluation et l’analyse de la modification de composés endocrines (EDCs) dans leur environnement. Le Laboratoire de Génie Enzymatique et Biomoléculaire, Université Claude Bernard Lyon 1, est la composante française de ce projet.

- MICROQUAL - Microbiological quality monitoring of sterilized milk using innovative electrical, magnetic, electromagnetic and optical technologies for rapid reliable and sensitive detection of the total spoilage.(Ecole de Biologie Industrielle, Cergy-Pontoise) : parmi les 5 partenaires de ce projet figure également le Centre technique agro-industriel français Agrotec, situé à Agen.



- EAMNET - European advanced light microscopy network (Consorzio Mario Negri Sud, Italie) : 9 partenaires sont impliqués dans ce projet dont l’Institut Curie pour la France.

- OPTIDIS - Development of an optical detection system for diseases in field crops with a view to reduce pesticides by targeted application (Université de Louvain, Belgique) : la société française Isagri, spécialiste du logiciel pour la gestion agricole est l’un des huit partenaires de ce projet.

- EUPNA - Development of high-throughput PNA-based molecular diagnostic systems (INSERM, Paris) : l’objectif de ce projet est la mise au point d’une procédure hautement parallèle par l’utilisation de peptides nucléiques. Parmi les technologies élaborées à cet effet figurent un scanner à laser confocal compact, et un microscope digital multispatial et multispectral. Parmi le 6 partenaires figure également la société d’imagerie française Imstar.

Chapitre III Etat des lieux en France - Segments


C) Présentation des segments porteurs et positionnement correspondant de la France et de l’Ile-de-France

Chaque segment biophotonique porteur ciblé (imagerie cellulaire et tissulaire et les micro et nanomanipulations, le développement de nouveaux matériaux à propriétés optiques, les biopuces et les applications médicales des lasers) est présenté selon les grilles d’analyse suivantes :

1- Une grille technologique, 2- Une grille de marché : analyse par la matrice de Porter, 3- Une grille de quelques facteurs de succès dans le cadre d’un transfert de

technologie ; à ce titre, pour chaque segment, une cartographie des forces en présence est présentée.

Grille technologique Les technologies en émergence ou les plus prometteuses en termes d’applications sont analysées selon les critères suivants :

1- Présentation des technologies et de leurs objectifs (cette présentation insistera

également sur les technologies photoniques associées) 2- Alternatives technologiques éventuelles 3- Maturité et risque : A quel stade de développement en est-on ? Quels sont les

goulots d’étranglement technologiques et les futures pistes de développement à l’horizon 2005 ?

4- Applications visées 5- Pôles français et franciliens de développement (laboratoires et entreprises) 6- Partenaires à l’échelon international : quelques centres ou équipes de recherche

de premier plan (ces listes ne sont pas exhaustives mais reflétent notamment les avis des experts consultés)

Grille de marché (méthode de Porter décrite en annexe 4)

Facteurs de succès pour un transfert de technologie Cette grille d’analyse permettra de revenir sur des idées fortes à intégrer dans le cadre d’un transfert de technologie. Ces idées sont le résultat des nombreux entretiens avec des experts.

Chapitre III Etat des lieux en France - Imagerie


1. Imageries cellulaire et tissulaire (y compris micro et nanomanipulations d’objets biologiques)

1.1. Grille technologique 1.1.1. Présentation des technologies et de leurs objectifs D’un point de vue technologique, il est important de noter que, certes les technologies optiques sont très importantes pour l’imagerie cellulaire et tissulaire, mais leur intégration avec la robotique ou l’électronique est tout aussi fondamentale.

a) Imagerie aux niveaux cellulaire et moléculaire En l’espace d’une dizaine d’années, d’importants progrès ont été réalisés en imagerie cellulaire ex vivo et in vivo à partir des techniques de microscopie optique conventionnelle. Les améliorations apportées au matériel et aux logiciels de traitement d’images ont permis d’aboutir à de nouvelles modalités de microscopie et d’exploration cellulaire dont la plus utilisée aujourd’hui est la microscopie en fluorescence, associées à des techniques de manipulation des sondes fluorescentes telles que la technique de FRAP (« Fluorescence Redistribution After Photobleaching ») ou le FLIP (« Fluorescence Loss In Photobleaching »). Ces deux techniques exploitent la photodégradation (ou « bleaching ») d’un composé fluorescent, la première pour obtenir des informations temporelles entre compartiments cellulaires et la seconde pour visualiser ou mesurer le volume relatif d’un compartiment cellulaire, sa cinétique « d’épuisement » et ses connections fonctionnelles22. De nouvelles modalités d’imagerie associées sont apparues, tout d’abord avec la microscopie confocale. Ses principaux atouts résident l’échantillonnage tridimensionnel et l’observation simultanée de plusieurs domaines spectraux en fluorescence. Par comparaison avec la microscopie optique conventionnelle, elle permet l’acquisition d’images en coupes de façon non invasive en éliminant une grande partie de la lumière ne provenant pas du plan focal observé. Cette véritable microtomographie de l’objet constitue une avancée majeure vers la quantification des marquages fluorescents et ouvre la voie aux reconstructions tridimensionnelles23. Aujourd’hui, de nouvelles technologies viennent s’ajouter telles que le FRET, « Fluorescence Resonance Energy Transfer », plus spécialement adapté à l’étude des interactions moléculaires, ou la microscopie à deux photons.

22 « Microscopies, marquages et imageries de la cellule végétale : vers une analyse structurale et fonctionnelle du protéome », S. Brown, I. Couchy, V. Fraisier et B. Satiat-Jeunemaitre, Ecole thématique de Biologie Végétale, 2001 23 « Imagerie multicouleur en microscopie confocale », Denis Demandolx, Nicolas Barois et Jean Davoust, Biofutur 169, 3-5 (1997)

© Laboratoire de Photophysique Moléculaire

Université de Paris-Sud



Le FRET permet d’imager in vivo des interactions entre molécules biologiques par mesure des transferts d’énergie entre fluorochromes et d’obtenir ainsi des informations quantitatives temporelles et spatiales. Le principe de la microscopie à deux photons repose sur l’excitation d’une molécule fluorescente par un faisceau infrarouge produisant des impulsions ultrabrèves si intenses que deux photons sont absorbés simultanément par cette molécule. Pour des raisons physiques, ce type d’excitation à deux photons n’a lieu qu’au point focal, dans un volume de quelques microns, et tout se passe comme si la lumière d’excitation était créée dans ce volume uniquement. Les images sont obtenues en déplaçant ce volume par balayage du faisceau laser. Le confinement de l’excitation et la meilleure pénétration de la lumière infrarouge permettent une imagerie en profondeur beaucoup plus fine et limite les effets photodestructeurs de l’imagerie classique à un photon. En couplant ces deux techniques, il est alors possible de suivre les déplacements d’une protéine en trois dimensions dans une cellule. Au niveau de la recherche en biologie, le développement de la microscopie à 2 photons devrait permettre la transposition in vivo d’études aujourd’hui uniquement possibles sur des échantillons fixés. Parallèlement, les perspectives médicales de cette microscopie se profilent déjà. Par rapport à toutes les méthodes d’imagerie optique conventionnelle, la microscopie à 2 photons offre des avantages uniques : son rayonnement est moins destructeur et pénètre plus profondément dans les tissus, mais surtout elle permet d’obtenir une image nette et directe d’une lésion située en profondeur comme si elle était à la surface de l’échantillon. L’objectif final de ces technologies est d’obtenir une image multidimensionnelle, d’abord tridimensionnelle avec les grandeurs spatiales x, y et z, puis quadridimensionnelle avec l’ajout de la dimension temps (dont les techniques sont actuellement en fort développement). A titre d’illustration, le tableau suivant24 présente les différentes techniques d’acquisition (et de reconstruction) d’images tridimensionnelles – microscopie de déconvolution, microscopie confocale et microscopie biphotonique, en fonction des conditions d’expérimentations souhaitées :

24 “Two-photon tissue imaging : seeing the immune system in a fresh light”, M.D. Cahalan, I. Parker, S.H. Wei and M.J. Miller, Nature Reviews Immunology, Nov. 2002



A côté de ces développements en imagerie, toute une gamme d’instruments a été mise au point pour les manipulations ex vivo. Cette instrumentation de micro et nanomanipulation d’objets biologiques est le plus souvent complètement intégrée aux technologies d’imagerie : récupération de matériel cellulaire par « catapulting », micro-dissection au laser, pinces optiques, etc. Un instrument tel que le microscope à force atomique (AFM ou « Atomic Force Microscopy ») permet non seulement d’obtenir une image mais aussi de manipuler de façon très précise, quasiment molécule par molécule. Toutes ces innovations vont de pair avec le fort développement de la biologie moléculaire qui a stimulé le développement de l’imagerie à l’échelle moléculaire, surtout grâce à la mise au point de sondes moléculaires, permettant de visualiser ce type d’entités, (nanoparticules, GFP, etc.). L’amélioration des sondes ou traceurs permet de suivre de plus en plus précisément et en temps réel différents événements biologiques : transfert de signaux d’un compartiment sub-cellulaire à un autre, expression génique, division cellulaire, interactions moléculaires etc.. Ces technologies sont présentées dans le segment « nouveaux matériaux à propriétés optiques ». Les autres partenaires technologiques de l’imagerie cellulaire se situent aussi dans les techniques d’histologie et cytochimie ou la cytométrie en flux (quantification simultanée de plusieurs signaux fluorescents associés à des objets individuels).

b) Imagerie de tissus et d’organes L’imagerie de tissus et d’organes est réalisée par des techniques d’imagerie fonctionnelle et structurale « plus classique ». Elle regroupe des modalités aussi diverses que les ultrasons, la médecine nucléaire : PET, « Positron Emission Tomograph » ou caméra positron, SPECT, « Single-Photon Emission Computed Tomography » ou gammatomographie, scintigraphie), la résonance magnétique nucléaire et la spectroscopie, les rayons X et la tomodensitométrie, l’imagerie « bioélectrique », optique et endoscopique25.

Présentation des principales techniques d’imagerie au niveau tissulaire26

Technique d’imagerie

Types d’information pouvant être obtenus

Tomographie par émission (PET, SPECT, scintigraphie)

Concentrations des radio-isotopes (métabolisme, densités des récepteurs)

Imagerie de Résonance Magnétique et spectroscopie

Densité de spin, relaxation, diffusion, microscopie, composition chimique, métabolisme, flux, oxygénation

Contraste aux rayons X et tomodensitométrie»

Densité électronique, composition atomique, lumens vasculaires

Doppler ultrasons Discordances dans l’impédance acoustique, mouvement

25 « Molecular Imaging : an overview », M.G. Pomper, Acad. Radiol. 2001 ; 8 :1141-1153 26 Site internet National Institutes of Health (Etats-Unis), “Imaging at Tissue and Organ Levels”



Imagerie de « source électrique » (EEG, MEG, ESI)

Applicables au cerveau et au cœur à partir de sources de courant

Tomographie par impédance (EIT) Conductivité électrique Imagerie optique et spectroscopie Atténuation, dispersion, information

moléculaire

• La médecine nucléaire se base sur les technologies de tomographie par émission de radio-isotopes. Elle permet d’étudier des phénomènes, non seulement tissulaires, mais aussi cellulaires et moléculaires (génétiques).

• L’imagerie par résonance magnétique de tissus s’appuie sur l’excitation des

noyaux d’hydrogène présents dans l’échantillon par application d’ondes radio dans un champ magnétique. Les différences de microenvironnement de ces molécules de deutérium permettent de construire les images.

• La tomodensitométrie repose sur la reconstruction bi ou tridimensionnelle de

données aux rayons X.

• L’imagerie aux ultrasons exploite l’émission et la détection d’ondes acoustiques, altérées après passage dans le tissu considéré.

• L’imagerie « de source électrique » (« Electrical Source Imaging ») correspond à

une reconstruction à partir de l’activité électrique du cerveau ou du cœur.

• La tomographie par impédance utilise les résultats issus de l’application de courants à basse fréquence à un organisme ou un tissu. On aboutit alors à une cartographie de la résistivité ou de la conductivité d’une région donnée.

• L’imagerie optique et la spectroscopie associée correspondent à proprement dit à

l’utilisation des technologies biophotoniques. Les principales modalités sont la tomographie optique cohérente (OCT ; technique d’imagerie de coupes haute résolution), l’imagerie par fluorescence (utilisation privilégiée de sondes dans le proche infrarouge – de 700 à 900 nm –la lumière correspondante pénètre plus profondément dans les tissus – plusieurs centimètres) ou luminescence (injection de luciférine à un animal exprimant la luciférase par exemple) et l’imagerie infrarouge (notamment proche infrarouge).

Dans le cadre de l’imagerie tissulaire et d’organes, les technologies biophotoniques sont couplées aux technologies non biophotoniques en fonction de problématiques diagnostiques ou thérapeutiques (exemple du cancer pour le suivi de l’efficacité d’administration d’une chimiothérapie). Le tableau présenté dans l’alinéa suivant « Alternatives technologiques» met en évidence les principales caractéristiques des différentes modalités d’imagerie. 1.1.2. Alternatives technologiques Face à d’éventuelles alternatives technologiques, l’imagerie biophotonique – donc optique - possède l’avantage majeur de présenter peu ou pas de risque pour des observations in vivo, et plus spécialement pour le patient dans un cadre biomédical.



De plus, les techniques optiques sont complémentaires d’autres technologies d’imagerie tissulaire : IRM, PEC, SPECT, rayons X et plus récemment de techniques telles que la spectroscopie par « electron spin resonance » Ainsi, dans le cas de l’imagerie cellulaire et tissulaire appliquée au petit animal (voir tableau ci-dessous27), les différentes sondes utilisées (« imaging agents ») répondent à des besoins différents, en résolution, en profondeur ou en temps d’acquisition. Les technologies biophotoniques associées sont donc complémentaires des technologies non biophotoniques. Toutefois, pour certaines applications, les technologies non biophotoniques peuvent concurrencer l’imagerie cellulaire et tissulaire biophotonique. Ainsi, on peut citer la société française EchoSens, fondée en juin 2001 par Laurent Sandrin, Bertrand Fourquet, Jean-Michel Hasquenoph et Sylvain Yon à l’ESPCI, développe une technologie d’imagerie médicale non invasive par ultrasons facilitant le diagnostic précoce de pathologies telles que les cancers, les maladies cardiovasculaires et hépatiques. La société a acquis la licence exclusive d’un procédé mis au point par le Laboratoire Ondes Acoustiques de l’ESPCI. Baptisée « élastographie impulsionnelle », cette technique utilise des ultrasons pour mesurer, in vivo et de façon non invasive, l’élasticité des tissus, en d’autres termes leur caractère plus ou moins dur. L’élastographe est une sorte d’échographe ultrarapide, capable de délivrer 5 000 images haute résolution par seconde, alors que les appareils d’échographie habituels ne dépassent pas 100 images/seconde. Grâce aux mesures instantanées effectuées par ce dispositif, les tumeurs mammaires deviennent perceptibles, pour un coût d’équipement bien moindre que pour une IRM.

27 Rudin M., Weissleder R., « Molecular Imaging in Drug Discovery and Development », Nature Reviews, février 2003



1.1.3. Maturité et risque : A quel stade de développement en est-on ? Quels sont les goulots d’étranglement technologiques et les futures pistes de développement à l’horizon 2005 ?

Parallèlement aux développements des technologies d’imagerie, la mise au point de nouveaux matériaux à propriétés optiques est tout aussi fondamentale. L’utilisation avancée de traceurs tels que les GFP (et ses dérivés) ou d’agents de contraste plus ciblés (nanoparticules fluorescentes ou d’autres sondes optiques avancées) auront un impact considérable pour l’imagerie cellulaire en temps réel. La tendance actuelle est de s’orienter vers l’imagerie in vivo. Le verrou majeur se situe dans l’extraction de données du fait de la pénétration plus ou moins limitée de la lumière dans un milieu vivant hétérogène et le très haut degré de diffusion. Les recherches sont actuellement orientées vers différentes technologies :

- Mise au point d’approches nouvelles, non invasives, pour l’examen optique de

tissus : tomographie par cohérence optique (OCT), imagerie par migration de photons, imagerie par diffusion élastique ou microholographie, utilisation de l’optique non linéaire.

- Intégration d’informations et d’images provenant de différentes modalités : représentation anatomique et information fonctionnelle, physiologique, quantitative et dynamique ; microscopies 3D, 4D et 5D, voire la mise au point de nouvelles modalités, telles que la microscopie optique en champ proche (NSOM) en cours de développement au Laboratoire de Spectrométrie Physique (LSP- CNRS UMR 5588) à l’Université Joseph Fourier (Grenoble). Face à la microscopie confocale, cette technologie présente un réel potentiel. En effet, la réalisation spatiale des techniques d’imagerie confocale reste limitée par le fait qu’il s’agit de microscopie à champ lointain. La microscopie NSOM, combinée à la microscopie par force de friction (qui donne une information topographique simultanée) permet une analyse à haute résolution (50 nm, voire 10 nm avec les sondes à base de nanocristaux semi-conducteurs en cours de développement : projet « SoLuNa ») de la surface d’un échantillon ainsi que la localisation très précise (moins de 10 nm) de marqueurs fluorescents. Cette technique apporte de nouvelles perspectives pour l’étude de macromolécules isolées et pour leur localisation au sein de structures.

- Passage vers une imagerie de plus en plus moléculaire, couplée à l’imagerie cellulaire et tissulaire. Aujourd’hui, le domaine du « molecular imaging » est très actif. Il se définit par la mesure et la caractérisation in vivo de processus biologiques à l’échelle moléculaire ou cellulaire. Les applications concernées sont entre autres la médecine moléculaire.



Développement du « Molecular Imaging »

- Mise au point de solutions toujours moins invasives, plus rapides, moins coûteuses (surtout pour des applications en imagerie médicale), voire déambulatoires (avec un suivi continu de plusieurs indicateurs physiologiques), dans le domaine de l’imagerie tissulaire et d’organes.

- Développement de modules pour améliorer les systèmes actuels, par exemple les

filtres dichroïques, les sources de fluorescence, des lasers moins coûteux pour faire de la faible profondeur, etc.

- Développement d’outils d’analyse d’images et de reconstitution 3D (via l’imagerie avec déconvolution par exemple).

D’autres domaines de recherche, particulièrement innovants, peuvent transformer l’avenir de ce segment. Ils concernent des technologies « habilitantes », pouvant servir de « bases technologiques » dans de nombreuses applications, telles que :

- l’optique non linéaire et la microscopie associée, - des sources laser ultra brèves (nanosecondes ou femtosecondes), pour imager en

temps réel des phénomènes biologiques très rapides, - l’optimisation des algorithmes de traitement d’images, - la physique fondamentale pour l’observation et la compréhension des propriétés de

molécules « uniques » et leur sensibilité à l’environnement : dans le cadre de micro et nanomanipulations, développement d’une instrumentation photonique de pointe qui permet d’interfacer optiquement et électriquement des molécules à des échelles de plus en plus en plus réduites.



Concernant les développements dans le domaine de la micro et nanomanipulation, le microscope de force atomique (AFM ou « Atomic Force Microscopy ») apparaît comme une solution prometteuse : il permet non seulement d’obtenir une image mais aussi de manipuler de façon très précise, quasiment molécule par molécule. Bien que ses applications ressortent encore essentiellemnt du domaine de la recherche, quelques applications sont en cours de développement pour l’industrie pharmaceutique, omme le criblage le plus fin possible, au niveau de la molécule.

Des solutions très innovantes 1) Mauna Kea Technologies (Paris) et sa technologie d’imagerie in vivo Cette entreprise a mis au point des technologies d’imagerie in vivo, basée sur la réflectance, la fluorescence et la spectroscopie d’auto-fluorescence (en cours de développement pour cette dernière). L’innovation réside dans l’utilisation d’une sonde flexible capable de faire de l’imagerie confocale. 2) Given Imaging (Israël) surpasse la radiographie au Baryum Une étude publiée dans le journal "Gastroenterology" (Octobre 2002, Vol. 123 n°4) conclut que la capsule endoscopique vidéo de la société israélienne Given Imaging serait plus performante qu’une radiographie classique pour observer des maladies ou des désordres intestinaux. Cette étude a été menée par le Dr Guido Costamagna, Directeur de l’Unité d’Endoscopie Digestive du Département de Chirurgie de l’Hôpital Catholique de Rome. Selon lui, "la capsule endoscopique est une technique sans douleur, attrayante pour le diagnostic de petites atteintes du système digestif et qui devrait devenir l’outil privilégié pour ces affections." Son étude a comparé les deux techniques sur une vingtaine de patients chez lesquels était suspectée une maladie de Crohn en raison de saignements suspects. La radiographie au Baryum a révélé un diagnostic positif sur trois patients contre dix-sept pour la capsule endoscopique. 3) L’Institut d’Imagerie et d’Optique Appliquée de l’EPFL (Lausanne) a élaboré une nouvelle méthode d’imagerie cellulaire et tissulaire appelée «Microscopie Holographique Digitale»; développée à l’Institut de physiologie de l’UNIL pour l’étude de cellules vivantes, elle est appliquée pour observer et caractériser l’histo-architecture du tissu cérébral. Des images tridimensionnelles de neurones en culture (voir figure ci-contre) ont pu être obtenues avec une très grande résolution dans l’axe de l’observation (quelques dizaines de nanomètres). Des mouvements réversibles de très faible amplitude, traduisant l’effet de l’administration de faibles quantités du neurotransmetteur glutamate, ont été mis en évidence. Grâce à la grande rapidité de l’acquisition des images en 3 dimensions, la technique ainsi mise au point offre des perspectives uniques dans l’étude en temps réel des cellules et tissus vivants. 1.1.4. Applications visées Le développement de ces technologies d’imagerie est appliquée dans :

- la recherche : imagerie du petit animal en pharmacie, ou dans des domaines plus classiques de la biologie cellulaire,

- le domaine biomédical : diagnostic (détection précoce des lésions minimales), interventions et des traitements « effractifs » minimaux guidés par l’image, ou systèmes automatisés d’acquisition d’images. Dans tous les cas, les contraintes réglementaires et de coûts sont très fortes. Une très importante demande existe dans le domaine de l’oncologie.



Récemment, bien qu’un certain nombre de techniques d’imagerie optique telles que l’endoscopie et l’ophtalmoscopie soient bien établies, les nouvelles techniques de photonique et la plus grande compréhension des interactions lumière-tissu ont considérablement élargi les possibilités d’imagerie optique in vivo. Nombre de ces nouvelles techniques sont encore au stade expérimental, mais leur entrée dans la pratique clinique a débuté et devrait s’accélérer. Les applications potentielles dans ce domaine sont encore peu explorées, comme le prouve l’émergence de méthodes et d’instrumentation reposant sur des approches radicalement nouvelles de l’examen optique de tissus, telles que la tomographie par cohérence optique. Etant donné la pénétration limitée de la lumière dans le tissu et le très haut degré de diffusion, le plus grand défi consiste à « extraire » les renseignements pertinents.

1.1.5. Pôles français et franciliens de développement (laboratoires et entreprises)

- Réseau National CNRS des Technologies Laser Femtoseconde28 : parmi ses membres, figurent le Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (Talence), le Laboratoire Concepts et Dispositifs pour la Photonique (Bagneux), le Laboratoire de Photophysique Moléculaire (Orsay), le Laboratoire d’Optique Appliquée (Palaiseau), le Laboratoire d’Optique et Biosciences (Palaiseau), le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique (Orsay), le Laboratoire de Physique des Lasers (Villetaneuse).

Pôle francilien - Laboratoire d’Optique Physique (LOP), ESPCI, Equipe de Claude Boccara :

microscopie optique en champ proche, imagerie en milieu complexe (images à haute résolution ou à grande profondeur à l’intérieur de divers tissus biologiques.

- Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (LPQM), ENS Cachan,

équipe de Joseph Zyss : optique non linéaire et contrôle cohérent. - Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire et Cellulaire (LPBC), UMR CNRS

7033, université Paris VI, équipe de Geneviève Bourg-Heckly : Cette équipe développe un axe de recherche en spectro-imagerie tissulaire d’autofluorescence à visée diagnostique destinée à la détection des lésions précancéreuses et cancéreuses précoces non décelables par endoscopie conventionnelle en lumière blanche. Les études menées vont de l'aspect fondamental (caractérisation spectroscopique de la transformation néoplasique par spectroscopie cellulaire et tissulaire) au développement d’instrumentation à finalité clinique. Deux prototypes sont en cours de

28 Site internet : http://www.luli.polytechnique.fr/rtf/

© CNRS Photothèque

Expression dans un embryon de souris du gène marqueur lacZ (couleur bleue)

permettant de mettre en évidence lors du développement embryonnaire, la région où

s'exprime normalement le gène Hox 3.1 actif, remplacé dans ce cas par le gène

marqueur.



développement : un imageur endoscopique d’autofluorescence et une sonde endoscopique couplant en un même instrument un microscope confocal fibré et un spectrofluorimètre. Ce dernier instrument est développé dans le cadre d’une collaboration avec la société Mauna Kea Technologies.

- Laboratoire de Neurophysiologie et Nouvelles Microscopies, ESPCI – INSERM /

CNRS, équipe de Jérôme Mertz : optique non linéaire, génération d’harmoniques et microscopie multiphotonique.

- Plateforme d’imagerie (microscopie et phospho-imageurs) Institut Jacques

Monod, Université Paris 7, équipe de Maïté Coppey-Moisan (laboratoire « complexes macromoléculaires en cellules vivantes ») : microscopie confocale biphotonique, balises moléculaires fluorescentes (innovations en instrumentation et en méthodes).

- Plateforme d’imagerie du petit animal du Généthon, Genopole® Evry, équipe de

Corinne Laplace-Builhé : microscopie fluorescente en temps réel, analyse automatisée de cellules et de tissus, microscopie confocale pour la quantification 2D et la manipulation de données 3D, imagerie de l’expression génique in vivo à l’échelle du petit animal en entier (bioluminescence par utilisation de la luciférase, fluorescence par utilisation de la GFP), imagerie des interactions protéiques à l’échelle moléculaire (FRET).

- Laboratoire de Photophysique Moléculaire, Orsay, équipe de Philippe

Bréchignac (groupe de Photobiologie-Biophotonique) : caractérisation des différentes étapes de la réactivité de molécules biologiques depuis le domaine de la femtoseconde (Femtochimie) au développement de nouvelles instrumentations d’imagerie au service du diagnostic et de la thérapie (Biophotonique) en passant par l’élaboration de nanostructures pour l’exaltation du signal optique et destinées à augmenter la sensibilité des systèmes biologiques (Nanotechnologie). Le développement d’un système original de microscopie de fluorescence pour différentes applications biomédicales permet de mesurer l’intensité de fluorescence d’un tissu ou d’une cellule et ainsi de localiser les différents constituants cellulaires avec une résolution micrométrique. Il repose sur une excitation biphotonique de l’échantillon point par point qui implique l’utilisation d’un laser femtoseconde et d’un objectif de très grande ouverture. Pour former l’image de fluorescence, il est ensuite nécessaire de balayer le point de mesure submicronique sur l’ensemble du plan focal, la durée de ce balayage monopoint conditionnant le rythme d’acquisition des images (10 s pour une image 40x40 mm). L’obtention d’images en microscopie biphotonique peut être améliorée temporellement en réalisant un système d’excitation multipoint (jusqu’à 64 points) donnant accès à des rythmes vidéo d’acquisition d’images (typiquement 30 images/s), ce qui permet de préserver les échantillons biologiques sensibles. Un premier prototype du système optique permettant de générer huit points d’excitation a été développé en partenariat avec le groupe de Patrick Georges (Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique).

- Groupe Dynamique de la Compartimentation Cellulaire, dirigé par Béatrice

Satiat-Jeunemaitre, Institut des Sciences du Végétal : exploration fonctionnelle de la cellule, avec un intérêt marqué pour la morphodynamique du système



endomembranaire chez les plantes supérieures, étude des fonctions de plusieurs protéines impliquées dans le trafic membranaire en situant leur rôle dans un contexte cellulaire dynamique. Ces travaux font appel à des approches moléculaires, biochimiques, et de biologie cellulaire fonctionnelle. Le point fort de ce groupe est l’imagerie de cellules vivantes ou fixées par le suivi de marquages fluorescents, l'immunocytochimie et les observations en microscopie confocale. Les analyses subcellulaires sont réalisées en microscopie électronique à transmission. Le laboratoire accueille également deux plateaux techniques : un service de cytométrie en flux et une plateforme de microscopie (responsable Spencer Brown), regroupant des équipements de microscopie et d’imagerie de l’ISV , de l’IFR 87 (Insitut Fédératif de recherche « La Plante et son Environnement ») et du campus de Gif sur Yvette.

- Laboratoire de Biotechnologies et de Pharmacologie génétique Appliquée, dirigé

par Christian Auclair, ENS Cachan (Groupe Photobiologie Moléculaire) : développements de technologies physico-chimiques et informatiques permettant d’accéder à l’étude des interactions protéine-protéine et protéine-ADN (en particulier par spectroscopie de fluorescence).

- Plateforme d’imagerie cellulaire, IFR 65 Cancer, Inflammation, Hormones,

Faculté de Médecine Saint Antoine, dirigée par Jacqueline Capeau : cytométrie de flux, microscopie à fluorescence, microscopie confocale, phospho-imagerie, et microscopie électronique.

- Laboratoire de Physique Statistique, ENS, équipe de David Bensimon (groupe de

Biophysique des Molécules Uniques) : biophysique de l’ADN et des membranes, et micromanipulations.

- Laboratoire de Chimie Physique, Université Paris-Sud, Groupe de Biophysique,

équipe de Fabienne Merola (Photobiologie) : photonique pour le diagnostic et la thérapeutique ; étude de différentes spectroscopies optiques, et principalement la fluorescence résolue en temps à haute résolution, pour étudier la réactivité, la structure, la dynamique et les interactions des protéines, en relation avec leurs fonctions biologiques et leurs mécanismes de régulation. Réalisées in vitro, ces études débouchent sur des procédés de caractérisation pharmacologique originaux. Combinées à des techniques de microscopie in vivo, elles vont permettre de proposer des méthodes innovantes de diagnostic cellulaire.

- Laboratoire de Physique du Cytosquelette et Fonctions Membranaires, Institut

Curie, Equipe « Approches physiques de problématiques biologiques », notamment François Amblard : centre de construction des outils nécessaires à la compréhension du vivant à l’échelle cellulaire ; imagerie par impulsions laser ultracourtes, exploration optique in vivo par imagerie multiphotonique.

- Laboratoire d’Optique et Biosciences, Ecole Polytechnique / CNRS / INSERM,

Palaiseau, dirigé par Jean-Louis Martin : dynamique fonctionnelle des protéines, lasers femtosecondes, microscopie biphotonique en profondeur et dans les milieux diffusants, nanoémetteurs de terres rares.



- Association de la Montagne Sainte Geneviève (Paris) qui regroupe l’Institut de Biologie Physico-Chimique (IBPC), l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris, l’Ecole Supérieure de Physique Industrielle de Paris (ESPCI), l’ENS Paris et l’Institut Curie : plateforme de microscopie biphotonique, microscopie par génération de seconde harmonique, microscopie par cohérence optique, FRAP (« Fluorescence Recovery After Photobleaching »).

- Institut Mondor de Médecine Moléculaire dirigé par Michel Goossens : Institut

Fédératif de Recherche, Créteil, en partenariat avec l’INSERM, l’Université Paris-Sud 11 et l’Assistance Publique-Hôpitaux de Paris.

- Institut Fédératif de Recherche « Institut d’imagerie

neuro-fonctionnelle », dirigé par Denis Le Bihan, en partenariat avec l’INSERM, le CNRS, le CEA, l’Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, l’Université Paris-Sud 11, l’Université Paris 6, l’Ecole des Hautes Études en Sciences Sociales (EHESS) et l’Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications.

- Unité d’analyse d’images, Institut Pasteur, équipe de

Jean-Christophe Olivo-Marin : utilisation avancée des techniques de déconvolution et de traitement d’images en général.

- Laboratoire de Physique des Lasers (LPL), Université Paris 13, équipe de Sigrid

Avrillier : Une des activités du LPL est le développement d’une méthode d’imagerie tissulaire 3D par « balayage de cohérence » qui permet d’effectuer des mesures interférométriques comme l’OCT mais en utilisant la composante diffuse de la lumière. Son avantage sur l’OCT est de pouvoir explorer des volumes de tissus situés à plusieurs centimètres de la surface. Cette technique a fait l’objet d’un brevet dont le dépôt et la valorisation sont financés par l’ANVAR. L’application principalement visée est la mammographie optique. Plusieurs entreprises aux USA ont déjà manifesté leur intérêt. Cette équipe développe également des prototypes pour la détection précoce des cancers de la vessie par imagerie endoscopique d’autofluorescence et des appareils de contrôle ambulatoire de l’oxygénation des tissus.

- Laboratoire Charles Fabry (Institut d’Optique), dirigé par Pierre Chavel

Deux activités concernent ce segment : - La microscopie de fluorescence par absorption à deux photons : l’équipe « lasers

solides et applications » (P. Georges) a développé un microscope d’imagerie de la dynamique de fluorescence (par corrélation ou analyse temporelle) par absorption à deux photons. Cet instrument est appliqué à l’étude de la diffusion dans des biofilms de bactéries et à l’analyse de déclin de fluorescence intracellulaire. Il est installé au Laboratoire de Photophysique Moléculaire et les développements futurs s’orientent vers la détection multipoint sur capteurs CCD avec porte temporelle ultra rapide (contrat POLA du CPER de l’Université Paris-Sud 11). Une thèse a été soutenue sur ce thème.

- Pinces optiques : Philippe Bouyer et Nathalie Westbrook, issus du groupe d’optique atomique, ont récemment lancé en collaboration avec des biologistes moléculaires de l’Institut de Chimie des Substances Naturelles (CNRS/Gif sur

©CEA Localisation d'un foyer épileptique

par tomographie d'émission monophotonique (SPECT)



Yvette) une expérimentation associant des « pinces optiques » et le transfert d’énergie par fluorescence résonnante pour manipuler des espèces biologiques, plus particulièrement pour étudier les modifications de conformation du ribosome.

Autres pôles français

Bordeaux - Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne - Université Bordeaux I

(Talence) , équipe de Brahim Lounis : « Imaging single absorbing nanoparticles in scattering media by photothermal interference contrast » pour des applications à détection ultrasensible : matériaux et méthodes de caractérisation, optique non linéaire et les phénomènes ultra rapides, la biophotonique et la photophysique moléculaire, la nanophysique et les systèmes de basses dimensionnalités, les transitions de phase et les instabilités en milieu dense (développement de méthodes physiques originales qui utilisent principalement les propriétés du rayonnement laser).

- Laboratoire de Physiologie Cellulaire de la Synapse, Université Bordeaux 2,

équipe de Daniel Choquet "Dynamique de l'organisation membranaire des récepteurs" : mise au point de nouveaux outils pour visualiser en temps réel le mouvement de récepteurs à la surface de neurones en culture formant des réseaux synaptiques. L’équipe utilise en particulier des petites billes de latex de 500 nm accrochées à certains récepteurs par des anticorps, rapporteurs fidèles du mouvement de ces récepteurs. Ces petites billes sont manipulées par une pince optique afin de les positionner très précisément à la surface des cellules. Ces chercheurs ont également réalisé un montage optique, probablement unique au monde, avec deux sources de lumière blanche et deux faisceaux lasers de différentes couleurs. De façon simultanée, ils ont pu manipuler et visualiser les particules, des protéines fluorescentes, et stimuler localement les récepteurs.

- Plateforme d’Imagerie Cellulaire de l’IFR de Neurosciences, responsable

scientifique, Daniel Choquet : La PICIN a été mise en place dans les locaux de l’institut François Magendie en novembre 2002. Le projet de plateforme d’imagerie sur le campus de l’université de Bordeaux 2 est basé sur le double constat d’un besoin en constante augmentation de matériel performant permettant l’imagerie cellulaire de fluorescence et la nécessité d’être à la pointe des nouvelles technologies. Pour réaliser ces objectifs, la plateforme a été mise en place avec des partenaires biologistes (IFR de neurosciences), optophysiciens (CPMOH : équipe de nanophotonique), physiciens laseristes (CELIA) et un industriel (Amplitude systèmes). La plateforme a le label RIO de plateforme technologique émergente et est donc ouverte à l’ensemble de la communauté scientifique publique et privée.

- Plateforme d’Application des Lasers en Aquitaine (PALA - Centre CELIA,

Centre Lasers Intenses et Applications, Talence), sous la responsabilité de John Lopez : en relation avec l’université et un industriel (Amplitude-Technologies), cette plateforme a développé un laser VUV très performant et envisage d’en développer d’autres. L’objectif : le micro usinage, le micro marquage pour éviter les contrefaçons,



la fabrication des micro outils, les tests non destructifs, l’imagerie en 3D, la structure des protéines, etc.

Caen - Institut Fédératif de Recherche, IFR 47, « Imagerie Physiologique et

métabolique » (Caen), dirigé par Jean-Michel Derlon en partenariat avec le CEA, l’INSERM, le CNRS, et l’ENSI CAEN (Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Caen) et l’Université de Caen.

Grenoble - Laboratoire de Spectrométrie Physique (LSP) – CNRS UMR 5588 – Université

Joseph Fourier (Grenoble) : physique moléculaire, optique et applications (notamment spectrophotométrie des milieux diffusants, appliquée à l’étude du cerveau et des interactions moléculaires sur cellules vivantes) : utilisation de l’optique pour la caractérisation d’objets biologiques. Ce laboratoire est partenaire du projet NSOM, Microscopie optique en champ proche, avec le Laboratoire d’Etudes des Propriétés Electroniques des Solides – LEPES, Grenoble) appliquée à la biologie, par exemple pour l’étude de la dynamique de protéines dans des membranes artificielles.

- Laboratoire des Techniques de l’Imagerie, de la Modélisation et de la Cognition

(TIMC), équipe « Reconnaissance des Formes et Microscopie Quantitative », dirigée par Yves Husson, Institut d’Informatique et Mathématiques appliquées de Grenoble : approche de problèmes par combinaison de compétences simultanées en biologie (pathologie cellulaire maligne), en microscopie photonique (transmission et fluorescence) et en imagerie (2D et 3D), nouvelles microscopies de fluorescence, carte d’identité moléculaire des tumeurs, microscope numérique et architecture et modélisation du tissu myocardique fœtal. Yves Husson est par ailleurs le futur directeur du nouveau GDR « Imagerie de la cellule vivante » en cours d’évaluation au Ministère de la Recherche.

Lyon - Centre de Recherche et d’Applications en Traitement de l’Image et du Signal,

Directeur : Isabelle Magnin, Insa Lyon : traitement de l’imagerie médicale. - Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire (LASIM), Directeur :

Christian Bordas : agrégats (agrégats et nanostructures, dipôle électrique, biomolécules et agrégat, dynamique des états excités), ions multichargés, laser et environnement, optique non linéaire des interfaces, physico-chimie théorique, spectrométrie moléculaire et applications

Marseille - Plateformes technologiques femtoseconde : Bordeaux : PALA (F. Salin) ; St Etienne

: Laser et Applications (P. Laporte) ; Marseille : PIALA (M. Sentis).



Montpellier - Equipe de Christian Le Grimellec, « Nanostructures et Complexes

Membranaires » (Inserm UMR 554, Montpellier) : utilisation de l’AFM (Fluorescence sous haute pression hydrostatique) sur membranes biologiques, isolées ou in situ.

Rennes - Institut Fédératif de Recherche « Imagerie métabolique et Modélisation »

(Rennes), dirigé par Jacques De Certaines, en partenariat avec l’INSERM, l’INRA et l’Université de Rennes I.

Strasbourg - Université Louis Pasteur de Strasbourg : Jean-Luc Vonesch, ingénieur de

recherche à l’ULP, s’est vu décerner le prix de l’innovation Inserm 2003 « méthodologie ». Il récompense ainsi la mise en place du service commun d’imagerie optique et confocale de l’IGBMC.

- Laboratoire de Pharmacologie et Physico-chimie des Interactions moléculaires et

cellulaires, Université Louis Pasteur (Illkirch Graffenstadten), équipe de K. Takeda : étude des structures et des interactions biomoléculaires, notamment dans le domaine de la spectroscopie de fluorescence résolue en temps (mise au point d’un dispositif de mesure laser picoseconde et d’une méthode d’analyse originaux) et mise en place d’une plateforme technologique à excitation biphotonique permettant de combiner l’imagerie cellulaire, la spectroscopie à corrélation de fluorescence, la spectroscopie de fluorescence résolue en temps et la microspectrofluorimétrie. Cette plateforme permet d’obtenir des informations quantitatives sur des interactions moléculaires en solution et dans la cellule (paramètres thermodynamiques et cinétiques, dynamique et conformation des molécules impliquées). Des développements vers l’étude de molécules uniques sont en cours.

Tours - Institut Fédératif de Recherche « Imagerie et exploration fonctionnelles »

(Tours), dirigé par Léandre Pourcelot en partenariat avec l’INSERM, le CNRS, l’INRA, l’Université de Tours, le CHRU de Tours et l’Etablissement Français du Sang (EFS) Centre-Atlantique.

Entreprises

- Amplitude Systèmes (Evry) : développement de lasers ultra rapides en particulier

pour la microscopie multiphotons, en collaboration avec le CELIA (Centre Lasers Intenses et Applications, Talence).

- Bionexis Pharmaceuticals (Paris) : exploitation d’un portefeuille de brevets du CEA :

développement de produits à partir de molécules dérivées d’une protéine membranaire cellulaire, l’annexine, qui peuvent être utilisées dans les domaines de l’imagerie médicale, de la thérapeutique, des biomatériaux et de la vectorisation de



médicaments ; actuellement, ingénierie de protéines pour détecter et traiter les cellules en apoptose.

- Hamamatsu Photonics France (Massy) : Imagerie, détection, sources, optiques,

traitement du signal, logiciels, alimentation, mécanique… Santé : Médecine nucléaire (les équipements de scinti-mammographie, les gammas caméras, les scanners à émission de Positrons (TEP ou PET) utilisent des détecteurs à vide ou semi-conducteurs afin d’obtenir une exploration fonctionnelle du métabolisme, (l’établissement du diagnostic en oncologie en est ainsi perfectionné), chirurgie, oncologie, dentisterie, radiologie, fluoroscopie. Recherche : Sciences du Vivant (vidéo, microscopie, biochimie, luminescence, génétique, FISH, CGH, mesure d’oxygénation tissulaire), Sciences des Matériaux (Mesure de chimiluminescence, bioluminescence et fluorescence dans le visible par module de comptage de photons en technologie PM…), Sciences de la Matière. IMSTAR (Paris) : La société Imstar conçoit, fabrique et commercialise des systèmes innovants de bio-imagerie, au service de laboratoires de recherche en sciences de la vie. Ces systèmes sont en particulier dédiés à l'étude des processus physiopathologiques, au diagnostic des maladies génétiques et des cancers et à la découverte de nouveaux médicaments.

- Jobin-Yvon (Longjumeau): Spectroscopie Raman (leader mondial), fluorescence,

ellipsométrie, caméras pour l'imagerie moléculaire et la spectroscopie. - Laser 2000 (St Nom La Bretèche) : Distribution de produits d’éclairage fluorescents

industriels pour les instruments de métrologie, de systèmes d’illumination fluorescents de haute qualité et des solutions pour la microscopie et les applications de vision.

- Mauna Kea Technologies (Paris) : imagerie moléculaire et cellulaire in vivo et in situ

(imagerie par réflectance, imagerie par fluorescence, spectroscopie par auto-fluorescence ; utilisation de technologies inédites en « microscopie » confocale flexible).

- Nachet (Dijon) : développement et fabrication de microscopes : microscopes de

recherche équipés de CIN, polarisation, contraste de phase, épi-fluorescence, stereomicroscopes de recherche.

- Olympus France S.A : dans le domaine de la santé et des sciences de la vie, Olympus

est présent sur les marchés l’endoscopie médicale, de l’endoscopie chirurgicale, du diagnostic et de la microscopie.

- Nanoraptor (Paris) : développement d’une nouvelle technique de visualisation et de

mesure qui s’appuie sur l’utilisation conjointe de la microscopie optique et de consommables très particuliers (« surfs »). Elle améliore la sensibilité de la microscopie optique pour la visualisation de films ultraminces et la détection de nano-objets.

- Philips Systèmes Médicaux (Suresnes ; division de Philips France) : technologies

développées : Médecine nucléaire, PET, rayons X, ultrasons, résonance magnétique, « computed tomography », « radiation oncology systems », « patient monitoring », …



Dans le cadre de compétences liées l’analyse d’images, la France possède un savoir-faire et une expertise reconnus, notamment à l’INRIA. Issue de cet institut, la spin-off, Quantificare, située à Sophia-Antipolis, est spécialisée dans le traitement de l’imagerie médicale tridimensionnelle pour les essais cliniques.

1.1.6. Partenaires à l’échelon international : quelques centres ou équipes de recherche

de premier plan

- Equipe du Professeur Winfred Denk au Max Planck Institute for Medical

Research (Heidelberg, Allemagne) : recherche dans le domaine de l’optique biomédicale ; recherches particulièrement innovantes en microscopie biphotonique.

- Département de nanobiophotonique au Max Planck Institute for Biophysical Chemistry (Göttingen, Allemagne), notamment l’équipe de Stefan W. Hell : microscopie de fluorescence confocale, excitation multiphotons, photophysique des fluorophores, déconvolution, microscopie confocale 4Pi.

- Laboratoire d’optique appliquée et de traitement de l’information (groupe de recherche de C. Cremer), Interdisciplinary center for scientific computing (IWR), Kirchhoff Institute for Physics – KIP (Heidelberg, Allemagne) : développement de systèmes de microscopie en tomographie axiale, microscopie SMI (« Spatially Modulated Illumination ») et microscopie SPD (« Spectral Precision Distance »).

- Equipe de Clare Michal Waterman-Storer (Laboratory for cell motility studies) au Scripps Research Institute (La Jolla, Californie), spécialiste de Fluorescent Speckle Microscopy (FSM, méthode microscopique épifluorescente souvent employée pour visualiser la dynamique des assemblages protéiques dans des cellules vivantes).

- Ammasi Periasamy, directeur du W.M. Keck Center for Cellular Imaging (University of Virginia) : microscopie multiphotons dans les sciences biomédicales.

- Equipe d’Alan Werkman, Department of Medicine & Physiology, Cardiovascular Research Institute, Laboratory for Cell & Membrane Biophysics de l’University of California - San Francisco : application de nouvelles méthodes optiques (anisotropy imaging, picosecond microfluorimetry, single photon radioluminescence, 3-d single particle tracking, microsecond photobleaching recovery - FRAP, fluorescence correlation spectroscopy, total internal reflection FRAP - TIR-FRAP, quantitative multi-angle TIR imaging, and femtosecond laser spectroscopy) pour l’étude des dynamiques biomoléculaires dans des cellules vivantes.

- Biophotonics Imaging Lab (Dr. Stephen Boppart), Beckman Institute (University of Illinois, Urbana-Champaign) : développement de techniques d’imagerie médicale non invasives, et plus spécialement de l’OCT pour la détection précoce et le diagnostic de cancers.



- Applied Optics Group (Professeur D.A. Jackson et Professeur C.N. Pannell),

School of Physical Sciences, University of Kent (Grande-Bretagne) : développements autour de l’OCT.

- Tissue Optics Laboratory (Jennifer K. Barton), University of Arizona : “Optical Coherence Tomography (OCT) and Fast OCT”, “Doppler OCT”, “Simultaneous OCT & Fluorescent imaging”.

- Institut de Physique Appliquée à Nizhny Novgorod en Russie : spécialiste de l’OCT.

- Equipe de Brett E. Bouma, Wellman Laboratories of Photomedicine, Department of Dermatology, Massachusetts General Hospital (Boston, Etats-Unis) : mise au point d’un système d’OCT portable pour une utilisation clinique. Ce laboratoire occupe actuellement une position de leader pour les essais cliniques de l’OCT (en gastro-entérologie, dermatologie, cardiologie, urologie, orthopédie, gynécologie et oto-rhino-laryngologie).

- Equipe du Professeur James Fujimoto, Department of Engineering and Computer Science Research Laboratory of Electronics, MIT : développement de l’OCT pour des applications biomédicales cliniques.

- Equipe de Joseph A. Izatt, Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University (Cleveland, Etats-Unis) : imagerie tomographique pour des applications dans l’ophtalmologie, la dermatologie et l’endoscopie ; caractérisation spectroscopique de tissus pour la détection précoce de lésions précancéreuses dans le tractus gastro-intestinal ; développement de techniques avancées de microscopie confocale en milieu turbide ; conception de sondes en fibre optique pour le test de la fonction pancréatique ; développement de techniques de traitement de signaux ultrasoniques pour la caractérisation de tissus.

- Equipe de Wolgang Drexler, Institute of Medical Physics, Université de Vienne :

développement autour de l’OCT.

- Optical Imaging Laboratory (Professeur Lihong Wang), Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University (Etats-Unis) : notamment la tomographie acousto-optique (“ultrasound-modulated optical tomography”) appliquée à la détection précoce de cancers (premiers tests sur le cancer du sein) ; « Radiofrequency-induced thermoacoustic tomography » ; « Depth-resolved Mueller matrix measurement with OCT » ; « Oblique-incidence reflectometry and spectroscopy » ; « Modeling of light transport in tissues ».

- Biomedical Optics Laboratory (Professeur Masamitsu Haruna), School of Allied Health Sciences, Faculty of Medicine Osaka University : notamment développement autour de l’OCT.

- Equipe du Professeur A.Z. Genack, Department of Physics of Queens College (New York, Etats-Unis) : imagerie acousto-optique.



- Nano-Biophotonics Group (Professeur Osamu Nakamura), Osaka University (Japon) : “Nano stimulation and nano surgery using ultra short pulsed laser on biological tissue”, “Real-time imaging of living cells using non-linear optical microscopes”, “Near-infrared spectroscopy for tissue analysis”, “Near-field vibrational microspectroscopy of biomolecules”.

- Quelques équipes en microscopie multiphotons : Scott E. Fraser, California Institute of Technology Mary E. Dickinson, California Institute of Technology Ammasi Periasamy, Univ. of Virginia Peter T. So, Massachusetts Institute of Technology Karsten Koenig, Friedrich-Schiller-Univ. Jena (Allemagne) Warren R. Zipfel, Cornell Univ. Alberto Diaspro, Univ. degli Studi di Genova (Italie) Earl J. Bergey, SUNY/Buffalo Steve M. Potter, California Institute of Technology

- Quelques équipes en microscopie et biologie cellulaire:

W. Almers (Portland, Etats-Unis) W. Baumeister (Allemagne) J. Molloy, (NIMR, Londres, Grande-Bretagne) M. Falk (San Diego, Etats-Unis) K. Hahn (San Diego, Etats-Unis) C. Waterman-Storer (San Diego, Etats-Unis) Keck Center for cellular imaging, Université de Virginie (Charlottesville, Etats-Unis)

- Centres de recherche dédiés à l’imagerie moléculaire (“molecular imaging”)

Center for Molecular Imaging Research, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School (Boston) VCUHS Molecular Imaging Center (Virginie) Crump Institute for Biological Imaging (Californie) Biomedical Imaging Research Center (Professeur Yasuhisa Fujibayashi), Fukui Medical University (Japon)

1.2. Grille de marché : analyse par la matrice de Porter Perspectives de marché pour l’imagerie cellulaire et tissulaire

Le marché de la microscopie est estimé à 1 milliard de dollars à l’horizon 2005, avec une large domination des technologies liées à la microscopie optique et des applications médicales29. Ces dernières applications seront a priori le principal catalyseur du marché de la microscopie. L’imagerie cellulaire et tissulaire qui s’inscrit également dans le marché de l’imagerie médicale, est évaluée à 14 milliards de

29 Etude Trimark Publications, février 2003

- 1 milliard de dollars à l’horizon 2005 pour la microcopie.

- 14 milliards de dollars en 2002 et une croissance annuelle de 6% pour l’imagerie médicale.



dollars en 200230, avec une croissance annuelle globale estimée à 6% pour les prochaines années (10% pour les technologies de l’information appliquées à la santé, 6% pour les technologies ultrasons et seulement 1% pour les technologies d’imagerie plus « classiques » pour la résonance magnétique ou la tomodensitométrie)31. 1.2.1. Concurrents du secteur : rivalité entre firmes existantes

Le marché de la microscopie est aujourd’hui dominée par les acteurs Allemands et Japonais, soit par ordre d’importance :

1) Nikon (Japon) 2) Zeiss (Allemagne) 3) Olympus (Japon) 4) Leica (Allemagne)

On peut également citer d’autres acteurs de poids tels que Bio-Rad Microscopy Labs., Inc. (Royaume-Uni) ou Hamamatsu Photonics KK (Japon). Concernant développement d’instruments destinés à la manipulation d’objets biologiques, on peut remarquer l’existence d’acteurs innovants, tels que :

- Arryx (Etats-Unis ; spécialisé dans la microphotonique) - Cell Robotics (Etats-Unis ; commercialisation d’un système de manipulation

physique et de microdissection de cellules, « Cell Robotics Microscope Research Workstation »)

- PicoQuant GmbH (Allemagne) : “Time-resolved fluorescence imaging with single molecule sensitivity and sub-micrometer resolution”

- Evotec OAI AG (Allemagne) : “Confocal fluorescence in industrial application: multiple read-outs, component resolution, data reliability”

- Qiagen / Leica (Allemagne); microdissection laser Le marché de l’instrumentation pour l’imagerie médicale à l’échelle tissulaire, est hautement compétitif, en forte croissance, et dominé par des « géants » : General Electric Medical Systems (filiale de General Electric), Philips, Siemens, Toshiba, puis viennent Picker, Instrumentarium, Hologic, Agfa, Kodak, Howtek. (N.B : ces derniers acteurs ne sont pas exclusivement liés aux technologies biophotoniques) La France est pratiquement absente du domaine de l’imagerie médicale.

30 Etude Business Communications Company, octobre 2002 31 « Electrical trends, medical technology », Dresdner Kleinwort Wasserstein, juin 2002



1.2.2. Entrants potentiels : menace de nouveaux entrants Le marché se compose de quelques entreprises internationales et de petites structures se concentrant sur des niches de marché spécifiques. Il se caractérise par des coûts de recherche et développement relativement élevés. De plus, le marché de l’instrumentation ne générant généralement que peu de marge, d’éventuels investisseurs peuvent se désintéresser d’entreprises en cours de création. Toutefois, tous les marchés ne semblent pas verrouillés, comme les applications orientées vers l’in vivo, le fonctionnel et le dynamique, par exemple. Dans le cas de l’imagerie médicale, la situation est toutefois plus délicate. Les acteurs proposent surtout des solutions complètement intégrées, des technologies photoniques aux technologies logicielles associées. Sur ce marché, une meilleure intégration des différentes technologies représente un avantage concurrentiel non négligeable : le client acquiert une solution complète « prête à l’emploi ». L’optimisation des coûts reste un enjeu clé dans ce domaine. L’arrivée d’un concurrent de poids est peu envisageable.

1.2.3. Substituts : menace de produits de substitution Voir l’analyse sur les technologies alternatives éventuelles (du point de vue de technologies concurrentes de la biophotonique) § 1.1.2.

1.2.4. Pouvoir de négociations des fournisseurs Cette force de marché peut s’exprimer en termes de dépendance par rapport à des fournisseurs de technologies habilitantes, telles que les sources lumineuses (diodes super luminescentes, lasers – par exemple femtoseconde) ou les fibres optiques.

1.2.5. Pouvoir de négociation des clients - distributeurs

Un tel marché nécessite une “force” marketing très importante pour convaincre ses clients :

- les clients académiques ou industriels dans le cas de la microscopie, - les prescripteurs dans les hôpitaux (marché de l’imagerie médicale) : le coût

marketing est plus élevé sur ce marché ; il faut vraiment suivre et fidéliser les médecins. La pénétration de nouveaux produits n’est pas aisée, étant donné les coûts engendrés et les nécessaires amortissement pluriannuels.

1.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie A la lumière de la consultation des experts, les principaux facteurs de succès sont :

- Faire communiquer les « technologues », les biologistes et les médecins afin d’être au plus près de la demande.



- Mettre en place des moyens pour aller jusqu’au prototype industriel validé. - S’appuyer sur les compétences françaises en algorithmique pour l’analyse d’images

(cf. la spin-off de l’INRIA, Quantificare à Sophia-Antipolis, spécialisée dans le traitement de l’imagerie médicale 3D pour les essais cliniques) : faire de la biophotonique numérique (techniques d’analyse d’images : cf. le groupe de recherche EPIDAURE à l’INRIA dirigé par Nicholas Ayache, spécialisé dans l’analyse d’images médicales).

Les transferts de technologie peuvent s’appuyer également sur les forces en présence.

Positionnement des forces françaises Sur le segment « imagerie cellulaire et tissulaire »

N.B : Par rapport à la carte tous segments confondus, la taille des pôles n’est pas modifiée. Seuls sont précisés les pôles actifs dans le segment considéré.

Chapitre III Etat des lieux en France - Matériaux


2. Nouveaux matériaux à propriétés optiques (y compris photoactivation d’objets biologiquement actifs)

2.1. Grille technologique 2.1.1. Présentation des technologies et de leurs objectifs

Ce segment porte essentiellement sur la mise au point de nano-émetteurs et biomarqueurs. L’essentiel des applications de ces technologies se trouve dans l’imagerie cellulaire et tissulaire, ainsi que dans les biopuces et les biocapteurs. Ces nouveaux matériaux appartiennent globalement au domaine des nanobiotechnologies. Leur principal intérêt réside dans leur intégration, potentiellement directe, dans les systèmes vivants. Couplés à la microscopie optique classique ou à la spectroscopie, ils deviennent des outils puissants pour les approches in vivo. Aujourd’hui, la biophotonique associée à ces matériaux regroupe essentiellement des technologies liées aux « sondes optiques », fluorescentes ou luminescentes, pour le marquage de molécules d’intérêt biologique (principalement des biomolécules telles que les acides nucléiques, protéines et lipides) ou pour le suivi d’événements biologiques précis (par exemple le suivi par chimiluminescence d’un pic d’ions calcium dans un compartiment cellulaire donné). Les matériaux à propriétés optiques peuvent être classés en deux grandes familles, en fonction de leurs utilisations :

- les particules pour la mise en œuvre de tests (« particle-based assays »). - les nano-émetteurs et biomarqueurs pour des applications in vivo, ex vivo

et in vitro. Particules pour la mise en place de tests (« particle-based assays »)

Dans cette famille, on peut distinguer deux grandes catégories : les tests sans phase de séparation et les tests dits « hétérogènes ». Dans le cas des tests sans phase de séparation, le mélange à tester et les particules sont mélangés, les ligands se fixent sur les particules et la détection s’effectue sans phase de lavage des espèces « non fixées ». Le protocole est donc très simple à mettre en œuvre, peu coûteux et rapide, ce qui est idéal pour des applications à haut débit. Toutefois le facteur limitant reste le bruit de fond, quelquefois élevé. L’interaction spécifique résultante entre une particule donnée et une biomolécule induit un signal, le plus souvent de nature biophotonique : chimiluminescent, fluorescent, ou la simple déviation du faisceau lumineux incident.

© ESPCI



A titre d’exemple, la technologie de « cytométrie de flux », commercialisée par Luminex (Austin, Texas) et Beckton Dickenson (San Jose, Californie), peut d’effectuer plus de 60 « tests » différents en une seule étape. Cette technologie est basée sur l’utilisation de microsphères de 5,5 µm de diamètre. Chaque microsphère est produite en fonction d’une proportion précise de fluorophores rouge et orange, ce qui permet de classer l’ensemble des particules. Un traceur fluorescent vert permet de mesurer la quantité d’analyte ciblé fixé. La réaction est effectuée dans un unique puit de microplaque et aucune phase de rinçage n’est nécessaire. Dans le cas de la seconde catégorie, regroupant les tests dits « hétérogènes », le protocole expérimental s’effectue en deux étapes, la dernière étant la séparation des espèces liées et non liées. Plus complexe à mettre en œuvre et plus lent, sa sensibilité est toutefois meilleure que celle des les tests sans phase de séparation précedemment évoqués. Actueellement, la technique la plus largement appliquée dans la phase de séparation dans ce type de test exploite les propriétés magnétiques des particules utilisées (par exemple de Fe3O4). Dans les deux cas, l’interaction spécifique résultante entre une particule donnée et une biomolécule induit un signal, le plus souvent lumineux : chimiluminescent ou fluorescent.

Nano-émetteurs et biomarqueurs (ou traceurs) Cette famille regroupe les sondes fluorescentes « classiques », telles que celles qui sont commercialisées par Molecular Probes. Parallèlement, on observe un passage progressif à l’utilisation de nanoparticules qui sont constituées soit de semi-conducteurs, les quantums dots, soit de terres rares, d’or ou d’argent et qui utilisent des phénomènes tels que la résonance plasmonique de surface ou les effets Raman.

- Les quantum dots, nanocristaux semi-conducteurs, émettent une couleur précise en fonction de leur taille. Ils peuvent être utilisés après endocytose ou pour marquer des protéines de surface avec des cristaux conjugués à des anticorps. On peut ainsi suivre des cellules tout au long de leur développement comme l’ont montré J.K. Jaiswal et al. dans leur article paru dans Nature Biotechnology en janvier 2003. Leur inconvénient majeur est la difficulté de leur fonctionnalisation (la couche externe est très hydrophobe) et de leur production en masse de manière calibrée. En outre, ils peuvent être toxiques pour la cellule. Une équipe franco-américaine (Benoît Dubertret du Laboratoire d’Optique Physique de l’ESPCI, David J. Norris de l’Université du Minnesota et l’Université Rockefeller) a réussi à encapsuler des micelles de quantum dots pour les rendre solubles et biocompatibles. Ils ont ainsi pu imager in vivo un embryon de grenouille (B. Dubertret et al., 2002, Science 298, p. 1759-1762) En France, Maxime Dahan de l’ENS et Claude Rigneault de l’Institut Fresnel, en collaboration avec l’équipe de Frédéric Chandezon de la DRFM (Grenoble, dans le

Genopole®



cadre de l’action « nanocristaux ») travaillent également sur ce type de nanomarqueurs.

- Les nanoparticules à base de terres rares, sont plus facilement fonctionnalisables et multiplexables ainsi que le montrent les travaux du Laboratoire d’Optique et Biosciences de J.L. Martin à l’Ecole Polytechnique et les applications développées par CIS bio international à partir de la technique HTRF (Homogeneous Time-Resolved Fluorescence) . Ces terres rares ont en outre l’avantage d’être chimiquement inertes, contrairement aux « quantum dots » à base de cadmium ou de sélénium, toxiques pour la cellule.

- Les nanoparticules d’or ou d’argent permettent d’exploiter les propriétés de la résonance plasmonique de surface (SPR). Ce type de technologie permet de réaliser des l’hybridation in situ, des tests immunologiques et de l’immuno-histochimie.

- Les « microcodes barres » de verre, de 20µm d’épaisseur sur 100µm de long, sont constitués de 6 tranches de verre dopé par des ions de terres rares qui fluorescent de couleur différentes lorsqu’ils sont éclairés par une lampe UV. Les 4 terres rares retenues permettent de réaliser 2080 combinaisons de 6 bandes. Leur combinaison permet de réaliser 9 couleurs, donc 265 000 combinaisons de 6 bandes. Chimiquement inertes, ces marqueurs, issus de la recherche Corning, ne sont pas toxiques et n’interfèrent pas avec le marquage fluorescent classique32 .

Pour le marquage intracellulaire, voire subcellulaire, la GFP (Green Fluorescent Protein) et tous ses dérivés, tels que la construction de protéines chimères à base de GFP, représentent aujourd’hui les systèmes les plus utilisés. D’autres systèmes alternatifs de gènes rapporteurs, tels que la luciférase (gène) - luciférine (protéine) – vendu par des sociétés comme Promega, existent mais leur principal inconvénient réside dans leur caractère destructif : aucun suivi de cinétique n’est donc possible. Comme mentionné lors de l’analyse du segment « imagerie cellulaire et tissulaire », les nano-émetteurs et biomarqueurs s’inscrivent également dans le développement du « molecular imaging »33.

2.1.2. Alternatives technologiques

Aujourd’hui le développement des nouveaux matériaux à propriétés optiques est en pleine émergence. Ces nouveaux matériaux permettront d’enrichir d’autres technologies non optiques. Par exemple, dans le secteur de l’imagerie cellulaire et tissulaire appliquée au petit animal (voir tableau ci-dessous), les différentes sondes utilisées (nommées « imaging agents ») répondent à des besoins différents, en résolution, en profondeur ou en temps

32 PNAS, Jan.21. 2003,pp. 389-393 33 Définition : mesure et caractérisation in vivo de processus biologiques à échelle moléculaire ou cellulaire

© CNRS Photothèque Cellules fibroblastes de rat

en culture



d’acquisition, etc. Les technologies biophotoniques associées sont complémentaires de ces technologies non biophotoniques.

Source : Rudin M., Weissleder R., « Molecular Imaging in Drug Discovery and Development », Nature Reviews, février 2003


NanotechnologieMoléculaire

Chimie Biologie

Physique Ingénierie

ProtéinesPolymères

Cellules

InstrumentationSolides,Surfaces

Molécules

Génétique

Communication

ReconnaissancemoléculaireSynthèse

Immobilisation

(Nano)structuration

Optique / Electronique

La nanotechnologie moléculaire : un champ de recherche interdisciplinaire



Développement de nouvelles sondes optiques en cours Le développement de nouvelles sondes optiques concerne plus particulièrement les applications connexes à l’imagerie cellulaire et tissulaire, avec l’utilisation de la fluorescence, de la bioluminescence, de l’infrarouge, de la spectroscopie Raman ou de l’imagerie multiphotonique. Le développements des protéines fluorescentes s’organisent autour de l’élargissement de la gamme des « GFP-like » comme la protéine DsRed (issue du corail), très prometteuse pour le multiplexage, voire meilleure que la GFP34. La recherche de nouvelles protéines fluorescentes peut également se faire par criblage d’organismes marins ou par construction de nouvelles protéines chimères. Pour cette dernière approche, on parle alors d’ingénierie moléculaire, le plus souvent avec modélisation numérique. L’objectif est d’optimiser les caractéristiques biologiques (photostabilité) ou optiques (bandes d’émission plus étroites) pour une utilisation in vivo. Plus récemment, par analogie avec la photochimie et les composés en cages moléculaires (l’irradiation à une lumière de longueur d’onde spécifique restaure l’activité biologique), certaines équipes de recherche mettent au point des systèmes avancés de photoactivation, tels qu’un gène promoteur photoactivable35 ou des GFP conditionnelles36, photoactivables en fonction d’événements biologiques précis et de la lumière. Ces systèmes pourraient apporter une plus grande souplesse de suivi des molécules biologiques en fonction d’un éventuel adressage intracellulaire. Développement de nouveaux types de nanoparticules Dans le domaine des nanoparticules (semi-conducteurs, terres rares, or ou argent), les efforts vont dans le sens d’une meilleure fonctionnalisation : les premiers résultats récents de la société Quantum Dots Corp. en Californie le mette bien en évidence, comme le montre l’utilisation d’un marqueur du cancer du sein sur cellules fixées et vivantes (Nature, décembre 2002). En outre, les nanoparticules peuvent également servir de bases technologiques dans les biopuces et biocapteurs associés, notamment pour des applications diagnostiques. Parallèlement à ces améliorations technologiques incrémentales, quelques découvertes remarquables comme celle de l’équipe du laboratoire « Colloïdes et Nanostructures » de l’ESPCI (Jérôme Bibette ou Jean Baudry) sont à noter. Cette équipe développe des émulsions magnétiques à base de nouvelles particules magnétiques issues d’un procédé d’émulsification contrôlé de ferrofluide organique. Ces particules sont destinées à l’immunodiagnostic, au tri cellulaire, et à la capture biologique en général. Deux axes sont aujourd’hui privilégiés : le premier est l’incorporation des « quantum dots » au sein d’une huile magnétique tout en maintenant la qualité de la fluorescence, de la fragmentation et des

34 Biophotonics International, septembre 2002 35 “A light-switchable gene promoter system”, Sae Shimizu-Sato, Enamul Huq, James M. Tepperman & Peter H. Quail, Nature, Oct. 2002, 20 (10) pp 1041-1044 36 “A Photoactivable GFP for selective photolabelling of proteins and cells”, Patterson GH, Lippincott-Schwartz J, Science, sept. 2002, 297(5588) pp1873-1877

© CNRS Photothèque Neurone en culture



propriétés magnétiques. Le deuxième axe consiste à mettre en oeuvre les propriétés d’auto-assemblage de certains polymères afin d’obtenir des enrobages homogènes et contrôlés. Parallèlement, ces nouvelles particules seront incorporées dans des tests biologiques divers. La physico-chimie mise en oeuvre dans ce projet doit être compatible avec un greffage ultérieur (protéines, anticorps, ADN…). Dans tous les cas, pour des études in vivo et in situ, la problématique de l’internalisation demeure : l’utilisation de protéines spécifiques à l’endocytose ou de virus artificiels pour le détournement de la machinerie cellulaire apparaissent alors comme des solutions. Vers l’auto-assemblage de nanomatériaux Certaines pistes de développement s’orientent également vers l’exploitation des propriétés d’auto-assemblage de certaines molécules, biologiques ou non. L’idée générale est de tendre vers le biomimétisme, comme par exemple la membrane lipidique biologique. Les travaux de A. Freeman du département des sciences de la vie à l’Université de Tel Aviv en Israël illustrent cette tendance. Son objectif est de construire de nouveaux édifices supramoléculaires, aux propriétés nouvelles, à partir d’éléments de base protéiques. D’un point de vue général, les futures pistes de développement s’orientent vers les besoins suivants :

- Des nouveaux matériaux qui permettent d’augmenter considérablement le multiplexage : l’objectif à terme est de visualiser 10 à 20 protéines simultanément dans le même tissu, en temps réel et de manière dynamique. Aujourd’hui, la moyenne se situe à 4. L’objectif final est d’étendre la gamme de ces nouveaux matériaux, par exemple par l’utilisation de nouvelles protéines photoluminescentes dans le proche infrarouge (600-800 nm) avec des solutions plus modulables. Dans le cas de la GFP, lors d’interactions moléculaires, le signal ne varie pas et ne permet donc pas de caractériser le type d’interactions.

- Des systèmes nano-émetteurs beaucoup plus photostables, afin d’éviter des phénomènes tels que le « photobleaching »

- De nouveaux matériaux qui assurent le suivi « d’événements biologiques » in vivo et en temps réel, plus spécialement au niveau des acides nucléiques. Les principales contraintes à prendre en compte se situent au niveau du contrôle de l’adressage cellulaire, voire intracellulaire selon les cas, des barrières physiologiques, du bruit de fond et des paramètres « pharmacocinétiques »

- La mesure qualitative et quantitative des interactions macromoléculaires

D’autres pistes pourraient modifier radicalement l’avenir du segment et être à l’origine de technologies de rupture et, par conséquence, de transferts de technologie :

- Développement de la photonique moléculaire (biophotonique moléculaire) ou des nanomatériaux en général

- Exploitation de phénomènes optiques tels que les effets non linéaires (de tous ordres), la luminescence à un et deux photons, le photochromisme et le thermochromisme, les propriétés linéaires plus classiques



- Adaptation des technologies classiques de la micro-optoélectronique à base de semi-conducteurs non seulement aux molécules organiques mais aussi aux polymères (conducteurs ou non).

Des développements récents sur les polymères soulignent l’importance de ce dernier point :

- Une équipe de chercheurs des Bell Labs, dirigée par Mark Lee, a mis au point un

polymère qui permet d’accélérer considérablement (jusqu’à 200 GHz) le signal dans les fibres optiques37. A terme, ce type de polymère permettrait de réduire drastiquement le coût de fabrication des fibres optiques, avec une moindre consommation d’énergie et une vitesse de transmission vingt fois plus élevée que celle d’aujourd’hui

- L’équipe du Professeur Guillermo Bazan du département de Chimie de l’Université de Californie - Santa Barbara a mis au point un polymère qui permet d’amplifier la fluorescence des sondes par utilisation de complexes d’europium38.

2.1.4. Applications visées

Les matériaux à propriétés optiques trouvent leurs applications dans :

- la recherche pour le suivi d’événements biologiques en temps réel, notamment dans les phénomènes rapides, les interactions entre molécules biologiques (par exemple suivi des vecteurs de thérapie génique), ou l’imagerie du petit animal,

- le domaine biomédical pour le diagnostic (détection précoce des lésions minimales), les interventions et des traitements « effractifs » minimaux guidés par l’image, ou les systèmes automatisés d’acquisition d’images. Dans tous les cas, les contraintes réglementaires et de coûts sont très fortes.

Parallèlement à ces domaines d’applications, ces nouveaux matériaux représentent la base de technologies habilitantes relativement transversales. Ils pourraient ainsi être intégrées à d’autres technologies, biophotoniques ou non. Ce sont les applications à l’imagerie biophotonique en général et aux biopuces qui sont plus particulièrement analysées dans le cadre de cette étude.

2.1.5. Pôles français et franciliens de développement (laboratoires et entreprises) Pôle francilien

- Equipe du Professeur Joseph Zyss, Laboratoire de Photonique Quantique et

Moléculaire (LPQM), ENS Cachan : ingénierie des matériaux pour la photonique. - Laboratoire de Photophysique Moléculaire, Orsay, Equipe de Philippe

Bréchignac (groupe de photobiologie-biophotonique) : caractérisation des différentes étapes de la réactivité de molécules biologiques depuis le domaine de la

37 Broadband Modulation of Light by Using an Electro-Optic Polymer, Mark Lee and al., Science Nov 15 2002: 1401- 1403 38 MIT Technology Review, “Bright Lights, Molecular World”, février 2003



femtoseconde (Femtochimie) au développement de nouvelles instrumentations d’imagerie au service du diagnostic et de la thérapie (Biophotonique) en passant par l’élaboration de nanostructures pour l’exaltation du signal optique et destinées à augmenter la sensibilité des systèmes biologiques (Nanotechnologie). Ce dernier point est illustré par la thématique « Développement et application de nouveaux supports exaltateurs de fluorescence pour différentes applications biomédicales ». L’observation de molécules biologiques par des mesures de fluorescence est très largement répandue. Les biopuces utilisent cette technique pour visualiser rapidement et simplement l’expression des gènes d’un génome complet. La faiblesse du signal de fluorescence impose de disposer des quantités importantes d’ADN qui sont rédhibitoires pour certaines applications (embryologie, diagnostic médical,…). La possibilité d’analyser des échantillons contenant peu d’ADN revêt donc une importance considérable et représente un enjeu majeur. En collaboration avec une équipe du Laboratoire de Minéralogie et Cristallographie de Paris (Paris 7), le Laboratoire de Photophysique Moléculaire développe un projet permettant de lever ce verrou technologique en exaltant la fluorescence à l’aide de substrats nanostructurés. Ce projet bénéficie du financement de deux actions spécifiques du CNRS. Ces nouveaux supports d’échantillons permettent d’exalter la fluorescence des chromophores (ADN, cellules etc...) d’au moins un ordre de grandeur et ainsi de pouvoir utiliser de plus faibles concentration de molécules. Développé à partir de lames de microscopes classiques, ce nouveau type de support est directement utilisable sur tous les dispositifs expérimentaux existants.

- Plateforme de microscopie cellulaire et de cytométrie de flux (fait partie de la

plateforme globale de l’IFR 87), Institut des Sciences du Végétal, Gif-sur-Yvette, Equipe de Spencer Brown : microscopie confocale, utilisation avancée de la GFP et de ses dérivés.

- Laboratoire Kastler Brossel, Département de physique, ENS (Maxime Dahan) :

photophysique des nanocristaux semi-conducteurs, en collaboration avec X. Brokmann, E. Giacobino, J.P. Hermier, I. Nabiev (Université de Reims), O. Duval (Université d’Angers) et le CEA Grenoble.

- Laboratoire d’Optique et Biosciences, Ecole Polytechnique / CNRS / INSERM,


- Laboratoire Francis Perrin, équipe « Photo-physicochimie en phase condensée » ,

dirigée par Dimitra Markovitsi, CEA Saclay : processus photo-induits dans l’ADN, processus de relaxation ultrarapides de grandes molécules en solution, processus photo-induits dans des systèmes moléculaires organisés.

- Laboratoire d’Optique Physique de l’UPR A0005 (ESPCI-UPMC), dirigé par

Claude Boccara : quantum dots encapsulés dans des micelles de phospholipides (travaux de Benoît Dubertret).




Bordeaux

- Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, CNRS, Université Bordeaux I :

- Groupe de recherche « Matériaux pour la luminescence et l’optique non linéaire » : optique non linéaire (Gilles Le Flem), matériaux luminescents (Claude Fouassier).

- Groupe de recherche « Sciences Moléculaires » (Daniel Chasseau) : photophysique moléculaire et luminescence, matériaux moléculaires à propriétés optiques non linéaires d’ordre 2 et 3, optique non linéaire d’états excités de composés organiques, molécules fluorescentes pour la détection optique.

- Groupe de recherche « Matériaux hybrides » (Josik Portier et Guy Campet) : encapsulation de particules minérales et biologiques dans des matrices inorganiques et polymères, nanomatériaux magnétiques pour les biotechnologies, matériaux électrochromes, nanoparticules à vocation diagnostique et thérapeutique.

Grenoble - Laboratoire de Spectrométrie Physique (LSP) – CNRS UMR 5588 – Université

Joseph Fourier (Grenoble) : physique moléculaire, optique et applications (notamment Spectrophotométrie des milieux diffusants, appliquée à l’étude du cerveau et des interactions moléculaires sur cellules vivantes) : utilisation de l’optique pour la caractérisation d’objets biologiques. Projet NSOM – Microscopie optique en champ proche (en collaboration avec le Laboratoire d’Etudes des Propriétés Electroniques des Solides – LEPES, Grenoble) et Projet « SoLuNa » : développement d’une source de lumière de taille nanométrique, manipulable à l’échelle macroscopique, en greffant un nanocristal de semi-conducteur II-VI fluorescent à température ambiante à l’extrémité d’une pointe de microscope optique en champ proche.

- Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée, CEA

Grenoble : thématique « Nanocristaux Fluorescents de Semiconducteurs II-VI » qui regroupe les compétences d’un laboratoire de physico-chimie (Laboratoire de Physique des Métaux Synthétiques, UMR 5819-SprAM, CEA-CNRS-UJF), chargé de la synthèse, d’un laboratoire de spectroscopie des semi-conducteurs (Laboratoire de Physique des Semiconducteurs), chargé de la caractérisation optique, et d’un laboratoire de biochimie (Laboratoire Electrochimie Moléculaire et Structure des Interfaces), chargé du greffage de ces particules sur des molécules biologiques. Quelques autres collaborations viennent compléter les différentes expertises : le Laboratoire de Spectrométrie Physique à Grenoble, l’ENS à Lyon et Paris et l’Institut Fresnel à Marseille.

Lyon - Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents (LPCML), UMR

5620 du CNRS – Université Claude Bernard Lyon I (Villeurbanne) - Matériaux laser (élaboration, photoluminescence et dynamique des états excités

des ions de transition et des ions terres rares), matériaux scintillateurs et luminophores (élaboration, caractérisation optique et mécanismes d’excitation



haute énergie), guides d’ondes optiques actifs, verres et nanostructures (optique des nanomatériaux et géomatériaux), Formation, élaboration de nanomatériaux et cristaux.

- Coordinateur du réseau NanOptec de Lyon au sein du Centre de Nano-optique et photonique (avec l’Ecole Centrale de Lyon, l’INSA de Lyon, l’ENS de Lyon et l’Université de St Etienne). Les thématiques de recherche ont deux approches complémentaires : l’élaboration et la caractérisation de systèmes à l’échelle nanométrique, avec en exergue leurs propriétés optiques, et le développement de nanotechnologies et composants photoniques innovants. Les applications sont notamment orientées vers les nanotechnologies et les microtechnologies appliquées à la bio-ingénierie : caractérisation électro-optiques de biocapteurs, biocapteurs électro-optiques miniaturisés (Laboratoire de Génie Enzymatique, UCBL), biocapteurs (IFOS/LEOM) et puces à ADN.

Marseille - Institut Fresnel – CNRS UMR 6133 - Ecole Nationale Supérieure de Physique de

Marseille, Université d’Aix Marseille III et Université de Provence (Marseille) : - Composants Optiques Microstructurés pour la biophotonique (notamment

fluorescence pour la détection de molécules uniques pour les tests immunologiques, la génomique et la protéomique : applications dans l’étude de la diffusion de molécules biologiques (lipides ou protéines) dans la cellule vivante et la membrane en particulier; et dans la détection dans des systèmes microfluidiques).

- Collaboration entre l’équipe d’Hervé Rigneault et celle de Frédéric Chandezon du CEA Grenoble (Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée – DRFMC) dans le cadre de l’action « Nanocristaux » (nanocristaux semi-conducteurs fluorescents).

- Future création d’un pôle de biophotonique en collaboration avec le Centre d’immunologie de Marseille-Luminy.

Rennes - Equipe Photonique Moléculaire, UMR 6510 « Synthèse et ElectroSynthèse

Organique » (SESO), Université de Rennes I , dirigée par Mireille Blanchard-Desce : mise au point de nanosondes, fluorescentes multiphotons ou avec génération de seconde harmonique, pour des applications à l’imagerie cellulaire. Travaille en collaboration avec l’équipe de Jérôme Mertz à l’ESPCI sur l’instrumentation en imagerie et l’optique non linéaire.

Rouen - Laboratoire Signaux et Régulations chez les Végétaux, dirigé par Loïc Faye :

utilisation avancée de la GFP et de ses dérivés en biologie végétale.

Strasbourg - Laboratoire des Systèmes Photoniques, Université Louis Pasteur de Strasbourg,

équipe de Patrick Meyrueis : « mémoires térabit sur protéine », « puces et composants opto-électroniques ou photoniques pour détection de protéine ».



Toulouse

- Laboratoire de synthèse et physico-chimie de molécules d’intérêt biologique, Université Paul Sabatier, Toulouse : développement de biomarqueurs luminescents.

La recherche sur les nanomatériaux est une discipline jeune qui commence tout juste à se structurer. Le développement des nouveaux matériaux à propriétés optiques est englobé dans cette émergence. Cette structuration s’est concrétisée en février 2002, sous l’égide du Ministère de l’Industrie, dans une initiative du CEA appelée Nirv@na, « Nouvelle initiative de recherche pour la valorisation des architectures nanostructurées et adaptatives »; prrésidée par Frédéric Schuster du CEA. Son objectif est d’organiser la recherche « matériaux » sur l’un des thèmes générateurs de ruptures, les matériaux nanostructurés. Il s’agit d’acquérir la maîtrise technologique et industrielle : de la nano-fonctionnalisation, de la nanostructuration et de la nanoréactivité afin de concevoir de nouveaux produits issus de technologies industrielles conventionnelles mais optimisées et de nouveaux procédés de nanofabrication39. La biophotonique pourrait ainsi profiter de cet élan. Aujourd’hui, en collaboration avec le CNRS et d’autres partenaires universitaires ou industriels, le CEA a commencé à tisser un réseau français pour le développement des nanomatériaux. Ce réseau est aussi destiné à s’étendre et à développer des partenariats à l’international. Le Canada est déjà intégré à l’initiative Nirv@na, au travers d’accords entre le Ministère de l’Industrie français et le Ministère des Affaires Etrangères canadien.

39 Source : Association ECRIN



Entreprises - CIS bio international (Bagnols-sur-Cèze, Gard; filiale de Schering) : utilisation de

cryptates de terres rares (europium) pour le criblage des interactions biomoléculaires par FRET in vitro. Des applications in vivo sont en cours de développement. Ces produits sont le résultat de travaux sur les chélates de terres rares, réalisés par Jean-Marie Lehn et Gérard Mathis et de la mise au point consécutive d’un nouveau procédé : l’analyse en phase homogène liquide, HTRF (Homogeneous Time Resolved Fluorescence). Le principe est dérivé de l’analyse immunométrique à deux sites. Une molécule est identifiée à l’aide de deux anticorps monoclonaux; l’un est couplé à un donneur de fluorescence, l’autre à un accepteur. Lorsque la distance entre les deux est optimale, il y a émission d’un signal proportionnel au nombre de complexes immuns formés.

- Genewave (Genopole® Evry) : développement de nouveaux matériaux à propriétés

optiques (optique quantique, microcavités, cristaux photoniques, fluorescence) pour les biopuces.

- Mauna Kea Technologies (Paris) : conception et réalisation d’instruments pour

l’imagerie cellulaire in vivo pour permettre un diagnostic précoce de pathologies majeures telles que le cancer, les maladies cardio-vasculaires ou certaines pathologies de la rétine.

2.1.6. Partenaires à l’échelon international : quelques centres ou équipes de recherche de premier plan

- Equipe de Roger Chen de l’Université de Californie / San Diego : spécialiste des

GFP.

- Equipe de Roger Tsien (La Jolla, Californie) : très fort dans le domaine des GFPs et développement des « sondes caméléons » et fluorescentes.

- Equipe de Dan Feldheim (Analytical and Materials Chemistry, North Carolina State

University) : développement de nanoparticules d’or multifonctionnelles pour la détection biomoléculaire et la “délivrance” intracellulaire.

- Equipe de Chad A. Mirkin (Department of Chemistry, Northwestern University,

Illinois) : développement de différents types de nanoparticules ; thématiques de recherche : “Solution Assembly of DNA-Functionalized Nanoparticles”, “Fundamental Properties of Nanoparticle Assemblies”, “New Nanoparticle Compositions and Shapes”, “Nanoparticle Strategies for DNA Sequence Detection”.

- Equipe de Moungi Bawendi (MIT) : études plus fondamentales sur les nanocristaux

semi-conducteurs. - Equipe de Paul Alivisatos (UC Berkeley et Lawrence Berkeley National Laboratory) :

développement de quantum dots à applications biologiques ; thématiques de recherche : « Nanocrystal/polymer composites for light emitting diodes and photovoltaics », « Nanocrystal/antibody conjugates as biological tag molecules »



(avec Shimon Weiss), « DNA directed assembly of nanocrystal patterns » (avec Peter Schultz du Genomics Institute of the Novartis Research Foundation), « Nanocrystal photo-catalysis ».

- Equipe de Shimon Weiss (Chemistry Department, University of California – Los

Angeles) : développement de quantum dots à applications biologiques. S. Weiss a déposé un des brevets fondateurs de la technologies des quantum dots pour des applications biologiques, biochimiques et biomédicales.

- Equipe de Shuming Nie (Chemistry Department, University of Indiana) :

développement de quantum dots regroupés au sein de billes de latex, afin de fournir une « empreinte spectrale » de molécules biologiques, telles que l’ADN ou les protéines.

- Groupe de recherche « Nanostructured Functional Elements in Macroscopic

systems » (Professeur Dr. Karl Leo), Université technique de Dresde, Allemagne : par exemple, “Optical nanostructuring with new polymers”, “Synthesis of photo switchable functional elements and their self-organisation in the scale of nanoscopic objects”, “Photo-switchable self-assembled organic layers”, “Structural modelling of photo-switchable supramolecular functional elements and relevant nanoscopic mono-layers on gold surfaces”.

- Groupe de recherche sur les capteurs (Professeur Gerald A. Urban), Institut des

Microtechnologies, Université de Freiburg : développement de nanocristaux luminescents (semi-conducteurs de type CdSe) pour les sciences de la vie.

2.2. Grille de marché : analyse par matrice de Porter Perspectives de marché pour les nouveaux matériaux à propriétés optiques Ce domaine, en forte croissance, est occupé par quelques équipes de recherche et peut rapidement être valorisé sur le marché du « photon engineering ». Le développement de nouveaux matériaux à propriétés optiques sert plusieurs types de marché, d’où une certaine difficulté à l’estimer. Plusieurs tendances ou indices forts laissent présager un considérable potentiel. Ces nouveaux matériaux font partie des nanomatériaux, segment qui représentera la plus grande part des applications des nanotechnologies, en termes de perspectives de marché à 10 ans40. Ce marché sera de plus largement stimulé par la nécessité de passer au haut débit dans les analyses protéomiques, et en protéomique fonctionnelle de façon plus générale41. Exemples de marché permettant de dimensionner ce segment :

40 Petit déjeuner de presse « Les nanomatériaux au CEA », mars 2003 41 Rapport annuel 2001 Amersham plc



� Les technologies d’imagerie et de sondes pour les essais cellulaires (identification,

caractérisation, localisation et interactions entre molécules intracellulaires) ont représenté 300 millions de dollars en 2002 et sont estimées à 500 millions de dollars en 2007. La technologie GFP représente 75 % des parts de marché et devrait rester prépondérante au moins jusqu’en 2007 avec un marché de 324 millions de dollars42.

� Le marché mondial du diagnostic in vitro est aujourd’hui estimé à environ 20 milliards d’euros43. � Le marché des nanoparticules est estimé à 900,1 millions de dollars en 2005, avec une croissance moyenne annuelle de 12,8%44. Il concerne non seulement des applications en biotechnologies mais aussi dans le domaine du stockage des données ou de l’énergie, de la microélectronique etc. � Certains de ces nouveaux matériaux peuvent être dans les réactifs de laboratoire. Ce marché est estimé à 5,7 milliards de dollars en 2001 pour le monde, dont 70% sont des réactifs

commerciaux, soit 4 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel moyen de 15,7%. Dans ces conditions, le marché mondial est estimé à 5,3 milliards de dollars en 200545. L’exemple suivant permet d’en donner une dimension plus précise.

Exemple du marché des réactifs de biologie moléculaire par segment46 2.2.1. Concurrents du secteur : rivalité entre firmes existantes

42 Front Line Strategic Consulting Inc., 2002 43 Communiqué de presse du 6 janvier 2003 de Nanosphere Inc. (Etats-Unis) 44 Business Communications Co., Inc, rapport NANOPARTICLES 2002 45 « US Life Science Tools », Deutsche Bank Securities Inc., avril 2002 46 « US Life Science Tools », Deutsche Bank Securities Inc., avril 2002

Un marché encore difficile à cerner :

- 500 millions de dollars en 2007 pour les sondes moléculaires,

- 900 millions de dollars en 2005 pour les nanoparticules.



Les 2/3 du marché des technologies d’essais cellulaires (dominées par les « GFP-like »), sont occupés par PerkinElmer, Amersham Pharmacia (spécialiste des GFP qui développe des solutions spécifiques pour la recherche pharmaceutique), et PanVera LLC (filiale de Vertex Pharmaceuticals récemment rachetée par Invitrogen Corp., en février 2003 ; issue de la fusion entre Aurora Biosciences et PanVera Corp.). Quelques acteurs sont également très innovants, par exemple :

- BD Biosciences Clontech : GFP et dérivés. - Evident Technologies Inc. : développement de biopuces à base de quantum

dots, notamment pour la détection d’organismes pathogènes. - Genicon Sciences : mise au point de la technologie de détection fondée sur des

nanoparticules (colloïdales d’or) “Resonance Light Scattering” (RLS). - Molecular Probes : leader du marché des sondes fluorescentes « classiques ». - Nanosphere, Inc. : développement de nanoparticules, en or. A noter que la

technologie des nanoparticules sondes développée permet d’éliminer la phase d’amplification par PCR.

- Nanosys : mise au point de « multicolor nanowire LED » et de quantum dots. - Promega Corp. : développement de particules magnétiques : “Automated high

throughput purification of genomic DNA from whole blood using Promega’s MagneSil paramagnetic particles with either maximum yield of DNA IQ normalized purification methods”.

- Quantum dots Corp. : développement et commercialisation de nanocristaux

semi-conducteurs pour des applications en biologie (quantum dots). - Xenogen Corp. : Développement de technologiques biophotoniques, à partir de

la luciférase obtenue in vivo par la mise au point de lignées cellulaires bioluminescentes, de micro-organismes ou d’animaux transgéniques bioluminescents, pour les applications de découverte et développement de nouveaux médicaments.

Malgré quelques leaders, le marché reste très fragmenté, en fonction des technologies proposées et des applications correspondantes. Des niches marchés existent encore.

2.2.2. Entrants potentiels : menace de nouveaux entrants Sur les matériaux à propriétés optiques « classiques », tels que les fluorophores ou la GFP, les brevets possédés par quelques grands groupes, bloquent complètement l’arrivée de nouveaux concurrents. Toutefois, pour les nouveaux matériaux à propriétés optiques, la part de recherche et développement est aujourd’hui forte. Dans ce contexte, une innovation de rupture peut créer et occuper le marché assez rapidement. Ce marché est très dynamique.



Les développements mis en oeuvre sont relativement rapides et relativement à faible coût. L’une des principales phases critiques se situe au niveau du changement d’échelle de production, du stade laboratoire au dévelopement industriel. Ce segment se caractérise par un rythme d’innovations soutenu. L’acquisition de start-up innovantes pourrait consolidation ce secteur47. Enfin, un savoir-faire supplémentaire est indispensable pour accéder au marché des applications biomédicales : la mise en place de phase de validation réglementaire. Cette dépendance peut ralentir l’arrivée sur le marché.

2.2.3. Substituts : menace de produits de substitution Aucune réelle menace quant à l’utilisation de marqueurs du vivant n’a été identifiée. D’un point de vue biophotonique, comme déjà présenté dans l’évaluation technologique, ces nouveaux matériaux devraient permettre d’enrichir d’autres technologies non optiques. Ils sont plutôt complémentaires d’autres technologies.

2.2.4. Pouvoir de négociations des fournisseurs A priori, afin d’évaluer au mieux ce pouvoir de négociation, il est préférable de traiter les situations au cas par cas, en fonction des matériaux utilisés.

2.2.5. Pouvoir de négociation des clients / distributeurs Cette force de marché peut s’exprimer en termes de dépendance éventuelle de distributeurs afin d’inonder rapidement le marché et d’atteindre facilement un pool important de clients. La nécessité de produire du volume peut s’avérer importante en raison du coût peu prohibitif de ces produits à l’unité.

2.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie

A la lumière des entretiens avec les experts, les principaux facteurs de succès sont :

- La maîtrise de la mise au point de systèmes multifonctionnels : mise en œuvre au sein du même système de propriétés optiques de natures différentes telles que l’aptitude à la luminescence ou aux effets non linéaires. De telles associations de propriétés dépassent en général leur juxtaposition et peuvent aboutir à de nouvelles propriétés conjointes inédites

- Une approche pluridisciplinaire, notamment avec modélisation numérique. Il s’agit

aujourd’hui de favoriser la mise en œuvre de l’interdisciplinarité. La prise de conscience et les incitations existent mais les structures de recherche freinent encore la

47 « US Life Science Tools », Deutsche Bank Securities Inc., avril 2002



mise en œuvre de telles actions. Cette interdisciplinarité pourrait prendre en compte le triplet biologie moléculaire - chimie - développement technologique.

Chimie

Développementtechnologique

Biologiemoléculaire

Imagerie

- Une coopération nécessaire avec des chimistes, aux différentes échelles, que sont la

molécule, les agrégats et les assemblages nanométriques (dendrimères, nanotubes, nanosphères fonctionnelles). Les progrès de l’ingénierie moléculaire ciblée devraient également permettre le mise au point de nouveaux matériaux. Le développement de ces matériaux dépend étroitement de la maîtrise des voies de leur synthèse et des techniques de purification associées.

- Une focalisation sur la robustesse des tests (« assays ») d’un point de vue

technologique et ce bien avant le passage à la phase industrielle dans le cadre d’un transfert de technologie.




Positionnement des forces françaises Sur le segment « Nouveaux matériaux à propriétés optiques »


Chapitre III Etat des lieux en France - Biopuces


3. Biopuces, biocapteurs et technologies associées

3.1. Grille technologique Le marché des biopuces et des biocapteurs est intrinsèquement hétérogène : les puces à ADN et à protéines sont déjà présentes sur le marché mais des innovations de rupture sont encore envisageables, à travers une nouvelle génération de biopuces qui utilisent des technologies alternatives telles que la résonance plasmonique de surface ou d’autres effets de surface. Les premiers laboratoires sur puce appliqués au diagnostic seront commercialisées d’ici trois ans alors que les premières puces à cellules ne devraient pas apparaître sur le marché avant dix ans. C’est sans doute aujourd’hui l’un des secteurs les plus innovants et les plus attracteurs pour l’investissement comme le montre les fonds considérables alloués aux Etats-Unis au programme « National Nanotechnology Initiative ». Ces nouvelles approches tendent de plus en plus vers le « massivement parallèle » et vers la « portabilité » (mesure immédiate sur le terrain). Ces technologies peuvent également être aplliquées à la détection de molécules ou de cellules uniques. Parmi les applications les plus porteuses, de cette thématique, figurent la mise au point de tests biologiques pour la découverte de nouveaux médicaments et les systèmes de criblage moléculaire à moyen et haut débit. On parle même aujourd’hui de micro-haut débit (µHTS). Les tests sur cellules uniques pourraient ainsi être utilisés pour le suivi de la transfection de gènes. La plateforme « Acumen » développée Christine Pernelle chez Aventis illustre bien ces tendance. Ses thematiques de recherche portent sur les tests en phase homogène à l’équilibre en solution sur des membranes brutes pour préparer la miniaturisation, sur l’utilisation d’une excitation laser et sur l’enrichissement en données issues de tests biochimiques et cellulaires. 3.1.1. Présentation des technologies et de leurs objectifs

Apparues dans les années 90, les biopuces sont des microsystèmes dédiés à l’analyse biologique Ces technologies sont nées de la convergence de compétences en biologie, en microélectronique et en modélisation. Grâce à la miniaturisation et à l’automatisation, elles sont peu coûteuses, rapides et consomment peu de réactifs. Ces technologies permettent, sur une surface de quelques centimètres carrés de réaliser en quelques heures les expériences qui nécessitaient plusieurs mois de travail auparavant. Elles ont donc entrainé un gain considérable de productivité de la recherche en biologie. Elles tendent ainsi de plus en plus vers le massivement parallèle, pour le criblage (screening), la découverte et la surveillance (monitoring) de molécules biologiques et de cellules. Sous le terme générique de biopuces, on trouve deux grandes familles :

©Université de Delaware



- les « bio-arrays » qui regroupent les puces à ADN ou ARN, les puces à protéines, les puces à cellules ou « Cell-On-Chip ». et les « puces à tissus » en plein développement

- les laboratoires sur puce ou « Lab-On-a-Chip », compacts, portables et autonomes.

Elles représentent donc une large gamme de technologies. La description technologique, ci-après, portera essentiellement sur les technologies biophotoniques. Dans les biopuces, l’optique intervient à deux niveaux :

- au niveau de la conception des biopuces en elles-mêmes : conception et réalisation de nouvelles architectures, intégrant notamment plusieurs couches, avec circuiterie photonique intégrée, microélectronique et optoélectronique et,

- au niveau de la détection des bioanalytes. Aujourd’hui, pour l’ensemble des biopuces et le marquage de molécules uniques, les technologies basées sur la fluorescences, telles que la spectroscopie de fluorescence en temps résolu (FRT) ou la « Total Internal Reflectance Fluorescence » (TIRF), sont les plus utilisées pour la détection Autre technologie de détection optique, la résonance plasmonique de surface (SPR), est commercialisée depuis le début des années 90 par Biacore, rejoint depuis par Texas Instruments, Affinity Sensors, HTS Biosystems ou Xantec. Cette technologie est passée depuis peu au format matriciel (matrice de ligands). Depuis 2000, d’autres techniques sont apparues dans le domaine des biocapteurs telles que les guides d’ondes planaire (Zeptosens, Suisse) ou les miroirs résonants (Unaxis Optics, Suisse). Ces techniques pourraient être exploitées avantageusement dans des biopuces. Enfin, en aval de la détection, la bioinformatique et l’analyse d’images sont aussi des facteurs-clé de succès pour la mise au point des lecteurs de biopuces.

Puces à ADN - Produits déjà commercialisés et améliorations en cours Les puces à ADN sont aujourd’hui les systèmes les plus répandus. Des molécules d’ADN, susceptibles de s’apparier à des brins complémentaires d’ADN dans une solution biologique, sont greffées à leur surface. Elles permettent de visualiser rapidement des différences d’expression entre les gènes du génome complet d’un organisme. Sur une seule puce, l’ensemble du génome humain peut être analysé en une seule étape. On peut ainsi identifier de nouvelles cibles thérapeutiques, diagnostiquer des maladies ou faire de la toxicogénomique (étude génétique individuelle de l’influence des facteurs environnementaux comme les médicaments ou les polluants). Les différentes technologies de puces à ADN sont classiquement présentées de la façon suivante 48:

48 Présentation faite par Apibio en novembre 2002 au MINEFI dans le cadre de l’étude « biocapteurs et biopuces »



- Faible complexité : de 100 à 1 000 sondes, pour l’analyse dédiée et le diagnostic. Ce sont les puces « actives » (synthèse ex situ et contrôle des oligonucléotides). Nanogen, Motorola, Amersham et Apibio sont sur ce marché.

- Moyenne complexité : de 1 000 à 10 000 sondes, pour les profils d’expression de

gènes pour les « microarrays », tels que ceux produits par Synteni et Stanford. - Forte complexité : plus de 100 000 sondes, pour l’analyse globale du

polymorphisme et le séquençage par synthèse in situ d’oligonucléotides, technologie développée par Affymetrix.

Puces à protéines - Produits déjà commercialisés et améliorations en cours

Les puces à protéines sont une des technologies-clés pour le passage à la génomique fonctionnelle par criblage des interactions protéine - protéine ou protéine - acide nucléique. Le technologie des puces à protéines se rapprochent de celles des puces à ADN, bien que les protéines soient nettement plus complexes en raison de leur structure tertiaire voire quaternaire et ne permettent pas d’amplification, comme les acides nucléiques par PCR. Les technologies suivantes entrent dans le champ de biophotonique : la mesure de fluorescence classique par interaction d’un protéome marqué avec des puces à anticorps, la SPR, ou la MCS (Multipole Coupled Spectroscopy).

Laboratoires sur puces - Premiers produits dans 3 à 5 ans Les récents progrès de la miniaturisation des dispositifs photonique et microélectronique permettent d’envisager d’intégrer des fonctionnalités d’analyse biologique sur une puce (lab-on-a-chip). Déjà les analyses de sang dans les laboratoires d’analyse médicale sont faites à partir de mesures de dispersion laser mais dans des dispositifs macroscopiques. Il est désormais possible, comme le montrent les prototypes réalisés, d’élaborer des puces à partir de substrats divers, tels que le silicium, comprenant un ensemble systèmes photoniques, guides d’onde, transducteurs, détecteur de sources, modulateurs de front d’onde, commutateurs, etc. intégrés de façon optimisée. Le rôle de cet ensemble est d’implémenter les fonctions d’un laboratoire d’analyse biologique, jusqu’à présent supportées par une série d’instruments discrets, dans un seul module miniaturisé, une puce. La microphotonique va donc jouer un rôle de plus en plus important dans ces systèmes. Les technologies biophotoniques utilisées varient énormément selon les applications. Il en va ainsi des détecteurs d’anticorps qui sont constitués d’un microguide d’onde photonique encapsulé dans un substrat de verre. Une des paroi de ce guide est constituée d’une couche de protéines. Les protéines sont choisies pour réagir à la présence d’un anticorps spécifique. Lorsque l’anticorps est présent, les couches de protéines vont réagissent avec lui. Ces réactions se traduisent par des modifications des paramètres d’interactions de la lumière avec les protéines (modifications d’indice par exemple) qui sont liées par une fonction simple à la distribution d’anticorps. Cette modulation

© BIOMIS ENS Cachan

Antenne de Bretagne



d’indice module la propagation de la lumière dans le guide d’onde qui est ensuite détectée à sa sortie et convertie, après étalonnage, en taux d’anticorps. Globalement, aujourd’hui, la lumière intervient dans la lecture optique des résultats de séparation des molécules par électrophorèse ou chromatographie ou dans la vérification de l’efficacité des réactions biochimiques (dénaturation d’ADN, PCR etc.). Les systèmes actuels privilégient l’utilisation de marqueurs fluorophores, avec excitation et émission dans le proche UV ou le visible, ou la fluorescence et l’absorption propres des molécules biologiques dans le domaine de l’UV49.

Puces à cellules - Premiers produits dans 10 ans Les puces à cellules sont des microsystèmes qui hébergent des cellules vivantes entières. Elles sont destinées à analyser et manipuler de manière individualisée des cellules vivantes dont la taille ne dépasse pas quelques dizaines de microns. Ce type de puces se situe aujourd’hui entre le concept et le prototype. Il permettra de se rapprocher des conditions in vivo, toujours sur le principe de méthodes différentielles, par comparaison avec des populations cellulaires. Un exemple d’application sera le criblage de cellules transfectées. La productivité de la recherche en biologie en sera alors considérablement augmentée.

Puces à tissus – Premières applications en début de commercialisation

La commercialisation des puces à tissus a débuté notamment en oncologie, pour assister l’anatomo-pathologiste50. Ce type de puce résulte d’une simple transposition des puces à ADN. Chaque « spot » est un fragment de tissu. Plusieurs types de configuration existent : une puce peut contenir des échantillons de tous les organes d’un même animal, ou une large « gamme » de biopsies de cancers types avec des « spots » de tissus sains, ou un échantillon d’un seul type de tissu de souris « knockout », ou même des échantillons de cellules de culture particulières.

Détection de molécules ou de cellules uniques Parmi les technologies fluorescentes, les solutions assurant le multiplexing sont favorisées. Actuellement, la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FSC) semble la plus intéressante pour la détection de molécules uniques utilise.

Des biocapteurs aux biopuces

49 Présentation « Intégration optique dans les lab-on-a-chip pour le diagnostic médical », S.K. Krawczyck et R.C. Blanchet, LEOM, UMR CNRS/Ecole Centrale de Lyon n°5512, Quatrème colloque « Diagnostic et imagerie optiques en médecine », mai 2002, Paris 50 « Tissue microarrays : advancing clinical genomics », J.M. Perkel, The Scientist, Vol. 16, Issue 21, oct. 2002

©CEA Grenoble Cellules confinées dans une puce

MICAM™ 8100



Les biocapteurs se caractérisent par une liaison physique directe entre les biomolécules de reconnaissance immobilisées et un transducteur de signal. Cette définition n’est aujourd’hui plus tellement valable en raison de nouveaux développements dans ce domaine :

- La mise au point de molécules de reconnaissance capables de mimer des effets biologiques a permis un élargissement des systèmes classiques reposant sur des enzymes et des anticorps. La distinction entre capteurs chimiques et récepteurs entièrement synthétiques a donc perdu de sa pertinence.

- Les technologies utilisant le silicium ont fait d’importants progrès et rendu quasiment obsolètes les distinctions entre configurations de capteurs et microanalyseurs tout en un. En effet, le critère de la liaison directe entre molécule de reconnaissance et transducteur de signal, est valable dans les deux cas.

Le principal champ d’application des biocapteurs est actuellement le dosage du glucose sanguin. Tous les leaders du marché proposent des appareils permettant aux patients de surveiller eux-mêmes leur taux de glycémie (Laboratoires Abbott, Bayer, Roche Diagnostics, Thera Sense, Cygnus Inc.). Il est probable que des appareils de mesure au format de poche, étalonnables, offrent sous peu une réelle alternative aux capteurs à usage unique qui ne le sont pas. Deux configurations d’immunocapteurs sont utilisées pour les dosages de routine :

- les tests immunochromatographiques en bandes permettant de détecter des substances de bas poids moléculaire telles que les hormones ; les drogues ou les stupéfiants et leurs métabolites,

- les capteurs optiques sans marqueurs, comme ceux qui utilisent la résonance plasmonique de surface, ou d’autres types d’ondes évanescentes, pour caractériser les interactions spécifiques entre macromolécules. Ces techniques sont principalement appliquées au criblage de protéines de liaison et des les ligands tels que les anticorps.

Les biocapteurs se sont complètement intégrés dans les technologies de biopuces.

Technologies de biocapteurs et détection en temps réel51 Les délais de détection des microbes pathogènes par les méthodes classiques d’enrichissement et de culture peuvent atteindre une semaine. Une revue sur les biocapteurs mis au point au cours des dernières années pour cette détection en temps réel dans l’eau et les aliments a été publiée par P. Leonard et al., Enzyme and Microbial Technology, 32 (janv. 2003), p. 3–13. Ces instruments sont en plein essor en raison des efforts américains pour détecter les agents de guerre bactériologique. Cete revue traite des capteurs et des transducteurs utilisés comme les capteurs ampérométriques, potentiométriques et à ondes acoustiques ainsi que ce que l’on appelle résonance de plasmon de surface (surface plasmon resonance, SPR). Ces capteurs sont généralement basés sur des anticorps fixés sur une surface dont la charge par leur antigène (agent pathogène ou un de ses constituants) modifie une propriété physique du support que l’on détecte par les méthodes évoquées plus haut. La SPR consiste à illuminer une surface métallique par une lumière polarisée. Une couche d’or supporte les anticorps en milieu aqueux. Cette plaque repose sur une lame de verre. La surface est illuminée par-dessous et la résonance de la lumière qui traverse la bicouche à constantes diélectriques différentes est captée. La résonance est obtenue en variant la longueur d’onde de l’illumination avec un angle d’incidence fixe, ou l’inverse, et donne lieu à la formation de ce que l’on appelle une onde évanescente dont l’amplitude est mesurée. La charge des anticorps par l’antigène correspondant va

51 Extrait du Bulletin des Biotechnologies INRA de mars 2003



modifier l’indice du milieu aqueux et donc modifier le signal. Cette technique présente des limitations qui résident surtout dans le coût et la sensibilité. La température est un facteur important qui doit être bien contrôlé. La revue fait le tour des appareils commercialisés et de leur principe. Les biocapteurs à onde acoustique peuvent être résumés par un exemple, celui d’un cristal vibrant avec sa fréquence propre, mais dont la fréquence est modifiée quand une face est chargée avec une substance biologique. On distingue les appareils à onde acoustique dans la masse, avec des électrodes situées de part et d’autre de la lame vibrante, et ceux de surface où l’onde court seulement sur une face du cristal piézoélectrique où sont posées les deux électrodes. On peut, dans ce cas détecter des séquences d’ADN avec des sondes de capture de 25 pb au lieu d’anticorps. Les difficultés résultent, un peu comme dans le cas précédent, dans les traitements préliminaires, les lavages successifs, etc. La détection ampérométrique consiste à mesurer le courant engendré par des électrooxydations ou réductions dues aux enzymes des bactéries fixées par rapport à une électrode de référence (Ag/AgCl). Ces systèmes sont faciles à utiliser et ont, dans une gamme donnée, une relation linéaire avec la concentration. Leur défaut est leur faible sélectivité qu’on peut, cependant améliorer par une utilisation de médiateurs.

3.1.2. Alternatives technologiques

Des alternatives « non optiques » à la détection pourraient concurrencer la biophotonique sur le segment des biopuces. Les candidates les plus sérieuses sont les méthodes électrochimiques de troisième génération, par transfert électronique direct. Elles présentent des avantages tels que la simplicité de mise en œuvre, un coût réduit, une bonne sensibilité, une miniaturisation et une intégration aisée. Dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires de Microbiologie Médicale et Moléculaire de la Faculté de Médecine et Pharmacie de l’Université de Bourgogne (Pierre Pothier) et d’Electrochimie Moléculaire de l’Université de Paris 7 (Claude Andrieux), de nouvelles méthodes de dépistage sensible d’ADN viral sont en cours de développement. Le système est constitué d’un biocapteur électrochimique associant un marqueur enzymatique ou une nanoparticule d’or. Pour remplacer l’étape préalable d’amplification de l’ADN viral par PCR, l’approche actuellement envisagée implique un système de marqueur bi-enzymatique, qui devrait théoriquement améliorer la sensibilité. Ulrich Bockelmann et son équipe, au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC) de l’ENS, développe actuellement une technique de détection électronique de l’hybridation sur puces à ADN. La détection de l’hybridation se fait actuellement par mesure de la fluorescence. La technique développée par le LPMC est basée sur des réseaux de transistors à effet de champs, en silicium. Autres exemples de méthodes de détection non optique :

- Utilsation de « Microcantilevers » sur puces (Université de Berkeley et Oak Ridge National Lab).

- Utilisation de microcapteurs d’ondes acoustiques (Sandia National Labs aux Etats-Unis).

- Utilisation d’ondes électromagnétiques tel que le scanner de tumeurs cancéreuses qui exploite ce type d’ondes, mis au point par de Clarbruno Vedruccio, ingénieur en technologies militaires, en collaboration avec d’autres physiciens de Galileo Avionica (Italie). L’expérimentation de ce scanner vient d’être réalisée au sein de l’Unité Opératoire d’Urologie de l’hôpital S. Carlo Borromeo de Milan.



En outre, certains experts interrogés pensent que les biopuces seront à terme, d’ici une dizaine d’années, complètement « électriques ». Dans l’état actuel des recherches et des développements, quelques indices mettent en évidence cette tendance :

- Infineon Technologies AG a récemment développé une nouvelle technologie de semi-conducteurs qui permet de lire les signaux électriques de cellules neuronales vivantes, sans électrode microscopique, en collaboration avec une équipe de l’Institut Max Planck de Biochimie, celle du Professeur Peter Fromherz du département « Membrane et neurophysique »52. L’ensemble, appelé « neuro-chip », est constitué de 16 000 capteurs qui surveillent les impulsions électriques de cellules immergées dans le liquide électrolyte nutritif qui enduit le semi-conducteur.

- En mars 2003, Infineon Technologies a présenté sa biopuce « Flow-Thru Chip™53 »,

une puce en silicium permettant de réduire le coût et le temps de développement des médicaments. En collaboration avec la société américaine MetriGenix, Infineon a mis au point une solution complète comprenant un dispositif de mesure et une biopuce à base de silicium. Grâce à un procédé de fabrication spécifique mis au point par Infineon, près d’un million de minuscules pores d’un diamètre équivalent au dixième d’un cheveu humain sont gravés sur une surface d’un centimètre carré. Des « particules » de gènes, intervenant dans la modification de l’activité génétique lors d’un cancer du sein par exemple, sont placées à l’intérieur de ces orifices et se fixent sur leur paroi. Les échantillons à analyser sont alors traités avec un principe actif, puis les pores sont pompés à plusieurs reprises par le procédé « Flow-Thru ». Lors de ce processus seuls les gènes correspondants de l’échantillon s’unissent aux particules de gènes couvrant la paroi du pore. Dans la phase suivante, un colorant luminescent est ajouté. Il se lie uniquement aux gènes correspondants générant ainsi l’émission d’un signal lumineux. Enregistré par une caméra CCD et retransmis sur un ordinateur, le signal lumineux émis peut être analysé sur l’écran. Dès que la puce est équipée de particules génétiques, il devient simple et rapide de déterminer l’efficacité d’une substance. L’échantillon lumineux de l’élément sain est comparé à l’échantillon traité. Leur concordeance signifie que le principe actif a fait effet. Son coût est d’environ 60 000 euros et inclut une unité d’hybridation et un dispositif d’évaluation comprenant une caméra ultra sensible intégrée.

- Une seconde génération de puces à ADN avec lecture électrique est en cours de

développement par FRIZ Biochem (Allemagne)54. Cette dernière vient de lever 3 millions d’euros pour poursuivre ses développements dans ce domaine. La technologie utilisée repose sur la détection électronique des événements d’hybridation (technologie LADER - Light Addressable Direct Electrical Readout).

- Une nouvelle technique de détection électronique des anticorps chargés par leur antigène, est décrite par O.A. Saleh55. Celle-ci détecte le changement de volume lors de la formation du complexe à la surface de particules colloïdales de latex. La mesure

52 Communiqué du Max-Planck-Institut, 12 février 2003 53 Marque déposée de MetriGenix 54 Communiqué de presse de FRIZ Biochem GmbH du 28 mars 2003 55 O.A. Saleh et al.; Proceedings of the National Academy of Sciences USA 100, feb. 2003, 820-824



se fait par passage dans un pore sans aucun marquage. Il n’y a aucune raison pour que cette technologie ne soit pas applicable à tous types de complexes ligand-récepteur.

Cette transition vers le tout électrique se fera plus ou moins rapidement en fonction des besoins et des applications.


Pour l’ensemble des biopuces et le marquage des molécules uniques, les technologies fluorescentes représentent les technologies les plus utilisées.

- Dans le cas des puces à ADN et des laboratoires sur puces, de nombreux efforts de recherche sont actuellement faits pour se dispenser de l’étape d’amplification de l’ADN, longue, coûteuse et pouvant donner des résultats faussement positifs. Diverses stratégies sont à l’étude.

- Pour les puces à protéines, contrairement aux puces à ADN,

l’amplification par une « PCR-like » n’est pas encore possible, d’où une certaine difficulté à cribler les protéines présentes en très petite quantité dans la cellule. Les applications aujourd’hui développées se situent donc plutôt dans le moyen débit. Le haut débit est un vrai challenge dans le domaine des puces à protéines. Aujourd’hui, la majorité des solutions technologiques utilisent la fixation des molécules biologiques sur un support. Dans le cas des puces à protéines et le problème de conservation de l’activité biologique suite à une immobilisation sur une surface, certains laboratoires et entreprises (Luminex Corp., Austin -Texas) s’orientent vers des systèmes en solution, les « puces à billes ». Cela apporte également plus de souplesse. D’autres experts considèrent toutefois que, compte tenu de la taille d’une protéine, la surface d’une bille équivaut à une surface plane, ce qui ne modifie pas le problème. Enfin, en solution, la question du traitement du signal reste entière. Dans le cas des protéines membranaires, la mise au point de systèmes de microlithographie de « patterns » de membranes lipidiques permet de fabriquer des puces en bicouches lipidique afin d’y greffer des protéines. De plus, pour diminuer le coût et conserver la spécificité des molécules biologiques, certaines solutions technologiques s’orientent vers les polymères à empreintes moléculaires. Ces derniers sont en plein développement. Pour détecter et quantifier une molécule cible, les techniques de biochimie utilisent le principe de reconnaissance sélective d’anticorps, de récepteurs ou d’enzymes. Or, ces molécules sont souvent coûteuses et nécessitent des conditions expérimentales particulières. Des matériaux de synthèse, stables, moins coûteux et tout aussi sélectifs peuvent les remplacer. L’impression moléculaire consiste à créer une empreinte complémentaire de la molécule cible dans un polymère synthétique. Ces polymères peuvent être à base acrylique, vinylique ou uréthanne. Actuellement les « polymères

© Université Louis Pasteur – Strasbourg

Robot de fabrication de puces à ADN de l’équipe

AVR (Automatique, Vision et Robotique



imprimés » sont étudiés comme phase stationnaire en chromatographie d’affinité et dans de futurs tests immunologiques et autres biocapteurs. La société Aspira Biosystems (Californie) utilise déjà cette technologie pour ses puces à protéines. Dans le cas plus spécifique du criblage moléculaire de protéines, la priorité des développements technologiques se situe dans l’analyse des interactions protéiques et protéines-acides nucléiques à haut débit, pour l’étude des voies métaboliques. D’après de nombreux experts, les améliorations sont essentiellement à apporter au niveau des systèmes de détection, du format des puces et de la chimie en général, pour une meilleure compatibilité avec des systèmes protéiques. Toujours pour l’analyse des interactions protéiques, l’analyse des résidus glucidiques peut être déterminant, ceux-ci définissant souvent directement la fonction cellulaire de la protéine considérée. Dans ce cadre, la mise au point de puces à glucides pourrait très utile.

- Dans le domaine des laboratoires sur puces56, les

recherches sont essentiellement concentrées sur les composants microfluidiques. Le développement de toute la circuiterie optique est débutant. Actuellement, sur le plan optique, les systèmes utilisent pratiquement exclusivement la fluorescence des molécules marquées ou non. L’excitation et la détection sont effectuées grâce à un laser situé à l’extérieur de la puce, un système extérieur de focalisation sur la partie terminale de la colonne de séparation ou un système extérieur de collecte et de détection de la fluorescence. Les inconvénients sont multiples. Un microscope ou même un spectromètre sont nécessaires. Les applications sont limitées et ne peuvent que rester simples (avec une seule colonne par exemple). Il est impossible d’utiliser ces systèmes in vivo. Face à ces problématiques, la voie de l’intégration optique est la plus prometteuse. Voici quelques uns de ses avantages :

- Une plus grande autonomie grâce à la possibilité d’éliminer ou de simplifier l’instrumentation externe (microscope, spectromètre etc.)

- La possibilité d’applications in vivo - Une plus grande intégration, avec distribution de la lumière et mise en

parallèle de plusieurs processus (séparation, réactions chimiques –voire photochimiques, excitation)

- Le développement de nouvelles méthodes d’analyse telles que les ondes évanescentes

- Le domaine de l’intégration de composants optiques concerné très peu de

laboratoires. On peut citer les travaux du Consortium lyonnais sur les laboratoires sur puces (avec notamment M. Krawczyk et M. Blanchet du LEOM à l’Ecole Centrale de Lyon), du CEA-LETI à Grenoble (équipe de Patrick Chaton pour la nanophotonique et l’intégration de l’optique directement sur la biopuce) ou de l’équipe de C. H. Mastrangelo du Center for Integrated Microsystems (Department of Electrical Engineering and Computer Science) à l’Université du Michigan sur l’intégration de photodiodes dans un système d’électrophorèse capillaire réalisé sur substrat silicium.

56 Présentation « Intégration optique dans les lab-on-a-chip pour le diagnostic médical », S.K. Krawczyck et R.C. Blanchet, LEOM, UMR CNRS/Ecole Centrale de Lyon n°5512, Quatrième colloque « Diagnostic et imagerie optiques en médecine », mai 2002, Paris

Genopole®



- Pour les puces à cellules pour criblage, l’objectif est de faire de l’analyse haut débit de cellules individuelles, afin de « tout » savoir de potentielles cibles cellulaires thérapeutiques. Ceci correspond à une forte demande du secteur biomédical, notamment pour les traitements anticancéreux. Plus de spécificité est demandée, par exemple pour connaître les effets intracellulaires d’un médicament in vivo, et sélectionner pratiquement immédiatement les bonnes cellules à cibler, c’est-à-dire sans attendre la croissance ou la décroissance du volume de la tumeur. Le domaine de l’agroalimentaire est également demandeur, notamment pour le criblage d’activités enzymatiques in situ, afin d’effectuer ultérieurement un tri cellulaire.

- Pour les « puces à tissus », les développements récents s’organisent autour de

l’analyse quantitative d’image, notamment pour la quantification des protéines exprimées dans chaque « spot »57. Concernant les « arrayers » de puces à tissus, les chercheurs développent de nouvelles techniques de manipulation d’échantillons de tissus congelés. Les échantillons de tissus actuellement utilisés sont incorporés dans de la paraffine, ce qui peut altérer le fonctionnement de certains anticorps.

Synthèse et vue générale des futures pistes de développement en fonction des besoins suivants :

- Le besoin le plus important actuellement est la mise en place d’une standardisation58 de l’ensemble des protocoles expérimentaux (contrôle qualité de chacune des étapes, (contrôle de surface, des cavités de spots par ellipsométrie) et des résultats (bioinformatique et analyse d’images). Cette exigence est essentielle pour atteindre une bonne fiabilité et une bonne reproductibilité. L’intégration du contrôle qualité risque de multiplier les étapes, les résultats et d’accroître le temps nécessaire pour obtenir les résultats finaux et d’augmenter le coût. Il est donc nécessaire de trouver un bon compromis entre le contrôle qualité et le coût engendré. Quelques initiatives comme celle de la « Microarray Gene Expression Data Society »59 ont mis au point des directives pour la publication de données issues des puces à ADN. Ces normes, MIAME (Minimal Information About a Microarray Experiment », et déjà adoptées par des journaux scientifiques tels que Nature, Cell ou The Lancet, ne sont cependant considérées que comme une solution provisoire à un manque de standardisation pour l’annotation et l’interprétation des données. La société SuperArray Bioscience Corporation (Maryland) développe une approche alternative. L’expression génique n’est pas exprimée en unités arbitraires mais en nombre de copies par microgramme d’ARN totaux ou par cellule. Ces résultats permettent une comparaison directe des données entre échantillons et entre laboratoires :

- Une meilleure sensibilité, pour éviter l’étape d’amplification par PCR, afin de détecter

quelques brins d’acides nucléiques dans un lysat

57 “Automated subcellular localization and quantification of protein expression in tissue microarrays”, Robert L. Camp, Gina G. Chung & David L. Rimm, Nature Medicine, November 2002 Volume 8 Number 11 pp 1323 - 1328 58 “State of the microarray – Challenges and concerns with microarrays”, The Scientist, février 2003 59 Site internet correspondant : www.mged.org



- Un meilleur rapport signal/bruit grâce à des solutions telles que l’électroluminescence où l’émission ne gène pas l’excitation

- Des solutions sans marquage des molécules biologiques, afin non seulement de ne

pas biaiser les résultats mais aussi d’accélérer leur obtention. La technologie de résonance plasmonique de surface répond bien à ce besoin.

- Des solutions moins coûteuses. Lié à ce paramètre de coût, la flexibilité des solutions

technologiques peut être décisive, pour des applications plus focalisées sur certains groupes de gènes ou une voie métabolique précise. Dans le cas des puces à ADN, ce besoin peut orienter le client vers des solutions à basse densité. Certains fabricants de puces à haute densité comme Affymetrix ont choisi d’accroître la densité de leurs puces pour ensuite les subdiviser, en fonction des applications visées. Qiagen propose depuis 2002 des biopuces modulaires « SensiChip arrays » : chaque « SensiChip bar » est constitué de 6 réseaux séparés par des chambres microfluidiques d’hybridation

- Des solutions de plus en plus portables. Ainsi, dans le cas du diagnostic, l’objectif est

d’apporter les technologies directement au chevet du patient, grâce à des systèmes portables, rapides, spécifiques, fiables, sensibles et à bas coût. On peut généraliser cette caractéristique de portabilité directement sur le terrain à d’autres domaines d’applications, par exemple en plein champ pour l’analyse de traits agronomiques ou le détection d’OGM. Pour ces applications, les contraintes technologiques seront moindres. Les biopuces à faible ou moyenne densité devraient engendrer moins de données et donc simplifier les traitements. les récents développements de Applied Physics Laboratory de John Hopkins University aux Etats-Unis (Baltimore, Maryland) illustrent cette thématique. Suite à un financement de la DARPA, ce laboratoire vient de concéder à la start-up Matrix Instruments une nlicence d’exploitation pour sa technologie de spectrométrie de masse portable. La première application développée est basée sur un spectromètre de masse avec calcul du temps de vol (“time-of-flight” - TOF) et désorption directe par laser ultraviolet direct (MALDI), afin de détecter un métabolite spécifique de la malaria, produit lorsque le parasite est présent dans le sang des individus infectés60.

Les pistes de développements les plus prometteuses dans le domaine de la biophotonique appliquée au segment des biopuces peuvent être identifiées. Certaines technologies peuvent être considérées comme habilitantes :

- Développement lié à celui des nouveaux matériaux à propriétés optiques : passage à la

photonique moléculaire et adaptation des technologies classiques de la micro-optoélectronique à base de semi-conducteurs non seulement aux molécules organiques mais également aux polymères, en particulier pour toute la circuiterie optique canalisant la lumière (guides de lumières en canaux, microrésonnateurs, amplificateurs et émetteurs de lumières, interféromètres et commutateurs de très grande sensibilité). Des développements à l’importance croissante issus de la micro et nanophotonique peuvent être imputés aux biopuces. Ainsi, dans le cas des laboratoires sur puce, les technologies les plus prometteuses pourraient être la photolithographie (issue de la microélectronique), la microstéréolithographie (polymérisation laser par strates et obtention de structures tridimensionnelles) et la mise au point de

60 MIT Technology Review, “Mass Solution – a cheap, portable malaria test is creating a buzz among epidemiologists”, février 2003



microstructures photoniques (miroirs diélectriques, réseaux de diffraction, utilisation également des concepts de microcavités en lien avec la luminescence).

- Concept de spectromètre-sur-puce (« spectrometer-on-a-chip » - SOC), par intégration de toute la micro-opto-électronique nécessaire.

- Physique fondamentale pour l’observation et la compréhension des propriétés de molécules uniques et leur sensibilité à l’environnement : développement d’une instrumentation photonique de pointe, pour une intégration maximale des fonctions optoélectroniques et d’une architecture optique parallèle sur les biopuces.

- La mise au point d’une nouvelle génération de puces et de lecteurs (« scanners ») par des technologies telles que la spectrophotométrie, la SPR, l’ellipsométrie (la société Accelr8 Technology Corporation utilise déjà cette technologie de détection), les ondes évanescentes et des phénomènes non linéaires de surface peut représenter une innovation de rupture.

- Capteurs à fibres optiques. - Traitement d’images et développement d’algorithmes spécifiques et adaptés.

3.1.4. Applications visées La demande est très hétérogène en fonction des secteurs industriels. Elle concerne : - Les applications pharmaceutiques, biotechnologiques, cosmétologiques : la

demande est intégrée dans le processus de découverte de nouvelles molécules (médicaments ou autres). Elle s’oriente vers du criblage moléculaire et cellulaire à très haut débit (outils pour la protéomique pour l’identification des interactions protéine-protéine, compréhension des mécanismes cellulaires). Globalement, dans un processus de recherche par utilisation de biopuces, les contraintes de coûts sont relativement faibles.

- Les applications médicales : ces applications concernent essentiellement les outils

d’aide au diagnostic, par exemple en oncologie, dans le cadre d’une classification des types de cancer et d’un guide décisionnel consécutif adapté ; ou dans un cadre thérapeutique, faire du suivi de profils différentiels afin de connaître les effets d’un médicament sur le patient dans sa globalité, et de recherche clinique. A ce niveau, on peut même parler de diagnostic moléculaire. A plus long terme, les biopuces pourraient viser des domaines d’application liés à la microbiologie et aux maladies infectieuses. Dans le secteur biomédical, les contraintes de coûts sont bien plus fortes que dans le domaine des applications pharmaceutiques - biotechnologiques - cosmétologiques.

- Les applications agroalimentaires : recherche et développement (criblage de

molécules - cellules) et amélioration de la traçabilité au cours du processus de production pour le contrôle des matières premières et des procédés de transformation, contrôle réglementaire et sécurité alimentaire (OGMs, pathogènes, micro-organismes et toxines, pesticides etc.).

- Applications agronomiques, vétérinaires et environnementales : analyses en

champ de traits agronomiques de sélection ; analyses bactériennes de l’eau potable ; détection d’agents infectieux dans l’air ou l’eau. Aquagen (Ondeo) et Aquachip (Genolife) en France travaillent sur l’analyse bactériologique de l’eau.



En termes de contraintes, pour les applications agroalimentaires et environnementales, le coût occupe une place prépondérante (choix des matériaux, réactifs, mode de détection etc.), avec parallèlement la validation réglementaire des outils choisis. A noter : Dans ces deux domaines d’application, le marché potentiel est considérable en nombre d’analyses.


Pôle francilien - Institut Fédératif d’Alembert (Directeur : Joseph Zyss), créé le 20 juin 2003,

regroupe quatre laboratoires couvrant les grandes disciplines de base de son activité : le LBPA (Laboratoire de Biotechnologies et Pharmacologie Génétique Appliquées, ENS Cachan - CNRS - Paris-Sud 11), le PPSM (laboratoire de Photophysique et Photochimie Supra et Macromoléculaire, ENS Cachan - CNRS), le LPQM (Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, ENS Cachan - CNRS) et le SATIE (laboratoire des Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie, ENS Cachan - CNAM - CNRS). Ce regroupement a pour objectif de lever les barrières entre ces différentes disciplines, de développer des technologies génériques et de diversifier leurs applications vers les biotechnologies et les télécommunications en faisant appel aux principes et aux méthodes de la photonique moléculaire. Celle-ci a pour objet la conception, l’élaboration et la mise en oeuvre de matériaux, composants et systèmes à finalités optiques tels que lasers, guides de lumière, microcavités, cristaux photoniques, fibres, capteurs, marqueurs biologiques... constitués de matériaux moléculaires et de polymères fonctionnalisés. L’Institut propose également le développement d’une instrumentation photonique de pointe permettant de visualiser et de manipuler par voie optique des objets moléculaires à l’échelle nanométrique. Le regroupement permet également de mutualiser les compétences et les moyens technologiques répartis entre les quatre laboratoires en vue de réaliser des projets ciblés et fédérés autour de la photonique moléculaire. Trois axes principaux structurent les recherches de l’Institut : l’étude du transfert de matériel génétique par la mise en oeuvre de techniques avancées de suivi de fluorescence (rôle du cytosquelette et de la polymérisation de l’actine dans les processus tumoraux) ; les biocapteurs et biopuces à fonctionnalités optiques ; les matériaux et composants optoélectroniques à base de polymères pour les télécommunications optiques hautes fréquences, la cryptographie et la radio sur fibre.

- Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), ENS : thématiques de

recherche centrées autour des mesures de force sur molécules individuelles et des mesures électroniques, en particulier sur la molécule d’ADN (propriétés mécaniques et électriques, propriétés de reconnaissance spécifique, processus enzymologiques associés), avec des applications pour la génomique, les nanotechnologies, les puces à ADN et la détection de mutations.

- Projet BIOPREDIC en nanobiotechnologies : prototypage de puces à cellules en

microréseau haute densité pour analyses multiplexées et individuelles, application en



pharmacologie, en partenariat avec ST Micro-électronics, l’ENS Cachan, l’INSERM U4522 et le CEA-LETI.

- Réseau de microfluidique CNRS en cours de formation. Ses acteurs sont le LAAS,

le LPN, l’ENSIC (DCPR), l’INSA de Lyon (LPM), l’ESPCI (LECA, LPMMH, LPCT), l’ENS (département de chimie LPS, MMN), le LSGC, le LETI CEA, le LEGI, le LGMT, l’UTC, l’Institut Curie, l’Ecole Centrale de Lyon (IFOS), l’ENS Cachan, l’IEMN, bioMérieux, L’Université de Nice (LPMC) et l’Université de Lille (LCOM).

- CEA Evry (Genopole® Evry), Département de génomique fonctionnelle, équipe de

Xavier Gidrol : plateforme de production de puces à ADN. - Association de la Montagne Sainte Geneviève (Paris) qui regroupe l’Institut de

Biologie Physico-Chimique (IBPC), l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris, l’Ecole Supérieure de Physique Industrielle de Paris (ESPCI), l’ENS Paris et l’Institut Curie : plateau d’instrumentation destiné à la fabrication et à l’analyse de puces à ADN.

- Laboratoire Charles Fabry (Institut d’Optique), dirigé par Pierre Chavel :

L’activité de l’équipe « Matériaux pour l’optique intégrée et capteurs » (Y. Lévy) concerne les biocapteurs, mono et multiparamétriques, développés pour les laboratoires de biologie et d'analyse, demandeurs de méthodes fiables, sensibles, spécifiques et peu onéreuses pour le diagnostic des maladies, l'analyse en temps réel, le contrôle des contaminations d'origine variée. Deux chercheurs et trois doctorants sont actuellement impliqués dans ces travaux. Les capteurs mis au point utilisent la SPR. Ils comportent un film d’or sur lequel une centaine de plots spécifiques sont déposés selon deux procédés différents. La lecture des interactions biomoléculaires sur chaque plot est obtenue par une imagerie SPR. Des mutations de brins d'ADN impliqués dans la mucoviscidose sont ainsi détectées. Des études sur les interactions ADN - ADN, ADN - protéines et héparane sulfate - protéine sont actuellement pour suivies avec le soutien du CNRS. Ces travaux sont menés en collaboration avec de nombreux partenaires chimistes et biologistes du CNRS, du CEA et de l'INSERM.


Besançon - Laboratoire de Physique et Métrologie des Oscillateurs, Besançon :

- Equipe « Microsystèmes et microélectronique » (François Bastien), axe de recherche « Microsystèmes pour la biochimie » (en collaboration avec le Centre de Biophysique moléculaire d’Orléans et l’Institut Curie) : biopuces pour l’analyse biochimique de cellules uniques, microsystème pour la recherche d’homologies sur l’ADN.

- Equipe « Microscopie champ proche et instrumentation » (Bernard Cretin), axe de recherche « Microscopie de force à lévitation magnétique, mesures de forces, biocapteurs et Lab-on-a-chip ».

- Nouvelle orientation du laboratoire vers les biotechnologies (Bernard Cretin) : caractérisation optothermique de biomatériaux en couches minces (couches



minces lipidiques) pour des applications telles que les puces à ADN (détection de la structuration des brins d’ADN) et l’étude des membranes biologiques et des couches de protéines.

Bordeaux - Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne - Université Bordeaux I

(Talence) : - Thématiques de recherche : matériaux et méthodes de caractérisation, optique

non linéaire et les phénomènes ultrarapides, la biophotonique et la photophysique moléculaire, la nanophysique et les systèmes de basses dimensionnalités, les transitions de phase et les instabilités en milieu dense (développement de méthodes physiques originales qui utilisent principalement les propriétés du rayonnement LASER).

- Equipe de Brahim Lounis, Université de Bordeaux : « Imaging single absorping nanoparticles in scattering media by photothermal interference contrast » pour des applications à détection ultra-sensible.

Grenoble - Laboratoire d’Electronique, de Technologie de l’Information (LETI) – CEA

(Grenoble) : - Développement de puces à ADN, laboratoires sur puce et puces à cellules. - Systèmes optiques de lecture des biopuces en cours de développement - Equipe de Patrick Chaton : Nanophotonique et intégration de l’optique

directement sur la biopuce. - Projet Européen MeDICS de puce à cellules pour le tri cellulaire (Silicon

Biosystems, issue de l’Université de Bologne (Italie), et coordinatrice du projet, est chargée de la conception du circuit, de l’électronique et du logiciel de la Cell-On-Chips ; le CEA s’occupe de la mise au point du plastique, des problèmes de microfluidique et de l’intégration du système avec le vivant ; et l’Inserm est chargé de la validation clinique des recherches).

-Projet « Phénopuces », pour l’analyse phénotypique des cellules. - Laboratoire de Spectrométrie Physique (LSP) – CNRS UMR 5588 – Université Joseph Fourier (Grenoble)

- Thématiques de recherche : Physique moléculaire, optique et applications (Spectrophotométrie des milieux diffusants, appliquée à l’étude du cerveau et des interactions moléculaires sur cellules vivantes) : utilisation de l’optique pour la caractérisation d’objets biologiques.

- Projet NSOM – Microscopie optique en champ proche (en collaboration avec le Laboratoire d’Etudes des Propriétés Electroniques des Solides – LEPES, Grenoble) et applications à la spectroscopie de molécules uniques.

Lille - Groupe Microsystèmes – Microfluidique, Institut d’Electronique de

Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille : réalisation de dispositifs intégrés de type Lab-on-a-Chip dédiés à la biologie et en particulier à l’analyse de protéines par spectrométrie de masse.



- La création en cours d’un Institut de Physique Chimie et Biologie à Lille.

Lyon - Laboratoire d’Electronique, Optoélectronique et Microsystèmes (LEOM) –

CNRS UMR 5512 – Ecole Centrale de Lyon (Lyon) Thématiques de recherche : microphotonique, biopuces, intégration optique pour « lab-on-a-chip ».Cette dernière thématique regroupe également d’autres équipes de recherche au sein d’un consortium de l’Ecole Centrale de Lyon - Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique et Laboratoire d’Ingénierie et Fonctionnalisation des Surfaces - et des équipes de recherche de l’Université Claude Bernard Lyon I - Institut de Biologie et Chimie des Protéines et Laboratoire de Chimie Supramoléculaire Biomimétique, ainsi qu’avec le Laboratoire de Photonique et des Nanostructures – LPN- à Marcoussis pour l’utilisation de polymère poly(méthyle méthacrylate).

- Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents (LPCML), UMR

5620 du CNRS – Université Claude Bernard Lyon I (Vileurbanne) - Thématiques de recherche : matériaux laser (élaboration, photoluminescence et

dynamique des états excités des ions de transition et des ions terres rares), matériaux scintillateurs et luminophores (élaboration, caractérisation optique et mécanismes d’excitation haute énergie), guides d’ondes optiques actifs, verres et nanostructures (optique des nanomatériaux et géomatériaux), Formation, élaboration de nanomatériaux et cristaux.

- Coordinateur du réseau NanOptec de Lyon au sein du Centre de Nano-optique et photonique (avec l’Ecole Centrale de Lyon, l’INSA de Lyon, l’ENS de Lyon et l’Université de St Etienne). Les thématiques de recherche peuvent se regrouper en deux approches complémentaires : l’élaboration et la caractérisation de systèmes à l’échelle nanométrique, avec en exergue leurs propriétés optiques, et le développement de nanotechnologies et composants photoniques innovants. Les applications sont notamment orientées vers nanotechnologies et microtechnologies appliquées à la bio-ingénierie : caractérisation électro-optique de biocapteurs, biocapteurs électro-optiques miniaturisés (lab. Génie Enzymatique, UCBL), biocapteurs (IFOS/LEOM) et puces à ADN.

Marseille - Institut Fresnel – CNRS UMR 6133 - Ecole Nationale Supérieure de Physique de

Marseille, Université d’Aix Marseille III et Université de Provence (Marseille) : - Thématiques de recherche : Composants Optiques Microstructurés pour la

biophotonique, fluorescence pour la détection de molécules uniques pour les tests immunologiques, la génomique et la protéomique : applications dans l’étude de la diffusion de molécules biologiques (lipides ou protéines) dans la cellule vivante et la membrane en particulier; et dans la détection dans des systèmes microfluidiques.

- Equipe d’Hervé Rigneault, développement de bioassays et biopuces (laboratoires sur puces).

- Futur création d’un pôle de biophotonique en collaboration avec le Centre d’immunologie de Marseille-Luminy.



Rennes - Equipe BIOMIS de l’Antenne de Bretagne de l’ENS Cachan, dirigée par Bruno

Le Pioufle : étude et conception de bio-microsystèmes pour le transfert de gènes. Equipe intégrée au Genopole® Ouest mer-agro-santé, qui s’appuie sur les compétences acquises au LIMMS (Laboratoire mixte CNRS-Université de Tokyo).

Toulouse - Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes - LAAS / CNRS (Toulouse) :

- Participation au pôle NATBio (Les partenaires toulousains du projet NATbio sont répartis de manière équilibrée entre les trois disciplines (Chimie, Biologie, Physique) et associent des équipes propres du CNRS et de l’INRA, et des équipes d’Unités mixtes CNRS et ou INRA de l’INSA et de l’Université Paul Sabatier. Nattbio regroupe environ 40 chercheurs venant d’une douzaine de laboratoires). Les actions de Nattbio sont orientées vers l’étude de mécanismes biologiques fondamentaux à l’aide des nanotechnologies, la validation de concepts innovants en imagerie, la détection et thérapie à l’aide de nanosystèmes variés, la mise en place de nouvelles briques technologiques de base assemblant matériel biologique et nanodispositifs et l’élaboration de nouveaux prototypes de biopuces et de biodétecteurs basés sur ces concepts. Exemple de thématiques de recherche :

- Dendrimères et puces à ADN (E. Trévisiol et V. Leberre-Anton). - Nanoadressage, nanoplotteur, détection intégrée (C. Bergaud, C. Vieu). - Nanocapsules (M. Winterhalter). - Dynamique de biomolécules uniques par nanovidéomicroscopie (L.

Salomé). - Microréacteurs, microfluidique, lab-on-a-chip (A.M. Gué, L. Gorrichon). - Biovecteurs et biopuces magnétiques (P. Tailhades). - Nanovecteurs, imprinting moléculaire, polymères (R. Lattes). - Protéomique à haut débit ou technologie de criblage ( B. Monsarrat).

Pour la mise au point d’une nouvelle génération de biopuces, deux voies de développement sont privilégiés : l’utilisation de l’AFM (microscope de force atomique) pour la fabrication de biopuces (en collaboration avec l’Institut des Sciences Industrielles à l’Université de Tokyo) et la mise au point de puces complètement intégrées, pour la reconnaissance moléculaire grâce à des modules électroniques spécialement adaptés à la détection de forces de très faibles amplitudes (« ultra-low force detection »). Parmi les collaborations, on peut noter celles avec le DKFZ, Deutsches Krebsforschungszentrum à Heidelberg ou les industriels Eurogentec SA (Belgique), Pierre Fabre et Sanofi.

Tours - L’Institut Imagerie et exploration fonctionnelles (IFR 120) qui regroupe des

laboratoire de l’INSERM, du CNRS, de l’INRA, l’Université de Tours, le CHRU de Tours et l’EFS Centre-Atlantique.



Entreprises

- Agilent Technologies (Massy) : puces à ADN, analyseurs, laboratoires sur puce. - Apibio (Grenoble), essaimage du CEA : fabrication et développement de puces à

ADN et puces à protéines. - BioMérieux (Marcy l’Etoile) : évaluation de biopuces, en collaboration avec le CEA-

LETI. - Bionexis (Paris) ; voir aussi segment sur l’imagerie cellulaire et tissulaire) : ingénierie

de protéines pour détecter et traiter les cellules en apoptose : méthode qui permet notamment d’évaluer l’efficacité thérapeutique d’un médicament), se rapproche d’un système de puces à cellules.

- BioRet (Genopole® Evry) : développement et commercialisation de nouvelles

solutions associant des biopuces de grande diffusion et des rétines intelligentes pour diagnostics médicaux et tests de biosécurité agro-alimentaires et d’environnement.

- GeneScore (Paris) : conception de puces à ADN, les « puces oligonucléotides. - Genesystems (près de Rennes) : mise au point de laboratoires sur puces pour la

détection rapide d’OGMs et d’agents pathogènes dans les aliments. - Genewave (Genopole® Evry) : développe, depuis décembre 2001, des sources

adaptées aux capteurs biologiques et en particulier aux biopuces : Par une nanostructuration adéquate des supports d’immobilisation et de test des espèces biologiques, il est possible, tout en restant compatible avec les systèmes existants, d’obtenir un gain considérable de rendement de fluorescence effectif (d’ores et déjà en viron de x 10 en situation réelle, c’est-à-dire à plusieurs couleurs), ce qui se traduit par une augmentation de sensibilité, une diminution des matières premières biologiques nécessaires ou une simplification des lecteurs de biopuces.

- Genolife (Biopôle Clermont): puces à ADN. - Genoptics (Orsay) : capteurs biochimiques à résonance plasmonique de surface, sans marqueur d’interactions biologiques, couplés à un système d’analyse d’image des puces à protéines correspondantes. - Ipsogen (Genopole® Marseille) : puces à ADN. - Nanobiogene (Besançon) : développement, production et commercialisation de

modules microfluidiques de "spottage" pour la génomique, la protéomique, le criblage haute densité en biologie et en pharmacie, et le développement de biopuces pour les nano-biotechnologies.

- ProtNeteomix (Nantes) : puces à protéines.



- Rhobio Genomics (Genopole® Evry) : puces à ADN plus particulièrement pour la génomique végétale.

- Rosatech (Ecully, près de Lyon), issue du projet Rosa du CNRS et de l’Ecole Centrale

de Lyon : fabrication et développement de puces à ADN et mise au point d’un système de lecture sans marquage, par analyse de surface et détection de biomolécules par mesures d’impédance électrochimique et optoélectrochimique.

- Spinelix (Biopôle Clermont) : biopuces tridimensionnelles (laboratoires sur puces) pour la détection d’interactions protéine-protéine.


Dans le domaine des biopuces, les équipes de recherche sont très nombreuses. La liste ci-dessous, établie à la lumière des experts consultés, n’est pas exhaustive,.

Biopuces et biocapteurs d’un point de vue général - Biochip Technology Center, Argonne National Laboratory (Etats-Unis). - Nanobiotechnology Center, Cornell University (Etats-Unis). - BioMEMs, Tissue and Cell Laboratory, Beckman Institute (University of

Illinois, Urbana-Champaign) (Etats-Unis) : “Biological Intelligent Processor (BIP)”, “MicroFluidic Studies in Biomolecular Systems”, “Mechano-Stimulus for Engineered Tissue”, “Neural and Cellular Engineering”.

- Département “instrumentation, capteurs et biocapteurs”, Institut de

Microélectronique de Madrid (Espagne) : cet institut, également coordinateur du réseau Nanospain liées aux nanotechnologies et aux nanobiotechnologies, est plus spécialement les thématiques liées aux capteurs optiques et aux biocapteurs.

- Capteurs optiques : par exemple « IR Sensors based on PIN Quantum Wells diodes of GaInSb/AlInSb ».

- Biocapteurs : par exemple, capteurs différentiels par résonance plasmonique de surface, biocapteur avec interféromètre Mach-Zehnder intégré, caractérisation par microscope de force atomique de biomolécules et d’interactions entre biomolécules.

- Cranfield Biotechnology Centre (Grande-Bretagne), spécialement orienté vers le

développement de biocapteurs : ingénierie moléculaire des interfaces et composants de bioreconnaissance pour une performance optique optimale, ou plus globalement développement de biocapteurs optiques (SPR, interférométrie par guide d’onde, puces à circuiterie optique intégrée, etc.).

- Laboratoire de photophysique et spectroscopie, département de chimie,

Université Catholique de Louvin (Belgique) : recherche spécifiquement orientée



vers la fluorescence de molécules uniques (« picosecond fluorescence decay acquisition and analysis »).

- Groupe de biotechnologie analytique (G.M. Schalkhammer), Université

technique de Delft (Pays-Bas) : développement de systèmes analytiques miniaturisés pour la surveillance de processus biologiques en temps réel et dveloppement de la technologie « metal cluster resonance » sur biopuces avec application à la technique ELISA.

- Laboratoire de micro- et nanotechnologie, Institut Paul Scherrer – Villigen,

(Suisse) : thématique liée aux nanotechnologies moléculaires, comme le développement d’immunocapteurs ampérométriques et la caractérisation par AFM de la reconnaissance biochimique entre molécules individuelles.

- Département de biophotonique et d’optique intégrée (Albrecht

Brandenburg), Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM, Fribourg (Allemagne) : développement de systèmes - composants de mesures optique et électronique pour les analyses biologiques, modules et composants électro-optique ou acousto-optique. Projets en cours : lecteur de biopuce reader pour l’analyse optique de l’ADN, biocapteur interferometric la detection sans marquage de réactions biochimiques, biocapteur pour la caractérisation de cultures cellulaires (biomonitoring systems), , Contrôle de contaminants dans le soil et dans l’eau par infrarouge, Projet IMSIS : contrôle in situ de contaminants du sol.

Quelques équipes travaillant sur les laboratoires sur puces :

- MESA Research Institute (Etats-Unis): “Fluid Handling; Mixing; Reacting; and

Detection”. - University of Pennsylvania : “Total Integrated Microchip Platform”. - University of Michigan: “DNA Analysis With Nanoliter Lab-On-Chip and

integrated on-chip fluorescence detection”. - Imperial College : “Micromachined Chemical Amplifier Speeds PCR Analysis”. - Sandia National Laboratories: “A Fully Integrated Chemical Analysis LOC /

Blood-Cell Laser to Detect Blood Disorders”. - Oak Ridge National Labs. - University of California - Berkeley : “Radial Capillary Array Electrophoresis

System”. - University of Washington : “Annular Column Chromatography With Built-in

Optical Analysis”. - National Institute of Standards and Technology : “Embossed Gratings for

Coupling Light into And Out Of Waveguides”. - University of Alberta : “Z-Type Cell for Fluorescence And Absorbence

Detection”. - Hebrew University : “PCR Primers Immobilized On A Chip”. - Rockefeller University : “Build Biochips A Molecule at A Time With Optical

Tweezers”. - University of Neuchatel (Suisse) : “Tiny Lenses Make Tiny Chip Features”. - Applied Physics Laboratory (John Hopkins University - Baltimore, Maryland) :

développement de méthodes de diagnostic portables et non-invasives pour la



détection rapide d’agents biologiques (biocapteurs) ; à la tête du programme intitulé « Next Generation Sensors Initiative – NGSI »61 pour la mise au point de technologies avancées de capteurs (tous domaines d’applications confondus) et lancé en septembre 2002.

Quelques équipes travaillant sur les puces à cellules :

- Cornell University : Equipe du professeur Michael Shuler, mise au point d’un

« Cell Culture Analog - CCA » sur une puce afin de simuler la physiologie d’un organe.

- Whitehead Institute for Biomedical Research, Cambridge, Equipe de Ziauddin J & Sabatini DM : ”microarrays of cells expressing defined cDNAs”.

« Puces à tissus » :

- Tissue Array Research Program (TARP), National Cancer Institute (www.nci.nih.gov/tarp).

3.2. Grille de marché : analyse par matrice de Porter

Perspectives de marché pour les biopuces

D’après une étude de marché du cabinet Frost & Sullivan en 200162, le marché des biopuces passera de 232 millions de dollars en 1999 à 3,3 milliards de dollars en 2004, avec une croissance annuelle de 63% et une part croissante des applications tournées vers le diagnostic moléculaire. En terme de répartition, les puces à ADN devraient occuper 72% du marché, les puces à protéines 10% et les lab-on-a-chip 18%. Toujours d’après Frost & Sullivan, mais dans une étude de 200263, les revenus liés à la vente d’“arrayers” et de “scanners” a atteint 500 millions de dollars en 2002 et devrait croître jusqu’à 2 milliards de dollars d’ici 2008.

Au-delà, pour le seul marché américain, le cabinet Kalorama Information (New-York) prévoit un volume de marché de près de 5 milliards de dollars en 201064. Sous le vocable « biopuces », cette étude de marché englobe puces à ADN, puces à protéines, puces à cellules et puces à tissus. Le prix moyen d’une biopuce est aujourd’hui d’environ 100 dollars et certains experts le voient à moyen terme à 10 dollars. Le marché américain représentait le marché le plus important en 2002 et le restera encore, au moins à moyen terme. Parallèlement l’Europe, grâce à un nombre croissant de start-up,

61 Site internet correspondant : http://www.ngsi.org 62 “World Biochip market”, Frost & Sullivan, 2001 63 “US functionnal genomics market, Frost & Sullivan”, 2002 64 “U.S. Markets in Analytical Chip Technology: Gene, Protein, Tissue, Cell, and Microbiological Microarrays”, Kalorama Information, mars 2003

- Avec une croissance annuelle de 63%, le marché des biopuces sera de 3,3 milliards de dollars en 2004.

- Le marché des “arrayers” et de “scanners devrait atteindre 2 milliards de dollars d’ici 2008.



investit largement dans les biopuces. Ces nouvelles technologies sont donc à surveiller sur les deux continents, américain et européen. Le secteur des laboratoires sur puce est actuellement le plus attractif. Les NIH américains (National Institutes of Health) viennent d’augmenter de 4 milliards de dollars (par rapport à 2002-2003) les financements globaux concernant directement ou indirectement les développements consacrés aux laboratoires sur puces. En outre, d’après Frost&Sullivan (étude 2003), le marché est estimé à environ 710 millions de dollars en 2008.

Estimations du marché mondial des biopuces

Toutefois, il est important de noter que les estimations de marché peuvent varier énormément selon les cabinets. En effet, une étude du cabinet PJB Publications en 2000 n’envisageait qu’un marché mondial de 950 millions de dollars en 200565. Cela illustre l’incertitude de marché liée à ces nouvelles technologies. En termes d’applications, l’industrie reste et restera le principal débouché des biopuces : en effet, elles permettent d’évaluer rapidement et efficacement l’effet d’un potentiel médicament sur une cible thérapeutique. Les débouchés des autres types d’application sont présentés ci-dessous. Projection des marchés de 2002 à 2007 en termes d’applications de biopuces

65 “Clinica Report : Biochips and Microarrays”, PJB Publications Ltd, novembre 2000



3.2.1. Concurrents du secteur : rivalité entre firmes existantes

Aujourd’hui le marché des biopuces est très fragmenté en fonction des technologies et des applications visées. En termes d’acteurs, les biopuces s’intègrent dans un environnement international qui implique aussi bien des start-up que des grands groupes, sur des secteurs d’activité allant de la microélectronique, à la santé en passant par l’informatique. Mais globalement, sur chaque type de biopuces, une poignée d’entreprises dominent le marché, suivie par un peloton important d’entreprises cherchant à pénétrer le marché grâce à des technologies très innovantes. Le degré de rivalité entre firmes peut être ainsi considéré comme élevé. Dans ces conditions, seule une réelle innovation de rupture permet de prendre des parts de marché conséquentes. De plus, les firmes existantes considèrent que seule une innovation d’avant-garde permet de garder des avantages compétitifs certains.

Croisement de l’approche technologique avec l’offre commerciale

Source : Yole Développement, Etude Biocapteurs et biopuces pour le MINEFI, novembre 2002

Identification des leaders R&D et d’entreprises particulièrement innovantes (listes non exhaustives)

� Puces à ADN

De tous les types de biopuces, le marché des puces à ADN est le plus concurrentiel. En tant que précurseur, Affymetrix (Californie) est leader sur le segment des puces à ADN préfabriquées (80 % des parts de marché) et possède aujourd’hui une importante part du marché ainsi qu’une propriété industrielle de poids. Cette société se concentre sur le segment des puces à haute densité préfabriquées. D’après une étude du cabinet Front Line en 200166, les “scanners” et “arrayers” devraient avoir les plus forts taux de croissance annuel, tous les deux environ 44 % par an, pour atteindre 1,64 milliard de dollars en 2006 pour les “scanners” et 887 millions de dollars pour les “arrayers”. Ces marchés sont également dominés par quelques

66 “DNA Microarrays: A Strategic Market Analysis”, Front Line, novembre 2001



industriels. Affymetrix, Apogent (New Hampshire) et GeneMachines (Californie) représentent 73 % du marché des « arrayers ». Parmi les autres concurrents « puces à ADN », on peut compter :

- Aclara Biosciences - Agilent Technologies (Californie) - Amersham Biosciences (Suède, filiale d’Amersham – Royaume-Uni)

[acquisition récente du système développé par Motorola Life Sciences, le CodeLink system].

- BD Biosciences Clontech (Californie) - Caliper Technologies - GeneScan Europe (Allemagne) - Illumina (Californie) [technologie des puces à billes – BeadArray]. - Incyte Genomics - Nanogen - New Life Sciences - Origene Technologies Inc. (Maryland) [puces à basse densité]. - Oxford Gene Technology - Packard Bioscience - Qiagen (Pays-Bas) - Sequenom - SuperArray Bioscience Corp. (Maryland) [puces à basse densité] - Telechem International (Californie) [mise au point de substrats réflectifs

« miroirs » qui améliorent de 1 % le ratio signal sur bruit]. En termes de positionnement, depuis 2000, l’ensemble des acteurs se placent aujourd’hui plutôt sur le segment faible complexité des puces à ADN avec un nombre important d’échantillons analysés par jour ce qui correspond plutôt à des applications de type diagnostic médical, avec des recherches très ciblées mais répétées.

Positionnement marché dans les technologies puces à ADN en 2000



Positionnement marché dans les technologies puces à ADN en 2002

Source : Présentation faite par Apibio en novembre 2002 au MINEFI dans le cadre de l’étude « biocapteurs et biopuces »

Enfin, la tendance va également vers les puces préfabriquées, ce qui devrait faciliter le passage à une normalisation des résultats de plus en plus demandée. Leur part de marché est aujourd’hui de 50 %, avec un taux de croissance de 25 à 30% par an. Cette croissance ne devrait pas faiblir67. � Puces à protéines

Le marché des puces à protéines est de plus en plus concurrentiel avec près de 25 entreprises déjà présentes sur ce sous segment des biopuces. D’après une étude du cabinet BioInsights,de mars 2002, ce marché va décupler d’ici 2006, pour passer de 76 millions de dollars en 2001 à près de 700 millions de dollars en 2006. Malgré cette dispersion apparente, le marché est dominé par une poignée d’entreprises : Ciphergen Biosystems (Californie) : utilisation de la technologie SELDI - Surface-Enhanced Laser Desorption/Ionization - permet une rétention sélective de protéines sur une surface), leader avec 42 % des parts de marché en 200168, Biacore (Suède), avec 31 % du marché, et Luminex Corp. (Texas) : puces à billes avec 11%.

Parmi les autres concurrents, on peut citer :

- BD Biosciences Clontech (Californie) - Biosite (Californie) : puces à protéines à base d’anticorps ancrés sur une surface

solide - Illumina (Californie) : technologie des puces à billes – BeadArray

67 « The Life Sciences Tools Industry », Salomon Smith Barney, novembre 2002 68 Frost & Sullivan, 2002



- Large Scale Biology (Maryland) : puces à protéines à base d’anticorps ancrés sur une surface solide

- PerkinElmer (Boston) - Prolinx (Etats-Unis) - Protometrix (Etats-Unis) - Telechem International (Californie) :développe actuellement une nouvelle

technologie de puces à protéines, qui devrait être compatible avec son produit « SpotBot Arrayer », déjà utilisé pour ses puces à ADN

- SomaLogic (Etats-Unis) - Zyomyx (Etats-Unis)

D’autres entreprises sont actuellement sur le point de commercialiser de nouveaux produits, en 2004 ou un peu plus tard 69:

- Affibody AB - Aspira Biosystems, Inc. - BioForce Nanosciences, Inc. - BioInvent International AB - Biosite Incorporated - Cambridge Antibody Technology - CombiMatrix - Corning Incorporated Life Sciences - Discerna Ltd. - Domantis Limited - Large Scale Biology Corporation - Molecular Staging Inc. - Nanotype GmbH - Phylos, Inc. - Procognia Ltd. - Protagen AG - ProteinOne Inc. - Protiveris Inc.

� Puces à glucides

- Glycominds (Israël) - Syntesome GmbH (Allemagne) - Neose Technologies (Pennsylvanie)

� Laboratoires sur puces et microfluidique

- Aclara Biosciences (Californie) : utilisation de support plastique à la place du

verre ou du silicone afin d’obtenir un produit jetable (une seule et unique utilisation) et peu cher ; utilisation de fluorochromes de faible poids moléculaire et de ratio charge sur masse spécifique (dérivés de la fluorescéine) pouvant se greffer sur des protéines, des anticorps, des oligonucléotides et de petites molécules (système « e-tag reporter ») et permettant de faire du multiplexage, grâce au ratio charge sur masse spécifique, par séparation dans la même région spectrale par électrophorèse capillaire.

69 “Protein Biochips 2003”, BioInsights consultants (San Francisco)



- Caliper (Californie) et Agilent Technologies (Californie) : accords de collaboration entre les deux firmes sur ce segment.

- Gyros (Suède) : technologie des « lab-on-a-CD » avec utilisation de la force centrifuge].

- Micronics Inc. (Washington) : centrée sur les technologies microfluidiques ; détection laser de la fluorescence.

- Miraibio (Californie) : puces à billes (« liquid array multiplexing ») avec lecture laser classique de fluorescence.

- Molecular Machines & Industries GmbH (Allemagne) : détection de molécules uniques en surface pour le criblage à haut débit.

- Nanogen (Californie) : intégration de la microfluidique et de l’électronique, avec utilisation de la technologie « Photonic Energy Transfer ».

- Norchip (Norvège) - Orchid BioSciences (New Jersey) - Xeotron Corp. (Texas) : plateforme de fabrication de biopuces à façon, à faible

coût, avec immobilisation in situ des molécules biologiques (ADN, ARN, peptides), grâce à l’utilisation de la technologie PhotoGenerated Reagent (PGR) pour la chimie, de la photolithographie et de la microfluidique.

- Zyomyx (Californie) : mise en œuvre de nombreux développements technologiques sur plusieurs fronts, détection (fluorescence, résonance plasmonique de surface, ellipsométrie…), microsystèmes et microfluidique.

� Puces à tissus

- Beecher Instruments (Wisconsin) : développement et commercialisation

d’« arrayers » de puces à tissus. - Chemicon International (Californie) : développement et commercialisation

d’« arrayers » de puces à tissus. � Puces à cellules

- Akcelli (Massachusetts) : puces à cellules utilisant la technologie de transfection

inverse développée dans le laboratoire de David Sabatini, Whitehead Institute for Biomedical Research ; détection de protéines fluorescentes cibles.

- Cellomics (Pennsylvanie)

3.2.2. Entrants potentiels : menace de nouveaux entrants De nombreuses sociétés déjà présentes sur le segment des puces à ADN sont en train de migrer peu à peu vers le marché de la protéomique à haut débit, donc vers la mise en place d’une offre en puces à protéines. Il en est ainsi de PerkinElmer (Boston), déjà connu pour sa gamme Micromax, qui offre maintenant une gamme complète pour la protéomique et la production de puces à protéines. BD Biosciences Clontech, qui fabrique le système Atlas de puces à ADN, fournit aujourd’hui des puces à anticorps, ou encore, une entreprise comme Genicon Sciences Corp. avec sa technologie ubiquitaire de « Resonance light scatterin - RLS – particles » qui peut occuper à la fois le sous segment puces à ADN et le sous segment puces à protéines. Ce positionnement permet de pénétrer un maximum de marchés.



En termes d’investissement, avec un haut niveau de connaissances spécifiques, les entrepreneurs ont un besoin relativement important de capitaux, notamment dans les premiers stades de développement, où les économies d’échelle ne sont pas encore possibles. Cependant, l’avantage concurrentiel peut provenir d’une technologie de rupture, par exemple une manière d’immobiliser les protéines sans en changer l’activité biologique dans le cas de puces à protéines. En outre, ces éventuels avantages concurrentiels dépendent étroitement de la nature et du niveau de protection en propriété industrielle. Ainsi, malgré un marché relativement mature pour l’instrumentation, des niches de marché restent à occuper dans le domaine des « scanners » et « arrayers ». De nouvelles plateformes sont proposées depuis l’an dernier. Parmi les acteurs déjà établis, on peut citer :

- Amersham Biosciences : nouvelle plateforme CodeLink (rachetée à Motorola Life Sciences).

- Qiagen : nouveau système SensiChip et scanner HiLight, développé à partir de la technologie Genicon Sciences (Californie ; voir segment « nouveaux matériaux à propriétés optiques »), de détection fondée sur des nanoparticules RLS (« Resonance Light Scattering »).

- UVP (Californie) : scanner AutoChemi, fait à la fois pour l’imagerie fluorescente et l’imagerie chimiluminescente à partir d’une caméra CCD.

Parmi les nouvelles entreprises ayant récemment sorti ou envisageant prochainement un nouveau produit et particulièrement innovant sur le plan de la biophotonique, on peut citer :

- Blizzard Genomics (Minnesota) a récemment mis au point un scanner combinant un système CCD (pour la détection et l’imagerie, à la place d’un tube photomultiplicateur) et un système LED (Laser Emitting Diode), avec utilisation de la lumière réfléchie, au lieu de la plus classique illumination confocale, qui permet de détecter la fluorescence issue de substrats opaques ou transparents.

- Clondiag (Allemagne) elle combine dans un même système « Array Tube -

AT » une puce à ADN et un tube réactionnel afin d’éviter toute manipulation pour l’hybridation, le marquage et la détection. Pour cette dernière, Clondiag a adapté une méthode de coloration par précipitation pour l’« Array Tube » : cette nouvelle technologie de détection est basée sur une précipitation d’argent induite grâce à une particule d’or, précipitation directement corrélée à la quantité de molécules cibles spécifiquement hybridées. Ce kit permet de s’affranchir d’une détection laser : un lecteur d’image par transmission, peu coûteux, suffit (« transmission imaging reader »).

- CombiMatrix (Washington) développe actuellement la technologie

« matriXarray » pour la production de puces à ADN. Les sondes oligonucléotides sont synthétisées in situ par des méthodes électrochimiques dans une matrice réactionnelle poreuse (« Porous Reaction Layer – PRL ») à la



surface du semi-conducteur. Cette surface immobilise les sondes hybridées et permet d’accroître la sensibilité de détection. En outre, l’ensemble des étapes de fabrication de la puce s’effectue à l’aide d’un unique appareil, ce qui réduit les biais éventuels dus à l’expérimentateur. Ce système de matrice réactionnelle peut être facilement étendu à des puces à protéines. Les applications visées sont la détection d’anticorps en multiplexages, le criblage de peptides, l’ingénierie enzymatique, les réactions enzymatiques sur puce). Enfin, la détection est électrochimique, sans marquage et sans méthode optique. La puce capture directement l’intensité des signaux grâce à des méthodes de détection électronique en temps réel. La sortie du système est prévue courant 2003 pour les puces à ADN. CombiMatrix s’est récemment alliée à Roche Applied Science (Mannheim, Allemagne) pour leur commercialisation.

- Febit AG (Allemagne) développe un système appelé « Geniom One », pour

l’analyse de l’expression génique et le génotypage. Il permet de concevoir soi-même ses puces à ADN et cela « sans aucune connaissance experte de la chimie des surfaces » : le système utilise un système de microcanaux tridimensionnels pour la synthèse des oligonucléotides avec une technique photodépendante. L’hybridation utilise le même réseau de microcanaux. Des microréseaux de 64 000 « spots » (en réalité 8 réseaux de 8 000 spots) ont déjà été réalisés. L’appareil sera commercialisé en 2004 et le prototype est actuellement en test dans l’équipe de Jörg Hoheisel à l’institut allemand de recherche sur le cancer (Heidelberg). La détection des sondes ADN hybridées est assurée par caméra CCD.

- MetriGenix (Maryland) a mis au point la technologie « Flow-Thru Chip » pour

des puces ADN ; chaque spot est en fait un microcanal dans lequel sont fixées les sondes et à travers lequel passe un fluide porteur des « cibles » à hybrider. Grâce à ce système de ratio surface sur volume maximisé, les temps d’hybridation sont réduits et l’intensité du signal accrue. Le signal est détecté par chimiluminescence, ce qui permet de se passer de marquage et donc de biais éventuel. Des puces à protéines à base d’anticorps sont en cours de développement en collaboration avec Temple University (Pennsylvanie).

Les tendances vont vers une intégration de la microfluidique dans tous les types de puces, notamment pour accélérer les réactions mises en jeu (hybridation, etc.) et des systèmes de « scanners » et « arrayers » de plus en plus petits, de moins en moins coûteux et flexibles. Il est important de remarquer que l’innovation biophotonique provient essentiellement de son intégration dans le système, parallèlement aux autres technologies utilisées.

3.2.3. Substituts : menace de produits de substitution Aujourd’hui, aucun produit de substitution ne semble menacer le produit biopuce en tant que tel. Elle semble être la meilleure réponse au besoin du massivement parallèle.



Concernant l’implémentation de technologies biophotoniques à moyen et long terme, on peut se reporter à l’analyse faite dans la partie “grille technologique” pour les technologies susceptibles de substituer les technologies biophotoniques. Aujourd’hui quelques entreprises développent des solutions tout électrique, comme par exemple CombiMatrix (voir ci-dessus), avec une détection électronique en temps réel. On peut également citer la biopuce à ADN/ARN « eSensor™ DNA Detection System » de Motorola Life Sciences. En France, Rosatech a développé un système de lecture sans marquage, par analyse de surface et détection de biomolécules par mesures d’impédance électrochimique et optoélectrochimique. Etant donné les goulots d’étranglement technologiques, les premières entreprises à proposer des solutions seront celles qui devraient envahir le marché, sans oublier le prix qui reste une donnée majeure pour une large diffusion des technologies vendues.

3.2.4. Pouvoir de négociations des fournisseurs

Une des caractéristiques importantes du segment des biopuces est le nombre limité de fournisseurs. Pour les biopuces, les fournisseurs, alliés à une propriété industrielle allant de paire, peuvent avoir du poids dans plusieurs domaines connexes, par exemple :

- la chimie des surfaces : maîtrise de la réactivité de surface (verre, plastique, silicone etc.), notamment par rapport au critère du bruit de fond (« background signal »), avec des fournisseurs comme Corning ,

- la préparation des échantillons, avec l’utilisation de certains réactifs, souvent très coûteux,

- la fabrication de composants optiques de précision, - quelques technologies habilitantes telles que les lasers, les

photomultiplicateurs, et le quasi-monopole d’une firme comme Hamamatsu Photonics KK (Japon).

Un moyen de faire face à cette force de marché de poids est de développer tout un réseau d’alliances pour pallier ses besoins.

3.2.5. Pouvoir de négociation des clients - distributeurs Le pouvoir de négociation des clients est étroitement lié aux applications visées, pour le moment essentiellement pharmaceutiques (découverte et développement de médicaments), et biomédical (diagnostic), étant donné les volumes de marché correspondants. Il est donc nécessaire d’aller vers des puces de plus en plus spécifiques pour répondre au mieux en termes de performances et de coût. Aujourd’hui, avec une offre de plus en plus abondante, les clients se trouvent en position de force, ce qui favorise encore plus un marché concurrentiel. Toutefois, avec l’extension de l’utilisation des biopuces à d’autres secteurs (agroalimentaire, environnement), cette force peut de décroître. D’autres critères tels que les habitudes des clients ou les circuits de distribution privilégiés sont également à prendre en compte.



3.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie Au vu de l’analyse des cinq forces de Porter, le marché des biopuces est hautement concurrentiel, incertain et comporte des risques importants quant au retour sur investissement. Le segment des biopuces n’échappe à une caractéristique majeure du secteur des biotechnologies, à savoir l’importance des alliances et collaborations pour percer le marché. Même si les biopuces sont aujourd’hui l’objet d’une intense compétition industrielle, certains obstacles technologiques font toujours barrage pour permettre leur explosion. En dehors des grands secteurs d’intérêt, la demande semble se structurer autour d’un grand nombre de petites niches, sans réelle homogénéité, comme dans le cas des puces à ADN, pour faire du quantitatif, de la cinétique d’hybridation ou travailler sur de très petites quantités avant PCR. Pratiquement, chaque biopuce est développée spécifiquement, sans possibilité de fabrication en série, ce qui explique leur coût toujours aussi élevé. La recherche de marchés plus larges ou de technologies moins onéreuses reste une priorité pour réduire ce coût. Aujourd’hui, les industriels issus du monde de la microélectronique envisagent de produire des biopuces à bas prix. La recherche fondamentale, la recherche médicale et l’industrie agroalimentaire devraient être les premières à bénéficier de cette évolution. En dehors du marché de la pharmacie et des grands groupes, les industriels potentiellement utilisateurs de ces nouvelles technologies ne les connaissent pas ou peu et les offres issues de la recherche ne sont souvent pas prêtes pour un transfert direct à usage industriel. Les biopuces sont le résultat d’un processus complexe allant de la préparation de l’échantillon, à l’extraction des molécules d’intérêt et à l’exploitation des résultats. La difficulté pour les laboratoires de recherche est de connaître et de prendre en compte le contexte d’utilisation de la biopuce. De ce fait, bien que le besoin existe, on peut dire qu’il y a encore peu de demande, et sans demande, l’offre a du mal à se structurer. L’objectif aujourd’hui pour les industriels est de produire en série des puces à ADN de qualité, avec un faible coût et des délais de fabrication courts70.

70 Source : fiche technologies-clefs 2000-2005 « Les biopuces », réseau ARTEB, décembre 2001



Les transferts de technologie peuvent s’appuyer également sur les forces en présence (voir carte ci-dessous).

Positionnement des forces françaises Sur le segment « biopuces et technologies associées »


Chapitre III Etat des lieux en France – Lasers biomédicaux


4. Lasers biomédicaux : innovations technologiques, photodiagnostic et photothérapie

4.1. Grille technologique 4.1.1. Présentation des technologies et de leurs objectifs

Le développement des lasers biomédicaux résulte d’une meilleure compréhension de l’effet des lasers sur les tissus, ce qui a abouti à un large spectre d’applications du laser biomédical : chirurgie, ophtalmologie, angéiologie, dermatologie, soins dentaires, etc. Les technologies biophotoniques associées se situent essentiellement au niveau des sources lumineuses utilisées : lasers à gaz, à l’état solide ou à semi-conducteurs (applications à basse puissance), diodes électroluminescentes (LED), aux lampes (faibles de puissance) et utilisation de fibres optiques pour le guidage des lasers (la photothérapie dynamique ciblée sur des tumeurs, par exemple). La chirurgie laser est devenue un outil couramment utilisé pour de nombreuses interventions chirurgicales. La photothérapie dynamique et le photodiagnostic représentent les deux sous segments du laser biomédical connaissant actuellement les plus forts développements. La photothérapie dynamique (« PhotoDynamic Therapy » ou PDT) ou photochimiothérapie induit lea destruction « photociblée » de cellules anormales, telles que les cellules tumorales. Elle est fondée sur l’utilisation d’agents photosensibilisants captés de façon plus ou moins spécifiques par les cellules ou tissus ciblés. Administrés systémiquement ou topiquement, ils sont initialement inatifs et ledeviennent après absorption lumineuse de longueur d’onde spécifique. Les radicaux hydroxyles ou l’oxygène singulet produits induisent alors l’oxydation et la mort des tissus ayant intégré l’agent photosensibilisant. Les systèmes biophotoniques, utilisent des sources lumineuses (lasers, lampes filtrées ou barrettes de diodes – LED), des systèmes de conduite de la lumière (fibre optique) et des appareils de dosimétrie lumineuse (mesureurs de puissance et de longueur d’onde) afin de détruire sélectivement les cellules ou tissus ciblés. Le choix de la longueur d’onde de la source lumineuse dépend de deux critères : la profondeur de pénétration de la lumière dans le tissu cible et son efficacité pour l’activation due l’agent photosensibilisant choisi. La lumière bleue ne pénètrant pas profondément dans les tissus est donc préférable pour le traitement de lésions superficielles. De plus, elle est un puissant activateur de photosensibilisant. La lumière rouge, pénètre plus profondément dans la peau. Elle est donc privilégiée pour le traitement de cancers dans des tissus profonds bien qu’elle ne soit pas un activateur de photosensibilisants aussi puissant que la lumière bleue.



La source lumineuse peut elle-même être choisie en fonction du tissu ciblé. Des lésions de la peau, facilement accessibles peuvent être traitées par des sources non laser. Pour des indications plus internes, le laser se révèle indispensable, couplé par exemple à un système endoscopique de fibre optique. Le photodiagnostic repose essentiellement sur le développement de nouveaux outils de diagnostic, utilisant la lumière comme support de l'information. Les applications médicales du diagnostic optique présentent des avantages, par rapport aux méthodes de diagnostic classiques, liées à la nature non ionisante de la lumière et au caractère non invasif de la mesure. La faible énergie lumineuse requise n'entraîne aucune modification structurelle ou fonctionnelle des tissus explorés. Le suivi médical de longue durée est donc sans danger notable pour le patient. En plus des techniques qui reposent sur l’imagerie, comme la microscopie confocale, la spectroscopie de fluorescence résolue dans le temps, la tomographie optique cohérente et l’endoscopie, déjà été évoquées précédemment dans le segment sur l’imagerie médicale, ce segment regroupe principalement : a) L’étude, de la fluorescence naturelle (autofluorescence) ou induite par laser du tissu

concerné, de la répartition de fluorescence d’un fluorochrome exogène (par exemple, du type de ceux qui sont utilisés en photochimiothérapie) et la combinaison des deux méthodes.

b) La mesure des propriétés optiques des tissus et de leur corrélation à des états physiologiques ou pathologiques. L’absorption de la lumière correspond à la composition chimique en eau, en hémoglobine, en protéines… La variation de l’absorption de la lumière dans l’infrarouge permet ainsi pour mesurer le taux d’oxygénation de l’hémoglobine. La diffusion est, quant à elle, dépendante de la structure microscopique (cellules, mitochondries, noyaux cellulaires), mais aussi de la morphologie du tissu (fibreuse ou granulaire). La mesure du coefficient de diffusion permet de détecter la phase de rejet d’un organe.

En dehors du secteur médical, le photodiagnostic par télédétection de la fluorescence induite ou de l’autofluorescence est appliqué à l’analyse de l’état du couvert végétal et à la détection de polluant dans l’environnement. La mesure peut se faire à des distances extrêmement variables, depuis l’espace (lidars) à quelques centimètres de la feuille (fluorimètres).

4.1.2. Alternatives technologiques Les lasers biomédicaux utilisent les caractéristiques uniques de la lumière laser pour mettre en œuvre des traitements thérapeutiques précis et efficaces. La large gamme de lasers (couleur, fréquence, durée des impulsions, puissance et intensité) permet d’adapter les traitements en fonction des cibles thérapeutiques.

© CNRS Photothèque Laser d'excitation de photoluminescence.



Dans le cas de la photothérapie dynamique, même des approches thérapeutiques avec utilisation de radiofréquences ou de chaleur, plus faciles à utiliser et moins chères, n’ont pas démontré leur efficacité de façon convaincante. La grande spécificité de la PDT, et son efficacité thérapeutique, présente un avantage de poids par rapport à d’éventuelles alternatives technologiques. La chimiothérapie fait toujours plus de dégâts à l’état général du patient qu’aux cellules cancéreuses.

Utilisation de la radiothérapie interne sélective71 Autorisée aux Etats-Unis depuis un an, la technique dite de radiothérapie interne sélective (SIRT - Selective Internal Radiation Therapy) a été utilisée avec succès auprès de patients atteints de cancer colorectal ou du sein dont des métastases sont parvenues au foie. La méthode repose sur l’injection de sphères en polymère de 32 microns chargées de radioisotopes dans le système vasculaire qui irrigue le foie. En pénétrant dans les petits vaisseaux, ces microsphères délivrent directement au niveau de la tumeur des doses de radiations jusqu’à 40 fois supérieures à celles d’une radiothérapie externe classique ; les cellules cancéreuses hépatiques sont irradiées et détruites, sans risque pour les tissus environnants. Selon certaines études, ce type de traitement permettrait d’augmenter de 29 à 39% le taux de survie à deux ans des patients cancéreux et de 6 à 17% le taux de survie à trois ans.

Aucune alternative n’a été identifiée pour les applications classiques du laser biomédical. Ce constat est le même pour le photodiagnostic, pour lequel ni les mesures effectuées par les techniques d’oxymétrie, ni la télédétection de fluorescence n’ont d’équivalents technologiques alternatifs.


Pour le laser biomédical, les applications vont en se diversifiant : débouchage d’artères, ophtalmologie, dermatologie et soins dentaires. Une des avancées les plus marquantes de la chirurgie laser a été la chirurgie non invasive, qui utilise des fibres optiques pour intervenir à l’intérieur du corps en utilisant les voies naturelles. Les techniques de chirurgie laser se diversifient pour s’adapter à un plus grand nombre de pathologies, depuis les premières applications en ophtalmologie, pour le décollement de la rétine. La chirurgie laser associe aux effets de l’interaction lumière-matériau, propre à la biologie, les effets thermiques et thermo-mécaniques des lasers de puissance. Les outils laser se développent dans le sens d’un accroissement des performances,

71 Ambassade de France aux Etats-Unis, mars 2003

Imagerie du fond de l’oeil



d’une miniaturisation, d’une plus grande simplicité et d’une meilleure sécurité d’emploi. Les dispositifs de transfert de faisceau laser, qu’ils soient à miroir ou à fibres optiques sont de plus en plus adaptés à des utilisations médicales (stérilisables par exemple). L’utilisation des lasers de faible puissance, appelés autrefois « soft-lasers » connaît aujourd’hui un regain d’intérêt. Le marché des soft-lasers a connu un essor important, sans aucune preuve d’une quelconque d’efficacité, il y a une vingtaine d’années. Ces lasers ont été en particulier utilisés pour le traitement de toute une gamme de problèmes musculo-squelettiques, en médecine sportive, et pour soulager les fortes douleurs ou les douleurs chroniques (arthrite rhumatoïde et arthrose). Actuellement, il n’existe aucun consensus scientifique et médical sur l’efficacité des lasers de faible puissance pour soulager les douleurs. Des travaux de recherche apparaissent aujourd’hui sur les effets potentiels de ces lasers faible puissance, qui montreront des effets potentiellment intéressants à exploiter. Après un relatif plateau d’évolution technologique, les industriels du secteur sont en quête de nouvelles technologies et de nouvelles applications. Les pistes de développement existent :

- Mise au point de nouveaux lasers : élargissement de la gamme spectrale, énergétique et temporelle

- Développement de « LED array » biocompatible, bien moins coûteux que les sources laser

- Développements liés à la photonique moléculaire, pour la mise en œuvre de techniques d’observation actives, couplant l’observation et l’action

- Exploitation accrue des phénomènes d’autofluorescence des tissus : aucune étape de marquage n’est nécessaire. Une image globale de la localisation des régions à risques afin d’envisager une biopsie utile. Cette application peut être très utile pour la détection des cancers. Il reste cependant un verrou technologique à lever pour l’endoscopes dans l’UV proche.

La photothérapie dynamique ne traite aujourd’hui qu’un pour cent des cancers, tous types confondus. Ce chiffre est à nuancer car sur les cas traités, le taux d’efficacité est très important. Aujourd’hui, l’innovation porte plus sur le développement de nouveaux photosensibilisants, que sur les technologies biophotoniques associées. Les enjeux en économie de la santé sont considérables. La chimiothérapie représente en effet 50 % du coût total du traitement d’un cancer. Les photosensibilisants idéaux sont chimiquement bien définis, non toxiques avec une importante sélectivité de localisation tumorale et une forte absorbance entre 600 et 850 nm pour obtenir une bonne pénétration tissulaire de la lumière. Ils doivent également posséder un bon rendement de production d'états triplets72.

72 Site Internet du Docteur Thierry Patrice au Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie Générale à l’Hôpital Laënnec, Nantes



Un laser mesure l’élasticité des cellules vivantes pour détecter les cellules cancéreuses73

Le groupe de recherche du Dr Guck de la chaire de physique molle de l’université de Leipzig en Allemagne a mis au point une méthode optique pour mesurer la rigidité des cellules vivantes et détecter les cellules cancéreuses, généralement plus souples que les cellules saines. « L’étireur » optique utilisé est composé de deux faisceaux laser opposés de faible puissance (10-100 mW) afin de piéger les cellules individuellement. Les cellules sont conduites à travers une cannelure vers une chambre microfluidique en direction de laquelle sont dirigés les deux faisceaux laser perpendiculairement à la cannelure transportant les cellules. Une fois parvenues dans la chambre et bloquées par les faisceaux laser, les cellules se trouvent piégées. En augmentant la puissance du laser (100 mW-1,5 MW), les cellules vont plus ou moins se déformer, selon leur type. les cellules saines vont très peu se déformer, contrairement aux cellules cancéreuses. Les avantages de cette techniques résident dans le fait qu’ il n’est pas nécessaire de disposer de tissus entiers pour effectuer les mesures. Il suffit de prélever individuellement les cellules qui sont ensuite diluées dans une solution nutritive. Les biopsies s’avèrent donc superflues. De plus, le procédé n’entraîne pas la mort des cellules. La combinaison de l’étireur optique avec la chambre microfluidique permet d’analyser des centaines de cellules par seconde, puis de les trier. Il existe d’autres appareils, comme les cytomètres en flux, qui sont capables d’analyser un grand nombre de cellules par seconde. Leur principe, reposant sur l’information visuelle de la cellule, nécessite au préalable un prétraitement. Les autres méthodes pour mesurer l’élasticité des cellules, telles que l’aspiration par micropipette, les pinces magnétiques ou optiques, ont l’inconvénient majeur de ne pouvoir traiter que quelques cellules par jour, ce qui les rend inadaptées au diagnostic.

Le photodiagnostic par oxymétrie infrarouge pour la mesure du taux d’oxygène dans le sang et les tissus utilise des sources lasers à semi-conducteur peu chères. Des oxymètres cutanés sont couramment utilisés pour mesurer le pouls ou le taux d’oxygène dans le sang. Sur le marché, on trouve des dispositifs peu chers qui effectuent cette mesure sur le doigt. La fluorescence induite par laser pour l’analyse de tissus est en émergence, surtout aux Etats-Unis. Des appareils de diagnostic des caries dentaires commencent à être commercialisés, en particulier en Allemagne et aux Etats-Unis.

Nouvelle technologie de diagnostic des caries dentaires74 Les mesures de conductance électrique et la fluorescence quantitative induite par laser représentent des améliorations appréciables par rapport aux méthodes de diagnostic classiques, en particulier pour les applications in vitro et, surtout, au niveau de la sensibilité et de la reproductibilité. Le système de fluorescence laser, DIAGNOdent, mesure la fluorescence qui créée lorsque la lumière laser frappe des zones de déminéralisation. C’est un appareil non invasif, simple à utiliser et qui fournit des données quantitatives.

73 Communiqué de presse de l'Université de Leipzig, février 2003 74 Diagnostic de la carie occlusale : Partie II. Nouvelles techniques de dignostic), Laura E. Tam, DDS, M.Sc et Dorothy McComb, BDS, MScD, FRCD(C), Journal de l’Association dentaire canadienne, Septembre 2001, Vol. 67, N° 8.



Les techniques d’analyse de la fluorescence des végétaux par télédétection active ou passive et par fluorimétrie sont actuellement au stade de l’expérimentation sur le terrain.

Le DE-FLIDAR : Un nouvel instrument de télédétection du couvert végétal75 Un nouveau LIDAR (radar à lumière) a été développé par le Groupe Photosynthèse et Télédétection du CNRS pour tester une nouvelle approche en télédétection active de la fluorescence des végétaux. L'utilisation d'une double excitation dans l'UV (355 nm) et dans le visible (532 nm), et d'une double mesure d'émission (685 et 735 nm), a permis d'estimer simultanément la concentration de la chlorophylle et l'absorption UV de l'épiderme des feuilles. Cette double signature de l'état physiologique de la végétation, mesurable sur une feuille ou sur un couvert végétal, est la plus spécifique obtenue à ce jour. Elle sera utilisée pour l'agriculture de précision et dans la recherche environnementale.

4.1.4. Applications visées Pour l’ensemble de ce segment, les applications visées concernent le secteur médical. Les contraintes majeures à intégrer sont la réglementation, notamment au cours du développement et de la mise sur le marché, et le coût, pour une large acceptation par le système de santé. Les lasers médicaux trouvent leurs applications dans quatre domaines : la chirurgie ophtalmique, les traitements esthétiques et cosmétiques, la chirurgie générale et la dentisterie. La photothérapie dynamique trouve ses principales indications cliniques dans la dermatologie (kératoses actiniques ou solaires), l’ophtalmologie (dégénérescence maculaire liée à l’âge - DMLA) et la cancérologie. Toutefois seul le traitement à but palliatif des cancers est autorisé. Certaines applications très spécifiques demandent encore à être développées, pour le marché de l’endovasculaire ou l’identification et le traitement de maladies à leur stade le plus précoce possible. Il est important de noter que, face au système de santé et les souhaits des patients, les besoins s’orientent vers la diminution des coûts, la miniaturisation, des solutions technologiques plus flexibles et de moins en moins invasives. Le photodiagnostic des tissus par fluorescence est un domaine émergent dont le développement technologique est en phase d’amorçage. Des appareils simples de diagnostic optique sont en cours de commercialisation en dentisterie (surtout en Allemagne et aux Etats-Unis) et des appareils plus sophistiqués émergent en ophtalmologie (EPFL de Lausanne). Plusieurs industriels proposent des imageurs endoscopiques fondés sur l’exploitation de l’autofluorescence ou de la fluorescence induite destinés au dépistage des tumeurs précoces sont déjà commercialisés.

75 Ounis, A., Cerovic, Z.G., Moya. I. & Briantais, J.-M (2000) Rem. Sens. Environ., sous presse.



Bien que la recherche française soit bien placée dans ce domaine, il n’existe pas de leader français sur ce marché. D’un côté il manque une impulsion de la recherche vers l’industrie et de l’autre, cette technologie étant dans le domaine public, donc difficilement brevetable, n’attire pas les industriels, même si ses atouts ne sont pas négligeables :

• Non invasives, ces techniques facilitent grandement leur utilisation clinique et simplifient les démarches d’habilitation.

• L’oxymétrie représente un marché de volume très important. Ses applications sont très nombreuses : - Médical : en diabétologie (mesure du taux de sucre), en neurologie (attaques

cérébrales), en cancérologie (contrôle du taux d’oxygénation de la tumeur pour une meilleure efficacité du traitement)

- Défense : contrôle de la vigilance des pilotes d’avions de chasse - Conditions extrêmes : plongée, haute montagne… - Sport de compétition : mesure de l’effort

Les applications de la télédétection de fluorescence se trouvent essentiellement dans l’agriculture (agriculture raisonnée, gestion agricole, sylviculture) et la protection et le suivi de l’environnement.


Pôle francilien

- Laboratoire de physique des lasers, Université Paris-Sud 11II, Villetaneuse, Equipe de Sigrid Avrillier : développement des lasers en tant qu’outils diagnostiques, par exemple pour la mesure de l’oxygénation des tissus et à la détection précoce de tumeurs (oxymétrie infrarouge, autofluorescence induite par laser et tomographie optique cohérente).

- Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire, Paris 6

Equipe de Geneviève Bourg-Heckly : photodiagnostic et spectro-imagerie endoscopique d’autofluorescence destinée à la détection des tumeurs précoces. Equipe de Daniel Brault et Jocelyne Blais : Mécanismes d'action des molécules photoactivables; activité photobiologique in vitro et sur modèles animaux de photosensibilisateurs.

- Laboratoire Aimé Cotton, Université Paris-Sud 11, Orsay, Equipe de René

Farcy : laser et dispositif d’irradiation ciblée. - Laboratoire d'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique, LURE / CNRS,

Equipe Photosynthèse et Télédétection de Zoran Cerovic’, Université de Paris-Sud 11, Orsay : photodiagnostic par télédétection de fluorescence pour l’analyse de l’état physiologique des végétaux et le suivi de l’environnement.



- Laboratoire de Chimie Physique, Université Paris-Sud 11, Orsay, Groupe de Biophysique, Equipe de Fabienne Merola (Photobiologie) : photonique pour le diagnostic et la thérapeutique ; étude de différentes spectroscopies optiques, et principalement de la fluorescence résolue dans le temps à haute résolution, pour étudier la réactivité, la structure, la dynamique et les interactions des protéines, en relation avec leurs fonctions biologiques et leurs mécanismes de régulation. Réalisées in vitro, ces études débouchent sur des procédés de caractérisation pharmacologique originaux. Combinées à des techniques de microscopie in vivo, elles permettront de proposer des méthodes innovantes de diagnostic cellulaire.

- Laboratoire de Photophysique Moléculaire de l’Université de Paris-Sud 11

Groupe de Photobiologie et Biophotonique dirigé par Marie-Pierre Fontaine-Aupart : caractérisation des différentes étapes de la réactivité de molécules biologiques depuis le domaine de la femtoseconde (Femtochimie) au développement de nouvelles instrumentations d’imagerie au service du diagnostic et de la thérapie (Biophotonique) en passant par l’élaboration de nanostructures pour l’exaltation du signal optique et destinées à augmenter la sensibilité des systèmes biologiques (Nanotechnologie).


Lille - Centre d’Etudes et de Recherches Lasers et Applications (CERLA), Université de

Lille I : thématique plus spécifique « Applications des Lasers et de la Spectroscopie en Physico-Chimie Moléculaire ».

- Laboratoire des Lasers Médicaux, Faculté de Médecine de Lille : organise des

formations sur l’utilisation des lasers médicaux.

Lyon - Laboratoire de Recherches sur la Détection et le Traitement de la Prolifération

Tissulaire par Agents Physiques, Unité Inserm 281, dirigé par Dominique Cathignol (Lyon) : photothérapie et photodiagnostic, notamment appliqués au cancer (Lenz et Mestas).

Nancy - Laboratoire Mise en Forme et Evaluation de Matériaux d’Intérêt Thérapeutique

ou Biologique, Faculté de Pharmacie, Université Henri Poincaré - Nancy I (Nancy) : photothérapie dynamique (Dominique Notter).

- Unité de Recherche en Thérapie Photodynamique, dirigée par François

Guillemin : ce centre a développé une activité de recherche fondamentale sur les techniques de biopsie optique et de thérapie photodynamique.

- CRAN (Centre de Recherche en Automatique de Nancy), équipe Ingénierie Pour

la Santé, dirigée par Didier Wolf : biopsie optique.



Nantes - Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie

Générale de l’Hôpital Laënnec, Nantes, équipe de Thierry Patrice : photochimiothérapie (nouveaux photosensibilisants, évaluation préclinique de photosensibilisants, nouvelles applications en photochimiothérapie), photodiagnostic des cancers par fluorescence.

- Equipe Modélisation d’Instrumentation du Laboratoire Procédés-Matériaux-

Instrumentation (LPMI-EMI) de l’ENSAM d’Angers dirigée par Jean-Pierre L’Huillier : interaction thermique et photoablative laser-tissus biologiques, diagnostic et imagerie par diffusion de photons.

St Etienne - Laboratoire Traitement du Signal et Instrumentation, Université de St-Etienne,

dirigé par Pierre Laporte : : la spectroscopie et les lasers et l’étude des milieux optiques actifs (guides optiques dopés, matériaux lasers, plasmas), les applications des techniques de spectroscopie résolue dans le temps à la biophotonique et les développements associés aux lasers femtosecondes.

Entreprises - CILAS (Marcoussis) : Développement, industrialisation et production de systèmes

associant le laser à l’optique de précision dans les domaines des hautes technologies militaires et civils (scientifique, industriel et médical).

- EREO (Etudes et Réalisations Electroniques et Optiques ; St Genis Pouilly – Ain) :

Applications médicales du laser ; Mesure Optique et Optoélectronique.Produits des pointeurs laser pour microscopes opératoires, des équipements pour traitement laser en dermatologie, en ophtalmologie et des bancs optiques de comptage pour l’analyse biologique.

- Osyris (Lille) : mise au point de lasers dans des longueurs d’onde non encore

exploitées. - Quantel (Les Ulis) : développement et commercialisation d’une gamme complète

d’appareils lasers conçus pour l’ophtalmologie et la dermatologie.


Thérapie photodynamique et photodiagnostic - Pr G.JORI, Center for Medical and Environmental Photobiology, University of

Padova (Italie)



- Pr M. GRAHN, London Hospital, Grande-Bretagne - Dpt of Medicial Photochemistry, Leiden, Hollande (Pr GMJ Beijersbergen van

Henegouwen) - Laboratoire de Photobiologie (Taka-aki Ono), Photodynamics Research Center,

Sendai (Japon) - Centre de photothérapie dynamique à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

(Suisse)

Lasers biomédicaux - Beckman Laser Institute (Californie) - Laser Biomedical Research Center, MIT (Massachusetts) - Center for Biomedical Optics and New Laser Systems – BIOP (Danemark)

Sur le segment de l’ophtalmologie - Stanford Eye Laser Center (directeur : Edward E. Manche), Stanford University

Medical Center (Etats-Unis) : mise en place notamment d’essais cliniques.

4.2. Grille de marché : analyse par matrice de Porter

Perspectives de marché pour les lasers biomédicaux, la photothérapie et le photodiagnostic

Le marché mondial du laser biomédical a atteint sa phase de maturation (croissance à un chiffre), estimé à 2,2 milliards d’euros en 2002, il représentait un peu plus de 2 milliards en 2001). Les applications pour la chirurgie (plus de 30 % des parts) viennent en tête, suivies de près par les applications pour l’ophtalmologie (Source : Spectrum Consulting). Des tendances fortes vont soutenir la croissance de ce segment : une population vieillissante et l’émergence de nouvelles thérapies pour des maladies auparavant intraitables. L’ophtalmologie représente typiquement ce marché : il représente 11 milliards de dollars76, dont seulement une partie concerne le laser biomédical.

76 Rapport annuel 2001 d’Alcon

En phase de maturation, le marché mondial du laser biomédical est estimé à 2,2 milliards d’euros en 2002. L’ophtalmologie représente un secteur de croissance important.



4.2.1. Concurrents du secteur : rivalité entre firmes existantes

Le secteur du laser biomédical est un secteur hautement compétitif, dominé par des géants (notamment pharmaceutiques) auxquels s’ajoutent de nombreuses PME innovantes qui créent une R&D réactive de premier plan.

Le laser biomédical Ce secteur représenté par 30 à 40 entreprises dont Lumenis (Israël), VISX (États-Unis), Candela (États-Unis) Summit Autonomous (Etats-Unis), Ascleption-Meditec (leader européen, filiale de Jenoptik AG), Biolase (Californie, pour la dentisterie). En termes de segmentation, le leader mondial est Lumenis (Israël ; applications laser médicales, esthétiques et ophtalmologiques). Ses principaux concurrents sont sur le segment :

- médical : Diomed Inc., Dornier MedTech, et Bioletic AG, - esthétique : Candela Corporation, Cynosure, Inc., Laserscope, Inc. et Altus

Medical Inc, - ophtalmologique : Quantel et sa filiale Quantel-Medical, Carl Zeiss Micro Imaging

Inc., Nidek Technologies Inc., et Iridex Corporation. Entreprises plus spécialement concentrées sur la dentisterie : Millennium Dental Technologies Inc. (Cerritos, Californie), Biolase (Etats-Unis). Entreprises plus spécialement concentrées sur l’ophtalmologie : VISX (Etats-Unis ; technologies laser - laser excimer pour la correction de la vision), Alcon (numéro 1, suisse), Asclepion, Bausch & Lomb, LaserSight, Nidek, Schwind et WaveLight. La photothérapie dynamique Développement plus spécifique de photosensibilisants : QLT PhotoTherapeutics Inc. (Canada - Focalisée dans le développement de nouveaux photosensibilisants en PDT pour des applications en ophtalmologie, en partenariat avec Novartis Ophthalmics AG, pour leur produit « Visudyne » adapté au traitement de la DMLA77) et plus récemment pour des applications en oncologie. Elle est un des leaders sur le marché de la photothérapie dynamique.), Axcan Pharma Inc. (Etats-Unis), Miravant, Inc. (Etats-Unis), et Pharmacyclics, Inc. (Etats-Unis) et d’autres entreprises, plus axées sur des photosensibilisants à base d’acide delta aminolévulinique (ALA), comme Medac GmbH (Allemagne), Photonamic GmbH & Co. KG (Allemagne) et PhotoCure ASA (Norvège). En France, pou la mise au point et la commercialisation de photosensibilisants, outre les « géants » on peut noter : Laboratoires Negma (Paris, Quimper) et Opi&Isotec (Dardilly). Autres acteurs importants de la photothérapie dynamique en général :

77 Rapport annuel 2001 de QLT Inc.



- Ciba Vision : PDT pour la DMLA notamment. - DUSA Pharmaceuticals (Etats-Unis) : Développement de technologies

photodynamiques visant la détection et le traitement de maladies dermatologiques (notamment grâce à l’utilisation de son photosensibilisant « Levulan ») et du cancer.

Le photodiagnostic L’oxymétrie de pouls est le marché le plus développé. Des dispositifs digitaux bon marchés et simples d’utilisation sont couramment utilisé par tout le corps médical. Ils sont produits par de nombreuses sociétés étrangères telles que Datex-Ohmeda (Finlande), GE-Medical Systems (Etats-Unis), Nonin Medical (Etats-Unis), BCI (Etats-Unis) ou SAFAS (Monaco). Le marché de la fluorescence induite est au tout début de son développement pour le diagnostic dentaire. Actuellement, la seule la société allemande Kavo est présente sur ce marché avec son dispositif DIAGNOdent®. Ce produit qui effectue une analyse point par point, est encore très peu utilisé en France, les praticiens lui préférant l’imagerie. Plusieurs industriels proposent des imageurs endoscopiques fondés sur l’exploitation de l’autofluorescence ou de la fluorescence induite destinés au dépistage des tumeurs précoces : la société canadienne Xillix Technologies (système Onco-LIFE, troisième génération d'imageur d’autofluorescence de cette entreprise, pour le diagnostic précoce dans les bronches et les voies digestives), la société PENTAX (imageur d’autofluorescence SAFE-1000 pour les bronches), le fabricant allemand d'endoscopes Karl Storz (cystoscope D-Light pour le dépistage des tumeurs précoces de la vessie par fluorescence induite après instillation d’ALA, bronchoscope D-Light/AF pour le dépistage des tumeurs précoces bronchiques par autofluorescence), la société allemande Richard Wolf Endoskope (transfert industriel d’un imageur d’autofluorescence développé par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne destiné en première intention à la détection des lésions tumorales précoces de l'arbre trachéo-bronchique).

4.2.2. Entrants potentiels : menace de nouveaux entrants Ce marché s’oriente aujourd’hui vers une concentration des acteurs. D’après certains experts, ce phénomène n’est que conjoncturel. Parallèlement, les marchés émergents peuvent accroître le nombre d’acteurs présents, par exemple en dentisterie, dermatologie, traitement de la congestion cérébrale, ou dans l’utilisation du laser pour la suturation des plaies en chirurgie. Les investissements pour la mise au point de lasers restent très lourds, ce qui ne facilite pas l’arrivée de nouveaux concurrents. Pour l’utilisateur, une certitude : le laser restera cher et demandera toujours l’intervention d’un spécialiste pour son fonctionnement, étant donné les risques élevés pour le patient. D’un point de vue technologique, le rythme des innovations est freiné par une réglementation très contraignante (recherche et développement, essais cliniques, production, contrôle environnemental, sécurité, efficacité, étiquetage, publicité,



promotion, fixation des prix, enregistrement des achats, distribution) qui entraine une inertie pouvant ainsi annihiler tous les efforts d’un produit réellement innovant.

4.2.3. Substituts : menace de produits de substitution Même si la recherche et le développement restent très chers et longs, avec un coût d’acquisition du savoir et du savoir-faire relativement élevé, aucune alternative de substitution n’a été identifiée.

4.2.4. Pouvoir de négociations des fournisseurs Les composants de certains lasers sont dépendants de fournisseurs, comme dans le cas du laser à erbium. La marge de manœuvre pour l’arrivée de nouveaux concurrents en est d’autant réduite.

4.2.5. Pouvoir de négociation des clients - distributeurs Ce critère est principalement fondé sur l’acceptation de nouvelles technologies par le corps médical prescripteur. Les médecins évaluent le produit et décident, même indirectement d’un éventuel remboursement par le système de santé. Les réglementations sont différentes sur les marchés américains, européens et japonais, les trois principaux marchés de captation, d’où des aléas et un coût plus important dans le processus de mise sur le marché.

4.3. Facteurs de succès pour un transfert de technologie Des synergies sont envisageables, notamment avec les technologies de l’imagerie cellulaire et tissulaire. La promotion d’une interdisciplinarité serait une source d’innovations de rupture.




Positionnement des forces françaises Sur le segment « lasers biomédicaux »




5. Positionnement de la France et de l’Ile-de-France sur les différents segments

La matrice de positionnement suivante dérive de la présentation des différents segments et des forces en présence (voir cartes correspondantes) : Grille de lecture : D’un point de vue économique, pour l’ensemble des segments, les marchés mondiaux sont estimés globalement de l’ordre de quelques milliards de dollars à l’horizon 2004-2005 (par exemple 3,3 milliards de dollars pour les biopuces en 2004). En terme de croissance, chaque segment est qualifié de la manière suivante : un taux de croissance annuel à un chiffre correspond à ‘+’, à plus de 10% ‘++’ et à plus de 20% ‘+++’. D’un point de vue technologique, chaque segment est qualifié selon sa phase de développement, dans le cycle de vie technologique : ‘+’ pour la phase d’émergence, ‘++’ pour la phase de croissance plus ou moins forte et ‘+++’ pour la phase de prématurité ou de maturité. Enfin, le positionnement de la France ou de l’Ile-de-France correspond à son potentiel de développement dans le segment choisi, en fonction du nombre de forces en présence (équipes de recherche, programmes, entreprises etc.) : un nombre important de ‘+’ correspond à un fort potentiel. Globalement, comme déjà mentionné, la biophotonique, tous secteurs confondus, se situe en phase d’émergence. Parallèlement à de nouveaux développements technologiques, elle s’appuie sur une base « historique » comme les lasers appliqués depuis plusieurs années aux sciences de la vie.



Imagerie cellulaire et tissulaire Ce segment regroupe essentiellement l’instrumentation, avec un marché déjà bien structuré et une propriété industrielle bien établie. L’acquisition de ce type de matériel reste coûteuse, ce qui explique en partie un taux de croissance annuel des marchés légèrement en dessous de 10%78. Cependant, il reste tout de la place pour des innovations de rupture et des applications sur des marchés de niche. A ce titre, la France et plus particulièrement l’Ile-de-France possède un bon réseau de concepteurs de systèmes, notamment en aval, avec les traitements d’image, et d’utilisateurs. Les différents EPST ont en effet largement investi dans la mise en place de plateformes d’imagerie.

Le positionnement peut donc être qualifié de moyen à bon.

Nouveaux matériaux à propriétés optiques A côté des biomarqueurs fluorescents classiques et des GFPs, ce segment est encore en croissance, avec un nombre potentiel d’applications très important. Il regroupe des technologies très transversales, utilisables dans de nombreux segments. Le taux de croissance annuel des marchés associés est estimé autour de 12 à 13%79. Le potentiel français et francilien s’exprime essentiellement en termes d’excellence scientifique. Le manque de structures industrielles d’accueil pourrait pénaliser le développement de ce segment.

Le positionnement peut donc être qualifié de bon, si les moyens sont rapidement apportés.

Biopuces Ce segment se caractérise en premier lieu par une très grande hétérogénéité de types de systèmes (des puces à ADN aux puces à cellules) et d’applications. Ces dernières définissent quasi-exclusivement le cahier des charges pour la mise au point des biopuces. Certaines technologies sont relativement proches de la maturité, telles que les puces à ADN, mais d’autres systèmes sont en plein développement, comme les laboratoires sur puce ou les puces à cellules. Historiquement, les puces à ADN ont réellement représentés une innovation de rupture et ont connu une croissance explosive. Aujourd’hui, avec le nécessaire passage à la protéomique, le sous-segment « puces à ADN » continue de croître, mais plus lentement. La prochaine génération de biopuces (puces à protéines, laboratoires sur puces, puces à cellules) est en cours de mise au point et rencontre quelques barrières

78 ADIT : chiffres émanant de différentes sources (rapports d’analystes financiers, études sectorielles, rapports annuels) 79 Voir segment correspondant et l’analyse « grille de marché »



technologiques. La croissance est tout de même là et certains experts prévoient même un taux de croissance annuel de près de 50%. De nombreuses initiatives nationales ont été lancées en 2003 pour soutenir le segment des nanobiotechnologies. Certaines de ces initiatives entrent dans le cadre du sixième programme-cadre européen. Etant donné l’excellence scientifique et le nombre d’équipes travaillant dans ce domaine, les biopuces pourraient en profiter largement. La concurrence européenne et américaine demeure toutefois très intense.

Le positionnement peut donc être qualifié de bon à très bon.

Lasers biomédicaux Ce segment a atteint une certaine maturité Le laser biomédical est déjà implanté et utilisé depuis plusieurs années pour de nombreuses applications. Le taux de croissance annuel reste à un seul chiffre. Des marchés de niche innovants peuvent apparaître, notamment dans des domaines d’applications relativement inédits comme l’environnement ou l’agronomie. En outre, les contraintes réglementaires médicales pèsent fortement sur la croissance des marchés et l’innovation de ce segment. D’un point de vue aussi bien français que francilien, la masse critique de recherche reste faible même si les équipes de développement sont d’un très bon niveau. Cette faiblesse pourrait induire une certaine dépendance vis à vis du laser en tant que technologie habilitante (utilisation transversale dans de nombreux segments).

Le positionnement peut donc être qualifié de faible à moyen.



Trois questions à… Denis Levaillant, directeur général de Thales Angénieux (1).

1. Que préconisez-vous pour favoriser le développement de la filière biophotonique en France, notamment dans le domaine chirurgical ? Les chirurgiens français sont parmi les meilleurs au monde, mais les équipements d'imagerie et d'endoscopie qu'ils utilisent viennent majoritairement de l'étranger. La France a pourtant un fort potentiel dans ce domaine, mais celui-ci est brouillé par la prédominance des équipementiers étrangers. En réalité, il existe en France un important besoin de structuration du secteur de l'imagerie médicale et chirurgicale pour instaurer un véritable dialogue entre utilisateurs (médecins, chirurgiens) et industriels. Cette structuration doit être pilotée par les pouvoirs publics (ministères de la Santé et de la Recherche) dont le rôle est d'indiquer le cap à suivre, par exemple à travers un programme national de développement du « bloc opératoire de demain ». Les techniques et les technologies existent mais il faut en organiser l'assemblage coordonné pour offrir aux praticiens les outils de demain tels que les caméras chirurgicales 3D, les robots chirurgicaux pilotés (même à distance) par le chirurgien, les simulateurs de gestes opératoires pour la formation des chirurgiens, etc. 2. Quels sont aujourd'hui les besoins des entreprises pour atteindre cet objectif ? Les compétences existent, c'est cette structuration du marché, permettant de mettre face à face les besoins des utilisateurs et l'offre des industriels, qui fait défaut. Si un programme clair était mis en oeuvre, les entreprises seraient moins livrées à elles-mêmes. Il existe des réseaux d'excellence dans de nombreux domaines technologiques, mais étrangement aucun dans le domaine de l'optique chirurgicale... Il y a bien sûr besoin d’accompagner un tel programme des financements nécessaires. 3. Pourtant vous reconnaissez que le potentiel de la France dans ce domaine est important. Comment le jugez-vous ? Il est en effet très important. Comme je l'ai expliqué, les compétences, les techniques et les technologies françaises existent dans de nombreux domaines médicaux : ophtalmologie, chirurgie, dentisterie, photo et radiothérapie, endoscopie, microscopie... Mais jusqu'ici les acteurs français du secteur n'ont pas réalisé qu'ils avaient chez eux tout ce dont ils avaient besoin. Manque de vision ? Sans doute... Manque d'une volonté nationale de structurer ce secteur prometteur ? Certainement ! Pourtant, cette structuration est impérative si la France veut résister à l'avance de pays comme les Etats-Unis, l'Allemagne et le Japon dans le domaine de l'imagerie médicale. _____________________________ (1) Thales Angénieux est spécialisé dans les technologies et les équipements d’imagerie haute définition pour le militaire et le civil, et notamment dans les équipements d'imagerie médicale (colonnes d’endoscopie).

Chapitre IV -

Préconisations pour développer la biophotonique française

Chapitre IV Préconisations


Introduction Le Ministère de l’Industrie vient de publier le Plan Innovation issu de la consultation nationale réalisée au début de cette année 2003. Un certain nombre d’outils proposés apportent d’ores et déjà des réponses qui devraient largement favoriser le déploiement de la biophotonique française, notamment dans les domaines de la valorisation et du transfert de technologies. La volonté du gouvernement de renforcer la coopération entre les services de l’État, les acteurs locaux et les entreprises, et de favoriser l’émergence de pôles d’excellence en R&D industrielle, est clairement exprimée dans ce plan.

« L’exemple national et international montre le rôle structurant, pour le développement territorial et industriel, de « pôles d’excellence » à visibilité mondiale. Ces pôles impliquent la concentration, dans une même zone géographique et un même domaine technologique, de moyens complémentaires dépassant une certaine masse critique : des centres de recherche publics et privés d’excellence, des entreprises technologiques leaders, un tissu de PME réactif, des centres de formation. »

A) Pour favoriser la pluridisciplinarité La biophotonique provient de la réunion de plusieurs disciplines de cultures très différentes : l’optique, la médecine, la biotechnologie, mais aussi la chimie et l’informatique. Ces disciplines ne sont pas souvent conduites à se croiser autour de thèmes de recherche communs. Il faut donc lever les freins naturels à la pluridisciplinarité en fédérant les acteurs autour d’une nouvelle discipline commune, la biophotonique. L’expérience, tentée dans d’autres pays a déjà permis la création de nombreux centres d’excellence en biophotonique de renommée mondiale, aux Etats-Unis, au Canada, en Allemagne et en Grande-Bretagne. Ces centres sont en général spécialisés par technologie (laser, imagerie…) et ont été créés sur initiative publique (universités) ou privée (associations professionnelles, entreprises…). De telles structures spécifiques favorisent l’interdisciplinarité par la mise en place de formations, de programmes de recherche, de partenariats industriels et de financements.

1. Fédérer les forces de recherche Des collaborations bilatérales portant sur des projets de R&D ou même des laboratoires mixtes entreprise-EPST seront incités. Le Plan Innovation prévoit en effet d’instaurer une prime au partenariat entre recherche publique et recherche privée, sur la base d’un vrai programme scientifique dans le cadre d’un contrat de collaboration pour lequel l’industriel apportera le financement, et l’établissement d’enseignement supérieur et de recherche apportera ses chercheurs, ses connaissances et son matériel scientifique.



Ø Action

- Créer un réseau thématique biophotonique, associant le CNRS, le CEA, l’INSERM, des universités, des grandes écoles et des entreprises, dans le cadre d’un programme destiné à promouvoir des travaux pluridisciplinaires dans le champ de la biophotonique. Ses objectifs sont de lancer des appels à projets de recherche interdisciplinaires, de proposer la mise en place de formations spécifiques et de travailler en étroite collaboration avec les initiatives plus spécifiques déjà en place.

- Mettre en place des plateaux techniques mutualisant des moyens et des compétences autour de grands équipements, afin de réduire les coûts d’investissement et d’exploitation.

- Regrouper les laboratoires en unités de taille critique suffisante pour mener des travaux de recherche d’envergure internationale, sur le modèle des Franhoffer Institut allemands.

En effet, afin d’inclure suffisamment tôt les préoccupations concernant la mise en application et la valorisation des nouvelles techniques développées dans le cadre de ces recherches, il est utile de mener des actions spécifiques amenant les entreprises à exprimer leurs attentes et décrire leurs pratiques. Certaines sociétés, telles que CIS bio international, ont déjà des relations fortes avec des équipes pluridisciplinaires de chercheurs (CNRS, CEA, INSERM), ce qui leur permet d’accéder facilement à cette information et de réaliser l’intégration technologique des résultats. Cette démarche de participation des acteurs industriels à la vie de la recherche en biophotonique peut se systématiser en s’appuyant au niveau national sur des associations du type ECRIN. Pour faciliter la mise au point de prototypes dans l’optique d’un développement préindustriel, il serait profitable d’étendre la présence d’ingénieurs experts technologiques dans les laboratoires, par exemple sur la base de postes d’ingénieurs valorisation associés à un projet. Actuellement, plusieurs initiatives, regroupant des laboratoires de diverses disciplines autour de thématiques communes en rapport avec la biophotonique, voient le jour sur le territoire français. On peut notamment citer :

- Le GdR Microscopie Fonctionnelle du Vivant qui regroupe 52 équipes de Marseille, Lyon, Mulhouse et Paris.

- L’Institut d’Imagerie Neurofonctionnelle (IFR 49) à Paris et l’Institut Imagerie et

Exploration Fonctionnelle (IFR 120) à Tours - La mise en place du Consortium lyonnais qui réunit cinq laboratoires dont l’objectif

est de conduire une recherche interdisciplinaire sur les Lab-on-a-Chip.



- L’Institut fédératif d’Alembert : application des lasers et molécules aux biotechnologies et réseaux de télécommunications (IFR 121) qui regroupe des laboratoire de l’ENS Cachan, du CNRS, du CNAM et de l’Université de Paris-Sud 11.

- La création en cours d’un institut de Physique Chimie et Biologie à Lille. - L’initiative d’une plateforme pour les technologies de la santé autour de l’ESPCI,

de l’Institut Jacques Monod et du campus de Tolbiac. - L’accord-cadre CNRS-INSERM pour l’innovation technologique en médecine

dont l’objectif est de favoriser une fertilisation croisée entre expertise médicale et expertise technologique, toutes deux appliquées au domaine de la santé.

La thématique de la biophotonique et de ses champs d’étude prioritaires pourra s’appuyer sur ces initiatives pour émerger comme un thème de recherche autonome. Ø Modes de financement

Au niveau national

Plusieurs modes de financement de projets fédératifs existent au niveau national :

- Les appels à projets d’actions concertées incitatives (ACI) du Ministère de la Recherche et du CNRS insistent sur l’interdisciplinarité : interface physique-chimie-biologie, dynamique et réactivité des assemblages biologiques, nouvelles méthodologies analytiques et capteurs, protéomique et génie des protéines, programme nanosciences, etc.

- Les appels à projets réseau qui favorisent la R&D ayant des retombées économiques.

L’appel 2003 du RNTS peut couvrir la biophotonique à travers les dispositifs d’analyse biologique intégrés, les nouvelles technologies thérapeutiques, ou l’imagerie médicale.

- Les programmes interdisciplinaires de recherche (PIR) du CNRS dont l’un des

objectifs majeurs est de développer l’interdisciplinarité au service de l’avancement des connaissances, du développement économique et technologique, afin de susciter l’émergence de nouvelles thématiques à la frontière des différentes structures traditionnelles et de répondre à des défis scientifiques et technologiques. Parmi les sept nouveaux programmes figurent les « Biopuces à ADN ».

- Les équipes de recherche technologiques (ERT) qui, en partenariat avec des

industriels, mènent, sur le moyen terme, des recherches dans le cadre de projets visant à lever des verrous technologiques relatifs à des problèmes qui n'ont pas de solutions immédiates. Pour être reconnue, une ERT doit s'appuyer sur une recherche amont de qualité et justifier d'un engagement fort d'industriel(s).



Un appel à projets destiné spécifiquement à la biophotonique, dans le cadre d’une ACI, par exemple, aurait un effet fortement bénéfique sur l’émergence de la discipline. Cet appel à projets aurait trois objectifs principaux :

- Initier et d’accélérer le développement de la filière biophotonique,

- Structurer la biophotonique au niveau régional et national

- Etre un levier pour participer aux appels d’offre européens

Au niveau européen

La communauté européenne propose des programmes de soutien au financement des projets d’innovation.

- Les programmes d’actions intégrées (PAI), mis en œuvre dans le cadre de la politique de coopération scientifique et technique du ministère des Affaires étrangères.

- L’initiative intergouvernementale Eurêka qui encourage la coopération entre

entreprises et instituts de recherche, dans le cadre de projets de R&D appliquée dont la propriété des résultats appartient aux industriels. Un cluster biophotonique pourrait être créé dans le cadre de cette initiative sur le modèle du programme PIDEA pour l’électronique.

- Le 6ème programme cadre pour la recherche et le développement (PCRD) dont

l’objectif est de contribuer à la création d’un véritable « Espace Européen de la Recherche ». Les sciences de la vie, la génomique et la biotechnologie pour la santé, ainsi que les nanotechnologies, nanosciences et matériaux multifonctionnels, figurent parmi les sept thèmes prioritaires.

Participation des entreprises

Les entreprises associées à cet organisme apporteront leur contribution sous forme de prise en charge d’une partie des frais de fonctionnement et de détachement de personnel.

2. Organiser des formations pluridisciplinaires

La biophotonique est un secteur d’activité en émergence à travers le monde. En témoignent les publications de revues scientifiques internationales, de même que les présentations aux congrès spécialisés : Biophotonics International, revue américaine spécialisée, le congrès international Medical Imaging 2003 qui s’est tenu du 15 au 20 février 2003 à San Diego, en Californie, le colloque Paris-Biophotonique organisé par Opticsvalley et Genopole® Evry le 22 octobre à Paris, etc.



Quelques universités ou instituts à travers le monde ont créé des centres de formation en biophotonique. Ainsi, aux États-Unis, le « National Science Fondation » vient d’investir 2,7 millions de dollars dans la création du premier programme national d’études diplômantes spécialisées en biophotonique à l’Université de New York à Buffalo. Il n’existe pas encore en France de formation spécifique de « biophotonicien ». Elle nécessite de réaliser une véritable interdisciplinarité sur le modèle de la bioinformatique. Cependant, des formations interdisciplinaires se mettent déjà en place sur l’initiative d’établissements d’enseignement supérieur ou dans la cadre de réseaux thématiques pluridisciplinaires. On peut citer notamment les formations suivantes :

• Ecole prédoctorale des Houches « Optique et Biologie » sous l’égide du Laboratoire Kastler Brossel, de l’ENS, et du CPMOH, Université de Bordeaux 1.

• Mastère Spécialisé en « Ingénierie des données de la recherche médicale et biotechnologique » organisé par le Pôle Santé et Biotechnologies de l'Ecole Centrale de Paris en partenariat avec l'Institut de Formation Supérieure Biomédicale et l'Institut d'Optique, de l’Université Paris-Sud 11.

• DESS « Lasers, matériaux et milieux biologiques », organisé conjointement par l’Université de Paris 6 et l’Université de Paris 7.

• Diplôme inter-universitaire Européen « Lasers médicaux » organisé en collaboration avec onze universités françaises et européennes (Universités de Barcelone, Clermont-Ferrand, Grenoble, Lille 2, Lisbonne, Lyon 1 Marseille, Paris 5, Paris 6, Nancy, Toulouse 3).

Ø Actions

Favoriser l’interdisciplinarité :

- Mise en place d’enseignements hybrides : intégration de cours d’optique dans le cursus des formations en sciences biomédicales et de cours de biologie dans le cursus des formations en optique.

- Incitation des doctorants à découvrir le monde de l’entreprise au travers de stage en entreprise. Cette période pourra être mise à profit par le doctorant pour se familiariser avec une application commerciale de la technologie étudiée.



Ø Modes de financement Le financement de ces actions peut se faire par :

- Création de chaires professorales spécifiques destinées aux options d’enseignement hybride, cofinancées par les entreprises.

- Utilisation des bourses CIFRE, des Cortechs, des stages longue durée. Le Plan Innovation prévoit de doubler le nombre des bourses CIFRE d’ici à 2010. Ces bourses peuvent donner aux doctorants l’accès à des secteurs différents de leur discipline d’origine.

- Mise en place des bourses post-doctorales destinées spécifiquement à des projets pluridisciplinaires qui peut être un moyen incitatif performant.



B) Pour favoriser le transfert de technologies de la recherche vers l’industrie

Les participants de cette étude ont mis en avant les retombées positives de ces rencontres en matière de création de partenariats entre laboratoires et entreprises. Un tel rapprochement est indispensable pour créer et développer la filière biophotonique, assurant ainsi la création de nouvelles activités économiques générant des investissements et de la valeur ajoutée avec un rayonnement international et de l’emploi. De plus, ces activités auront des retombées dans les domaines de la santé humaine et de l’environnement.

1. Mettre une place une plateforme de validation de technologies En dehors de l’Institut d’Alembert qui a cette ambition, il n’existe à l’heure actuelle aucun plateau technique qui permette de réaliser l’intégration technologique et l’application des recherches issues d’équipes du domaine de la biophotonique. Ø Actions

- Mettre en place des plateforme réelle ou multisites, représentant le maillon facilitant les partenariats et les transferts de technologie de la recherche vers l’industrie. Leur forme dépendra de la nature de la thématique abordée, tels que les lasers femtoseconde par exemple. Elle devra se mettre en place autour de grands équipements scientifiques destinés au développement et ouverts aux laboratoires et aux entreprises innovantes.

- Créer des structures ayant pour mission d'industrialiser le passage d'une technologie du stade du laboratoire (fondamental ou appliqué) au stade préindustriel, c’est à dire de "prototypage", sur le modèle des Fraunhoffer Institut allemands.

Ø Modes de financement

- Le financement du fonctionnement de l’interface pourra se faire par l’intermédiaire des prestations fournies par ces outils techniques

- La création éventuelle d’un plateau technique ouvert aux PME-PMI demandera des investissements spécifiques sur appel d’offres public au niveau national et/ou régional.



2. Favoriser le transfert de technologies et la création d’entreprises innovantes

Dans les différents secteurs de la biophotonique il y a de la place pour les acteurs industriels qui s’adresseront aux nouveaux marchés en croissance. La création d’entreprise en biophotonique doit donc être incitée. Les mécanismes d’accompagnement existants seront exploités au mieux, notamment les procédures de l’ANVAR.

Ø Action

- Fédérer des incubateurs thématiques complémentaires servant le secteur en particulier biotechnologie et optique.

- Sensibiliser les chercheurs à la création d’entreprise.

Ø Modes de financement

Une implication financière plus forte des pouvoirs publics et des entreprises auprès des incubateurs permettra de développer activement ces actions.

-Tous les mécanismes déjà en place d’accompagnement à la création seront exploités : les incubateurs, à qui des moyens seront donnés pour accueillir les porteurs de projets, l’ANVAR et les DRIRE, qui devront être sensibilisés, le concours du ministère de la Recherche, etc.

- Impliquer financièrement le secteur privé sous forme de détachement de personnel auprès des services de valorisation, de mise à disposition d’équipement ou de financement de programmes de transfert, etc.

- Solliciter un fonds d’amorçage sectoriel pour prendre part aux premiers financements de ces entreprises.

- Sensibiliser les pouvoirs publics et des organismes privés et publics d’investissement en capital risque pour faire émerger des fonds sectoriels biophotoniques.

- Promouvoir spécifiquement le secteur envers les fonds d’investissement en capital risque.

3. Structurer les acteurs

A l’unanimité, les experts consultés (une centaine) ont souhaité la mise en place d’un outil d’échange qui permettrait :

• de mieux diffuser les offres et les besoins de technologies auprès des chercheurs et des industriels.

• de rassembler les acteurs scientifiques et industriels par des actions de communication, l’organisation de congrès…

• d’élaborer un annuaire des compétences et des ressources techniques (équipements, plateformes) accessibles aux entreprises.

• de mettre en place un site internet dédié pour favoriser les échanges et la communication entre les acteurs : s’informer (veille), échanger (forum), proposer des transferts ou de demander des développements technologiques (place de « marché »)…

• d’aider aux recherches de partenariats : organisation de conventions d’affaires, veille sur les appels d’offre…

• de communiquer sur la filière et l’attractivité territoriale. Ø Actions

Mettre en place :

- Une organisation régionale souple qui s’appuie sur les structures existantes (génopoles, optopoles,…) pour animer localement la filière parce que l’animation locale permet une meilleure connaissance des acteurs. Etant plus proche des attentes, la déclinaison des préconisations, la valorisation de la recherche et son animation se feront à partir de pôles régionaux.

- Une structure légère au plan national pour coordonner l'activité et les échanges entre ces pôles régionaux. Cette structure permettra de fédérer les initiatives régionales, d’assurer une bonne visibilité nationale de la filière et de la recherche fondamentale, et de mener des actions de promotion pour rapprocher les structures identiques au niveau européen.

Les associations professionnelles seront aussi partenaires de cette structure.



Ø Mode de financement

La contribution financière au fonctionnement au développement de la structure proviendra:

- de la communauté scientifique : EPR (CNRS, CEA, INSERM…), EPS Université, grandes écoles)

- de la communauté industrielle : syndicats et associations professionnels (SNIP, SFRL, SNITEM, GIFO, SFLM, …), mécénat

- des collectivités locales

- des pouvoirs publics.



4. Sensibiliser les chercheurs à la propriété industrielle

La propriété industrielle représente un enjeu majeur dans la valorisation de la recherche et la diffusion des technologies. Si les industriels l’emploient comme une arme stratégique, les chercheurs y sont peu ou mal sensibilisés. Cependant, l’utilisation de cet outil est incontournable pour positionner ses travaux de recherche et valoriser la recherche française. Ce rôle de soutien pour la recherche et l’analyse de brevets, ainsi qu’à la rédaction et au dépôt de brevets est du ressort des services de valorisation des universités. Ainsi, le Service d’activités industrielles commerciales (SAIC) de l’Université de Paris-Sud 11 organise depuis plus de dix ans un cycle annuel de conférences sur la propriété des innovations et de la recherche. Bien que très complètes, ces sessions sont assez encore peu suivies (30 à 40 participants assidus par an). Les écoles doctorales représentent également un bon support de sensibilisation des étudiants qui s’intéressent de plus en plus à l’aspect juridique de la protection de la recherche. Ø Action

Les structures associatives, comme Opticsvalley, pourraient, en partenariat avec l’INPI et les universités, apporter leur soutien pour sensibiliser les chercheurs par la présentation d’exemples concrets.

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1. Financements de la NSF

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2. Instituts et équipe de recherche allemands

� Groupe “spectroscopie de molécules uniques”, Université de Regensburg � Chaire d’optique moléculaire (Prof. W. Zinth), Université de Lundwig-Maximilians,

Munich: ingénierie des protéines et spectroscopie optique femtoseconde � Groupe « dynamique chimique et biomoléculaire » (Dr. Peter Vöhringer), Institut

Max Planck pour la chimie biophysique, Göttingen : spectroscopie optique femtoseconde

� Institut Max Born pour l’optique non linéaire et la spectroscopie ultrarapide (Pr. Dr.

Thomas Elsässer), Berlin : microscopie avancée, spectroscopie optique femtoseconde

� Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire (EMBL, Dr. Philippe Bastiäns),

Heidelberg : physiologie cellulaire et microscopie avancée � Département de biologie (Prof. Dr. Klaus Gerwert), Université de la Ruhr, Bochum :

ingénierie des protéines et biophysique moléculaire � Département d’ingénierie électrique et de l’information (Prof. Dr. Clivia Sotomayor

Torres), Institut des sciences des matériaux, Wuppertal : intégration de technologies nanophotoniques dans des microsystèmes

� Département de physique (Prof. Jochen Feldmann), Université de Munich :

nanophotonique, “metal, metal-semiconductor and metal-molecule systems ; single metallic nanostructure characterisation ; electrically controlled plasmon and photon switching”

� Université de Potsdam (Prof Ulrich Scherf) : “printable semiconducting polymer

materials for optics, nanoparticle composites” � Département de biophysique (Prof. Dr. Christoph Cremer), Université de Ruprecht-

Karls, Heidelberg : “in situ nanoscopy of biomolecular machines - improvement of far field light microscopy”

� Clinique universitaire de Neurologie (Prof. Dr. Karl Herholz), Institut Max Planck

pour la recherche en Neurologie, Köln : diagnostic précoce de maladies neurodégénératives via une imagerie moléculaire quantitative et fonctionnelle

Equipe de A. Jacobs, Institut Max Planck pour la recherche en Neurologie : imagerie pour la thérapie génique

� Université de Cologne, Réseau pour la thérapie génique et l’imagerie moléculaire en

recherche neuro-oncologique � Université de Mainz (F. Roesch) : nouvelles technologies de diagnostic et de

thérapie à base de particules de terres rares (lanthanide)

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� Center for advanced european studies and research –CAESAR, Bonn (Dr. Beate Schmid) : imagerie moléculaire

� Centre de biologie tumorale (Dr. Angelika Burger), Université de Freiburg :

utilisation de modèles murins et de technologie d’imagerie pour la mise au point de traitements de cancers humains

� Institut de chimie physique (Markus Sauer), Université de Heidelberg :

développement et caractérisation de sondes fluorescentes � Institut Max Planck pour la biochimie (Prof. Dr. Dieter Oesterhelt), Martinsried :

analyse et manipulation de molécules uniques � Institut Fraunhofer pour l’ingénierie biomédicale (IBMT), St Ingbert (notamment

l’équipe de U.Meyer) � Institut Max Planck pour la recherche médical et l’optique biomédicale, Heidelberg � Institut de physique médicale et des lasers médicaux, clinique universitaire

Benjamin Franklin, Université Libre de Berlin � Institut de physique médicale, Université Friedrich-Alexander, Erlangen-Nürnberg

3. Le réseau NanoToLife Les principales thématiques de recherche proposées par le réseau NanoToLife80 sont :

- la mise au point de nano-objets associés aux biomolécules (nanoparticules, nanodots et nanofils utilisés comme marqueurs, transducteurs etc.)

- le développement de nano-structures pour la biologie (dispositifs plans ou tridimensionnels comme des membranes artificielles etc.)

- la nano-manipulation de cellules ou de molécules biologiques (microscopies de champ proche d’objets biologiques etc.)

- Systèmes sur puces et intégration des dispositifs de traitement des données (biopuces)

Le réseau devrait regrouper 90 partenaires, 12 pays, 17 entreprises et 5 clusters régionaux. Ces derniers sont NanoBio (Grenoble), NATBio (Toulouse), BioAnalytik Münster (Allemagne), NanoBioNet (Sarrebrücken, Allemagne) et Nanomed (Institute for Nanotechnology, Newcastle, Grande-Bretagne). Parmi les autres partenaires français impliqués dans la biophotonique, figurent l’Institut Fresnel (H. Rigneault), l’Ecole Normale Supérieure (D. Bensimon et J. Zyss notamment) ou ApiBio (Grenoble), GenOptics (Gif-sur-Yvette). Toujours dans le cadre du 6ème programme-cadre européen de recherche et développement, le CEA a été désigné point de contact national pour la thématique « Nanotechnologies, matériaux intelligents et nouveaux procédés de production ». Le CEA est fortement

80 Présentation « NanoBio project, Innovative micro- and nanotools for life sciences », Dr. Françoise Charbit, CEA Grenoble, 2002

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impliqué81 dans une thématique qui concerne les nanomatériaux dont le développement devrait révolutionner les technologies du 21ème siècle. Cet organisme est déjà fortement engagé, depuis une dizaine d’années, dans le domaine des micro et nanotechnologies. Le Contrat Pluriannuel Etat-CEA pour la période 2001-2004 a alloué un budget de 38 millions d’euros par an, sur 4 ans, pour mettre en œuvre des recherches dans ce domaine. Le CEA mène parallèlement une recherche technologique visant la miniaturisation des microtechnologies, en particulier au Laboratoire d’Electronique et de Technologies de l’Information (LETI), et une recherche plus fondamentale en nanosciences, dans le cadre d’une approche pluridisciplinaire.

81 Communiqué de presse du CEA, 25 mars 2003

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4. Analyse par la matrice de Porter82

La matrice de Porter est un bon outil d’analyse de l’ensemble des données essentielles à la compréhension d’un segment d’activités, notamment dans le cadre de futurs transferts de technologie. Afin d’assurer son devenir, la future entreprise doit créer, maintenir et développer un avantage concurrentiel. La matrice de Porter produit une analyse structurelle de chacun des segments ciblés. Elle identifie cinq forces qui commandent l’intensité concurrentielle d’un secteur. Ces dernières correspondent aux cinq acteurs qui structurent un secteur et ses facteurs clés de succès : les concurrents, les clients, les fournisseurs, les nouveaux entrants potentiels, les offreurs de produits de substitution. Le caractère émergent de la biophotonique rend difficile l’estimation de l’ensemble de ces forces : elles seront donc appréciées de la manière la plus précise possible.

Jeu des cinq forces concurrentielles de Porter

Porter, 1985

82 « Avantage concurrentiel : comment devancer ses concurrents et maintenir son avance », Michael E. Porter, New York, La Presse Libre, 1985

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1- Concurrents du secteur : rivalité entre firmes existantes

Les concurrents luttent au sein du secteur pour accroître ou simplement maintenir leur position. Il existe entre les firmes des rapports de forces plus ou moins intenses, en fonction du caractère stratégique du secteur, de l’attrait du marché, de ses perspectives de développement, de l’existence de « barrières à l’entrée et à la sortie », du nombre, de la taille et de la diversité des compétiteurs, de l’importance des frais fixes, de la possibilité de réaliser des économies d’échelle, du caractère banal ou périssable des produits. Critères d’évaluation de cette force concurrentielle : Nombre de concurrents par rapport à la taille du marché (degré de concentration des acteurs), coûts fixes ou de stockage, obstacles à la sortie (coût de désengagement dans l’activité, freins sociaux et gouvernementaux), croissance du secteur, différenciation ou substitution éventuelle des produits proposés par les concurrents, taille du ou des leader(s), possibilités d’entente entre concurrents (culture, éloignement géographique), existence d’une instance régulatrice.

2- Entrants potentiels : menace de nouveaux entrants

Les entrants potentiels sont des entreprises œuvrant dans d’autres secteurs et qui menacent d’entrer dans le secteur considéré. Il y aura d’autant plus d’entrants potentiels que le secteur sera attrayant, qu’il y aura peu de barrières à l’entrée, que les représailles des entreprises présentes seront faibles et qu’il existe de mauvaises perspectives dans les secteurs d’activité et des ressources en nombre chez nouveaux entrants. Pour eux, l’importance de cette menace dépendra de la hauteur des barrières à l’entrée du secteur. Critères d’évaluation de cette force concurrentielle : La venue des entrants potentiels dépend de trois critères principaux : les « barrières à l’entrée » (facteurs qui imposent aux nouveaux entrants des coûts structurellement et durablement supérieurs à ceux des entreprises déjà en place), la capacité de réaction des firmes déjà en place (disposent-elles de suffisamment de ressources pour contrer ces nouveaux entrants ?), et les potentialités de changement qui pourraient entraîner une évolution des barrières. Les barrières à l’entrée peuvent être technologiques (effet d’apprentissage, savoir-faire à maîtriser trop important et/ou protection par des brevets), financières (barrières dues aux économies d’échelle, accès au financement par rapport à la taille de la firme et ticket d’entrée, commerciales (coût de substitution d’une image, d’une notoriété ; circuit de distribution éventuel), étatiques (les pouvoirs publics peuvent avoir des rôles multiples : réglementation via des impôts, taxes, contrôle des prix, contrôle des normes etc. ; application ou non de la réglementation, protectionnisme, relations diplomatiques, financement par subventions etc.).

3- Substituts : menace de produits de substitution

Les offreurs de produits de substitution sont des entreprises en activité sur d’autres secteurs qui, à l’occasion d’une innovation, offrent un nouveau produit répondant aux

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besoins des clients du secteur. L’apparition de ce type de « concurrents » peut être liée à des facteurs tels que la maturité de l’industrie, l’absence de différenciation des produits, la facilité de réalisation de transfert de technologie, une concurrence virulente dans le secteur d’origine. Critères d’évaluation de cette force concurrentielle : Sous réserve qu’une concurrence de produits de remplacement existe, ces derniers peuvent être considérés comme dangereux s’ils peuvent améliorer le rapport qualité/prix ou s’ils viennent d’un secteur où les profits sont élevés.

4- Pouvoir de négociations des fournisseurs

Le pouvoir de négociation des fournisseurs constitue la quatrième force de la concurrence. La notion de fournisseur recouvre l’ensemble des acteurs situés en amont du secteur. Ils peuvent, par exemple, fournir des matières premières et/ou des technologies habilitantes. Leur pouvoir de négociation peut limiter le profit des firmes du secteur et accaparer une partie de leur valeur ajoutée en jouant sur le prix de vente des approvisionnements. Critères d’évaluation de cette force concurrentielle : Les fournisseurs sont-ils concentrés ? Le secteur est-il client principal de ces fournisseurs ? A t-on accès à des produits de substitution ? Y a-t-il des menaces d’intégration vers l’aval ? Quels sont les coûts de transfert en cas de changement de fournisseur ? Les produits des fournisseurs sont-ils différenciés ? Existe-t-il une pénurie de l’offre ?

5- Pouvoir de négociation des clients - distributeurs

Le pouvoir de négociation des clients, enfin, constitue la dernière force de la concurrence. La notion de client recouvre l’ensemble des utilisateurs finaux, les prescripteurs ou les distributeurs. Leur aptitude à exercer leur pouvoir sur le secteur est fonction de la standardisation des produits du secteur, l’importance des coûts d’achat pour l’acheteur, l’importance du client pour la firme. Leur pouvoir de négociation peut ainsi limiter le profit des firmes du secteur et accaparer une partie de la valeur ajoutée en jouant sur la concurrence. Ils peuvent obtenir des réductions de prix et des améliorations de qualité et de service. Critères d’évaluation de cette force concurrentielle : Sont-ils concentrés (existence éventuelle de centrales d’achat) ? Le secteur est-il fournisseur principal de ses clients ? Le recours à des produits de substitution est-il ouvert aux clients ? Y a-t-il des menaces d’intégration vers l’amont ? La fidélisation est-elle forte et quels sont les coûts de transfert supportés en cas de changement de fournisseur ? Quelle est la taille relative des clients et des entreprises du secteur ? Quelle est la marge des clients ? Les clients sont-ils bien informés ?

Tous les acteurs sont présents et luttent en permanence dans chaque secteur, exerçant des rapports de force qu’il s’agit d’identifier afin de voir clairement les facteurs clés de succès

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du secteur et d’élaborer une stratégie prenant en compte les réalités présentes et futures du secteur, telles que sa rentabilité potentielle. La matrice de Porter est à ce titre une bonne approche mais il faut souligner également l’importance que peuvent revêtir la dynamique des marchés, l’irrationnel, et particulièrement l’influence que peuvent et doivent avoir les rapports de force dans l’entreprise sur la stratégie adoptée. Sur le marché de la biophotonique, en émergence, l’innovation technologique est encore fortement prépondérante et peut permettre de s’installer durablement sur un marché. En outre, une découverte scientifique peut bouleverser très rapidement et remettre en cause toutes les données du marché.

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5. Liste des laboratoires et entreprises français de biophotonique

5.1. Laboratoires Réseau national CNRS des technologies lasers femtoseconde, coordonné par Catherine Le Blanc, parmi ses membres, figurent notamment le Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (Talence), le laboratoire Concepts et dispositifs pour la photonique (Bagneux), le Laboratoire de Photophysique Moléculaire (Orsay), le Laboratoire d’Optique Appliquée (Palaiseau), le Laboratoire d’Optique et Biosciences (Palaiseau), le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique (Orsay). http://www.luli.polytechnique.fr/rtf/

5.1.1. Pôle francilien

- Laboratoire de Physique des Lasers, UMR 7538, Equipe de Sigrid Avrillier, Université de Paris 13 : l’une des activités du LPL à Villetaneuse est le développement d’une méthode d’Imagerie tissulaire 3D par « balayage de cohérence » qui permet d’effectuer des mesures interférométriques telles qu’en OCT mais en utilisant la composante diffuse de la lumière. Université de Paris 13, 99, Avenue Jean - Baptiste Clément, 93430 Villetaneuse http://www-lpl.univ-paris13.fr/Fr/Presentation/Presenta.htm

- Association de la Montagne Ste Geneviève (Paris) qui regroupe l’Institut de

Biologie Physico-Chimique (IBPC), l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris, l’Ecole Supérieure de Physique Industrielle de Paris (ESPCI), l’ENS Paris et l’Institut Curie : plateforme de microscopie biphotonique, microscopie par génération de seconde harmonique, microscopie par cohérence optique, FRAP (« Fluorescence Recovery After Photobleaching »). Institut de Biologie Physico-Chimique, 13, rue Pierre et Marie Curie - 75005 Paris, http://www.montagne-sainte-genevieve.asso.fr/

- CEA Evry (Genopole® Evry) – Département de génomique fonctionnelle, équipe de

Xavier Gidrol : plateforme de production de puces à ADN. 2 Rue Gaston Crémieux - CP22, 91057 Evry Cedex http://www.cea-technologies.com/ceahtml/technovivant/57-601.html

- Groupe de Photobiologie et Biophotonique du Laboratoire de Photophysique

moléculaire de l’Université de Paris-Sud 11, dirigé par Marie-Pierre Fontaine-Aupart : caractérisation des différentes étapes de la réactivité de molécules biologiques depuis le domaine de la femtoseconde (Femtochimie) au développement de nouvelles instrumentations d’imagerie au service du diagnostic et de la thérapie (Biophotonique) en passant par l’élaboration de nanostructures pour l’exaltation du signal optique et destinées à augmenter la sensibilité des systèmes biologiques (Nanotechnologie). Laboratoire de Photophysique Moléculaire, UPR 3361, Centre Scientifique d'Orsay, Bât. 210, 91405 Orsay Cedex

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http://www.ppm.u-psud.fr/photobio/photobiologie.htm - Groupe Dynamique de la Compartimentation Cellulaire, dirigé par Béatrice

Satiat-Jeunemaitre, Institut des Sciences du Végétal : exploration fonctionnelle de la cellule, avec un intérêt marqué pour la morphodynamique du système endomembranaire dans les plantes supérieures, étude des fonctions de plusieurs protéines impliquées dans le trafic membranaire en resituant leur rôle dans un contexte cellulaire dynamique. Le laboratoire accueille également deux plateaux techniques : un service de cytométrie en flux et une plateforme de microscopie (responsable Spencer Brown), regroupant des équipements de microscopie et d’imagerie de l’ISV , de l’IFR 87 (Insitut Fédératif de recherche « La Plante et son Environnement ») et du campus de Gif sur Yvette. CNRS, Avenue de la Terrasse, 91198 Gif sur Yvette Cedex http://www.isv.cnrs-gif.fr/bsj/index.html

- Institut Fédératif d’Alembert, dirigé par Joseph Zyss : créé le 20 juin 2003,

regroupe quatre laboratoires couvrant les grandes disciplines de base de son activité : le LBPA (Laboratoire de Biotechnologies et Pharmacologie Génétique Appliquées, ENS Cachan - CNRS - Paris-Sud 11), le PPSM (laboratoire de Photophysique et Photochimie Supra et Macromoléculaire, ENS Cachan - CNRS), le LPQM (Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, ENS Cachan - CNRS) et le SATIE (laboratoire des Systèmes et Applications des Technologies de l’Information et de l’Energie, ENS Cachan - CNAM - CNRS). Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex

- Institut Fédératif de Recherche « Institut d’imagerie neuro-fonctionnelle », dirigé

par Denis Le Bihan, en partenariat avec l’INSERM, le CNRS, le CEA, l’Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, l’Ecole des Hautes Études en Sciences Sociales (EHESS) et l’Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications. Service Hospitalier Joliot-Curie/CEA, 4, Place du Général Leclerc, 91401 Orsay Cedex http://www.chups.jussieu.fr/ext/ifr49/index.htm

- Institut Mondor de Médecine Moléculaire (Institut Fédératif de Recherche, Créteil,

en partenariat avec l’INSERM, l’Université Paris-Sud 11I et l’Assistance Publique-Hôpitaux de Paris ; dirigé par Michel Goossens). IM3, Hôpital Henri Mondor, 94010 Créteil Cedex http://www.im3.inserm.fr/

- Laboratoire Aimé Cotton, Equipe de René Farcy, Université de Paris-Sud 11,

Orsay : laser et dispositif d’irradiation ciblée. Centre Scientifique d'Orsay, Bât 405, 91405 Orsay Cedex http://www.lac.u-psud.fr/

- Laboratoire d’Optique et Biosciences, Ecole Polytechnique - CNRS - INSERM,


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Ecole Polytechnique, Route de Saclay, 91120 Palaiseau http://www.lob.polytechnique.fr

- Laboratoire d’Optique Physique, UPR A0005, ESPCI, dirigé par Claude

Boccara : microscopie optique en champ proche, imagerie en milieu complexe (images à haute résolution ou à grande profondeur à l’intérieur de divers tissus biologiques ; quantum dots encapsulés dans des micelles de phospholipides (voir les travaux de Benoît Dubertret) Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielle, 10, rue Vauquelin, 75005 Paris http://www.espci.fr/recherche/labos/upr5/fr/pole/optique/index.htm

- Laboratoire de Biotechnologies et de Pharmacologie génétique Appliquée, UMR

8113, dirigé par Christian Auclair, (Groupe Photobiologie Moléculaire) : développements de technologies physico-chimiques et informatiques permettant d’accéder à l’étude des interactions protéine-protéine et protéine-ADN (notamment par spectroscopie de fluorescence). Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61, avenue du Président-Wilson, 94235 Cachan Cedex http://www.lbpa.ens-cachan.fr/

- Laboratoire de Chimie Physique, UMR 8000, Groupe de biophysique, équipe

Photobiologie de Fabienne Merola : photonique pour le diagnostic et la thérapeutique ; étude de différentes spectroscopies optiques, et principalement la fluorescence résolue en temps à haute résolution, pour étudier la réactivité, la structure, la dynamique et les interactions des protéines, en relation avec leurs fonctions biologiques et leurs mécanismes de régulation. Réalisées in vitro, ces études débouchent sur des procédés de caractérisation pharmacologique originaux. Combinées à des techniques de microscopie in vivo, elles vont permettre de proposer des méthodes innovantes de diagnostic cellulaire. Centre Scientifique d'Orsay, Bât 349, 91405 Orsay Cedex http://www.lcp.u-psud.fr/

- Laboratoire de neurophysiologie et nouvelles microscopies, ESPCI – INSERM -

CNRS, dirigée par Jérôme Mertz : optique non linéaire, génération d’harmoniques et microscopie multiphotonique. Neurophysiologie et Nouvelles Microscopies, INSERM EPI 00-02, CNRS FRE 2500, Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielle, 10 rue Vauquelin, 75005 Paris http://www.physio.espci.fr/

- Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, ENS Cachan, équipe de

Joseph Zyss : optique non linéaire et contrôle cohérent ; ingénierie des matériaux pour la photonique Ecole Normale Supérieure de Cachan, 61 avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex http://www.lpqm.ens-cachan.fr/

- Laboratoire de Photophysique Moléculaire, Orsay, équipe de Philippe

Bréchignac (groupe de photobiologie-biophotonique) : caractérisation des

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différentes étapes de la réactivité de molécules biologiques depuis le domaine de la femtoseconde (Femtochimie) au développement de nouvelles instrumentations d’imagerie au service du diagnostic et de la thérapie (Biophotonique) en passant par l’élaboration de nanostructures pour l’exaltation du signal optique et destinées à augmenter la sensibilité des systèmes biologiques (Nanotechnologie). Centre Scientifique d'Orsay, Bâtiments 210 et 350, 91405 Orsay Cedex http://www.ppm.u-psud.fr

- Laboratoire de Physico-chimie Biomoléculaire et Cellulaire, Paris VI :

Equipe de Geneviève Bourg-Heckly : photodiagnostic et spectro-imagerie endoscopique d’autofluorescence destinée à la détection des tumeurs précoces. Equipes de Daniel Brault et Jocelyne Blais : Mécanismes d'action des molécules photoactivables; activité photobiologique in vitro et sur modèles animaux de photosensibilisateurs. CNRS ESA 7033 – Université Pierre et Marie Curie, 4 Place Jussieu ,75252 Paris Cedex 05 http://web.ccr.jussieu.fr/lab/p6/ufr925/lab5/d.html

- Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, ENS : thématiques de recherche

centrées autour des mesures de force sur molécules individuelles et des mesures électroniques, en particulier sur la molécule d’ADN (propriétés mécaniques et électriques, propriétés de reconnaissance spécifique, processus enzymologiques associés), avec applications pour la génomique, les nanotechnologies, les puces à ADN et la détection de mutations. Département de Physique, Ecole Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05 http://www.lpmc.ens.fr/

- Laboratoire de Physique du Cytosquelette et Fonctions Membranaires, Institut

Curie, équipe « Approches physiques de problématiques biologiques », notamment François Amblard : centre de construction des outils nécessaires à la compréhension du vivant à l’échelle cellulaire ; imagerie par impulsions laser ultracourtes, exploration optique in vivo par imagerie multiphotonique. Institut Curie - CNRS UMR 168, 11 rue Pierre et Marie Curie, 75005 Paris http://www.curie.fr/recherche/themes/detail_equipe.cfm/lang/_fr/id_equipe/72.htm

- Laboratoire de physique statistique, ENS, équipe de David Bensimon (groupe de

biophysique des molécules uniques) : biophysique de l’ADN et des membranes, et micromanipulations. Ecole Normale Supérieure, 4, rue Lhomond, 75230 Paris Cedex 05 http://www.lps.ens.fr/

- Laboratoire d'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique, LURE - CNRS,

Equipe Photosynthèse et Télédétection de Zoran Cerovic’, Université de Paris-Sud 11, Orsay : photodiagnostic par télédétection de fluorescence pour l’analyse de l’état physiologique des végétaux et le suivi de l’environnement. Centre Scientifique d'Orsay, Bâtiment 203, 91105 Orsay Cedex http://www.lure.u-psud.fr

Annexes


- Laboratoire Francis Perrin, Equipe « photo-physicochimie en phase condensée » (Dimitra Markovitsi), CEA Saclay : processus photo-induits dans l’ADN, processus de relaxation ultrarapides de grandes molécules en solution, processus photo-induits dans des systèmes moléculaires organisés. SPAM - CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex http://www-lfp.cea.fr/docs_html/index.htm

- Laboratoire Kastler Brossel, Département de physique, ENS (notamment

Maxime Dahan) : photophysique des nanocristaux semiconducteurs (en collaboration avec X. Brokmann, E. Giacobino et J.P. Hermier), en collaboration avec le Professeur I. Nabiev (Université de Reims), le Professeur O. Duval (Université d’Angers) et le CEA Grenoble. Ecole Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75005 Paris http://www.spectro.jussieu.fr/

- Plateforme d’imagerie – notamment du petit animal - du Généthon , Genopole®

Evry, équipe de Corinne Laplace-Builhe : microscopie fluorescente en temps réel, analyse automatisée de cellules et de tissus, microscopie confocale pour la quantification 2D et la manipulation de données 3D, imagerie de l’expression génique in vivo à l’échelle du petit animal en entier (bioluminescence par utilisation de la luciférase, fluorescence par utilisation de la GFP), imagerie des interactions protéiques à l’échelle moléculaire (FRET). Service Imagerie-Cytométrie, Généthon, 1bis, rue de l'Internationale, BP 60, 91002 Evry Cedex http://www.genethon.fr

- Plateforme d’imagerie (microscopie et phospho-imageurs) Institut Jacques

Monod, Université Paris 7, équipe de Maïté Coppey-Moisan (laboratoire « complexes macromoléculaires en cellules vivantes ») : microscopie confocale biphotonique, balises moléculaires fluorescentes (innovations en instrumentation et en méthodes). Laboratoire Complexes Macromoléculaires en Cellules Vivantes, Université de Paris 7, 2, place Jussieu, 75251 Paris Cedex 05 http://www.ijm.jussieu.fr/complexes_macromoleculaires.php

- Plateforme d’imagerie cellulaire, IFR 65 Cancer, Inflammation, Hormones,

Faculté de Médecine Saint Antoine, dirigée par Jacqueline Capeau : cytométrie de flux, microscopie à fluorescence, microscopie confocale, phospho-imageurie, et microscopie électronique. IFR 65 « Cancer, Inflammation, Hormones », Faculté de Médecine Saint Antoine, 27, rue de Chaligny, 75571 Paris Cedex 12 http://www.b3e.jussieu.fr/cic/

- Unité d’analyse d’images, Institut Pasteur, équipe de Jean-Christophe. Olivo-

Marin : utilisation avancée des techniques de déconvolution et de traitement d’images en général. Institut Pasteur, 25,28 rue du Docteur Roux, 75724 Paris Cedex 15 http://www.pasteur.fr/recherche/RAR/RAR2000/Laiq.html

Annexes


5.1.2. Autres pôles français

Besançon

- Laboratoire de Physique et Métrologie des Oscillateurs, Besançon : - Equipe « Microsystèmes et microélectronique » (François Bastien) avec l’axe de

recherche « Microsystèmes pour la biochimie » (en collaboration avec le Centre de Biophysique moléculaire – Orléans - et l’Institut Curie – Paris) : biopuces pour l’analyse biochimique de cellules uniques, microsystème pour la recherche d’homologies sur l’ADN.

- Equipe « Microscopie champ proche et instrumentation » (Bernard Cretin) avec l’axe de recherche « Microscopie de force à lévitation magnétique, mesures de forces, biocapteurs et Lab-on-chip ».

- Nouvelle orientation du laboratoire vers les biotechnologies (Bernard Cretin) : caractérisation optothermique de biomatériaux en couches minces (couches minces lipidiques) pour des applications telles que les puces à ADN (détection de la structuration des brins d’ADN) et l’étude des membranes biologiques et des couches de protéines).

Université de Franche-Comté, 32, rue de l'observatoire - F-25044 Besançon Cedex, France http://imfc.univ-fcomte.fr/lpmo/

Bordeaux

- Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne - Université Bordeaux I (Talence) :

- Thématiques de recherche : matériaux et méthodes de caractérisation, optique non linéaire et les phénomènes ultra-rapides, la biophotonique et la photophysique moléculaire, la nanophysique et les systèmes de basses dimensionnalités, les transitions de phase et les instabilités en milieu dense (développement de méthodes physiques originales qui utilisent principalement les propriétés du rayonnement LASER).

- Equipe de Brahim Lounis, Université de Bordeaux : « Imaging single absorbing nanoparticles in scattering media by photothermal interference contrast » pour des applications à détection ultra-sensible.

Université Bordeaux 1, 351, cours de la Libération 33405 Talence Cedex, France http://www.cpmoh.u-bordeaux.fr/

- Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, CNRS, Université Bordeaux I :

- Groupe de recherche « Matériaux pour la luminescence et l’optique non linéaire » (Gilles Le Flem pour l’optique non linéaire et Claude Fouassier pour les matériaux luminescents).

- Groupe de recherche « Sciences Moléculaires » (Daniel Chasseau) : photophysique moléculaire et luminescence, matériaux moléculaires à propriétés optiques non-linéaires d’ordre 2 et 3, optique non-linéaire d’états excités de composés organiques, molécules fluorescentes pour la détection optique.

Annexes


- Groupe de recherche « Matériaux hybrides » (Josik Portier et Guy Campet) : encapsulation de particules minérales et biologiques dans des matrices inorganiques et polymères, nanomatériaux magnétiques pour les biotechnologies, matériaux électrochromes, nanoparticules à vocation diagnostique et thérapeutique.

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, 87, Avenue du Dr Albert Schweitzer, 33608 Pessac Cedex http://www.chem.ufl.edu/~reu/bordeaux/ICMCB/idxfr.htm

- Laboratoire de Physiologie Cellulaire de la Synapse, Université Bordeaux II, équipe de Daniel Choquet "Dynamique de l'organisation membranaire des récepteurs" : mise au point de nouveaux outils pour visualiser en temps réel le mouvement de récepteurs à la surface de neurones en culture formant des réseaux synaptiques. L’équipe utilise en particulier des petites billes de latex de 500 nm accrochées à certains récepteurs par des anticorps, rapporteurs fidèles du mouvement de ces récepteurs. Ces petites billes sont manipulées par une pince optique afin de les positionner très précisément à la surface des cellules. Ces chercheurs ont également réalisé un montage optique, probablement unique au monde, avec deux sources de lumière blanche et deux faisceaux lasers de différentes couleurs. De façon simultanée, ils ont pu manipuler et visualiser les particules, des protéines fluorescentes, et stimuler localement les récepteurs. CNRS UMR 5091, Institut François Magendie, 1, rue Camille Saint-Saëns, 33077 Bordeaux Cedex http://www.u-bordeaux2.fr/synapse/

- Plateforme d’Imagerie Cellulaire de l’IFR de Neurosciences, responsable

scientifique, Daniel Choquet : La PICIN a été mise en place dans les locaux de l’institut François Magendie en novembre 2002. Le projet de plateforme d’imagerie sur le campus de l’université de Bordeaux 2 est basé sur le double constat d’un besoin en constant augmentation de matériel performant permettant l’imagerie cellulaire de fluorescence et la nécessité d’être à la pointe des nouvelles technologies. Dans ces buts, la plateforme a été mise en place avec des partenaires biologistes (IFR de neurosciences), physiciens optique (CPMOH : équipe de nanophotonique), physiciens laseriste (CELIA) et un industriel (Amplitude systèmes). La plateforme a le label RIO de plateforme technologique émergente et est donc ouverte à l’ensemble de la communauté scientifique publique et privée. Institut Fédératif de Recherche Biomédicale en Neurosciences Cliniques et Expérimentales, IFR8 INSERM - FR13 CNRS, Institut François Magendie, 1, rue Camille Saint-Saëns, 33077 Bordeaux Cedex http://www.u-bordeaux2.fr/ifr_neurosciences/

- Plateforme d’applications des lasers en Aquitaine (PALA - Centre CELIA, Centre

Lasers Intenses et Applications, Talence), sous la responsabilité de John Lopez : en relation avec l’université et un industriel (Amplitude-Technologies), cette plateforme a développé un laser VUV très performant et envisage d’en développer d’autres. L’objectif : le micro-usinage, le micromarquage pour éviter les contrefaçons, la fabrication des micro-outils, les tests non destructifs, l’imagerie en 3D, la structure des protéines, etc. CELIA, Université de Bordeaux I, Bât. A4, 351, cours de la Libération, 33405 Talence Cedex

Annexes


http://celia.celia.u-bordeaux.fr/PALA/PALAdescrip.html

Caen

- Institut Fédératif de Recherche, IFR 47, « Imagerie Physiologique et métabolique » , (Caen ), dirigé par Jean-Michel Derlon en partenariat avec le CEA, l’INSERM, le CNRS, et l’ENSI CAEN (Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Caen) et l’Université de Caen. Centre Cyceron, Boulevard Henri Becquerel, BP 5229, 14074 Caen Cedex http://www.cyceron.fr/fr/IFR47/

Grenoble

- Laboratoire de Spectrométrie Physique (LSP) – CNRS UMR 5588 – Université Joseph Fourier (Grenoble)

- Thématiques de recherche : Physique moléculaire, optique et applications (notamment spectrophotométrie des milieux diffusants, appliquée à l’étude du cerveau et des interactions moléculaires sur cellules vivantes) : utilisation de l’optique pour la caractérisation d’objets biologiques.

- Projet NSOM – Microscopie optique en champ proche (en collaboration avec le Laboratoire d’Etudes des Propriétés Electroniques des Solides – LEPES, Grenoble) appliquée à la biologie, par exemple pour l’étude de la dynamique de protéines dans des membranes artificielles.

Laboratoire de Spectrométrie Physique, UMR 5588, 140 Avenue de la Physique - BP 87, 38402 Saint Martin d'Hères http://www-lsp.ujf-grenoble.fr/

- Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée, CEA

Grenoble avec la thématique « Nanocristaux Fluorescents de Semiconducteurs II-VI ». Cette dernière regroupe les compétences d’un laboratoire de physico-chimie (Laboratoire de Physique des Métaux Synthétiques, UMR 5819-SprAM, CEA-CNRS-UJF), chargé de la synthèse, d’un laboratoire de spectroscopie des semiconducteurs (Laboratoire de Physique des Semiconducteurs), chargé de la caractérisation optique, et d’un laboratoire de biochimie (Laboratoire Electrochimie Moléculaire et Structure des Interfaces), chargé du greffage de ces particules sur des molécules biologiques. Quelques collaborations viennent également compléter les différentes expertises : le Laboratoire de Spectrométrie Physique à Grenoble, l’ENS à Lyon et Paris et l’Institut Fresnel à Marseille. CEA Grenoble, 17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9 http://www-drfmc.cea.fr/

- Laboratoire des Techniques de l’Imagerie, de la Modélisation et de la Cognition

(TIMC), équipe « Reconnaissance des Formes et Microscopie Quantitative » (dirigée par Yves Husson), Institut d’Informatique et Mathématiques appliquées de Grenoble :

- Approche de problèmes par combinaison de compétences simultanées en biologie (pathologie cellulaire maligne), en microscopie photonique (transmission et fluorescence) et en imagerie (2D et 3D)

Annexes


- Thématiques de recherche : nouvelles microscopies de fluorescence, carte d’identité moléculaire des tumeurs, microscope numérique et architecture et modélisation du tissu myocardique fœtal.

En outre, Yves Husson est le futur directeur du nouveau GDR « imagerie de la cellule vivante » en cours d’évaluation au Ministère de la Recherche. Laboratoire TIMC, Faculté de Médecine, Domaine de la Merci, 38706 La Tronche Cedex http://www-timc.imag.fr/

- Laboratoire d’Electronique, de Technologie de l’Information (LETI) – CEA (Grenoble) :

- Développement de puces à ADN, laboratoires sur puce et puces à cellules. - Systèmes optiques de lecture des biopuces en cours de développement - Equipe de Patrick Chaton : Nanophotonique et intégration de l’optique

directement sur la biopuce. - Projet Européen MeDICS de puce à cellules pour le tri cellulaire (Silicon

Biosystems, issue de l’Université de Bologne (Italie), et coordinatrice du projet, est chargée de la conception du circuit, de l’électronique et du logiciel de la Cell-On-Chips ; le CEA s’occupe de la mise au point du plastique, des problèmes de microfluidique et de l’intégration du système avec le vivant ; et l’Inserm est chargé de la validation clinique des recherches).

- Projet « Phénopuces », pour l’analyse phénotypique des cellules. CEA-Grenoble, 17 rue des Martyrs, 38 054 Grenoble Cedex 9 http://www-leti.cea.fr/fr/index-fr.htm

Lille

- Groupe Microsystèmes – Microfluidique, Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille : réalisation de dispositifs intégrés de type Lab-on-Chip dédiés à la biologie et en particulier à l’analyse de protéines de spectrométrie de masse. IEMN Laboratoire Central, Cité Scientifique - Avenue Poincaré, BP 69, 59652 Villeneuve d'Ascq Cedex http://www.iemn.univ-lille1.fr/recherche/recherche.htm

- Institut de Physique Chimie et Biologie en cours de création à Lille. - Centre d’Etudes et de Recherches Lasers et Applications (CERLA), Université de

Lille I : thématique plus spécifique « Applications des Lasers et de la Spectroscopie en Physico-Chimie Moléculaire ». Université des Sciences et Technologies de Lille, 59655 Villeneuve d'Ascq Cedex http://oueba.univ-lille1.fr/physique/recherche/cerla.htm

- Laboratoire des lasers médicaux, Faculté de Médecine de Lille : organise des

formations sur l’utilisation des lasers médicaux. Faculté de Médecine Henri Warembourg, 59045 Lille Cedex http://w3med.univ-lille2.fr/

Annexes


Lyon

- Centre de Recherche et d’Applications en Traitement de l’Image et du Signal, Directeur : Isabelle Magnin, Insa Lyon : traitement de l’imagerie médicale. CREATIS, INSA - Bâtiment Blaise Pascal, 69621 Villeurbanne Cedex http://www.creatis.insa-lyon.fr/

- Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents (LPCML), UMR

5620 du CNRS – Université Claude Bernard, Lyon I (Villeurbanne) - Thématiques de recherche : matériaux laser (élaboration, photoluminescence et

dynamique des états excités des ions de transition et des ions terres rares), matériaux scintillateurs et luminophores (élaboration, caractérisation optique et mécanismes d’excitation haute énergie), guides d’ondes optiques actifs, verres et nanostructures (optique des nanomatériaux et géomatériaux), Formation, élaboration de nanomatériaux et cristaux.

- Coordinateur du réseau NanOptec de Lyon au sein du Centre de Nano-optique et photonique (avec l’Ecole Centrale de Lyon, l’INSA de Lyon, l’ENS de Lyon et l’Université de St Etienne). Les thématiques de recherche peuvent se regrouper en deux approches complémentaires : l’élaboration et la caractérisation de systèmes à l’échelle nanométrique, avec en exergue leurs propriétés optiques, et le développement de nanotechnologies et composants photoniques innovants. Les applications sont notamment orientées vers nanotechnologies et microtechnologies appliquées à la bio-ingénierie : caractérisation électro-optiques de biocapteurs, biocapteurs électro-optiques miniaturisés (lab. Génie Enzymatique, UCBL), biocapteurs (IFOS/LEOM) et puces à ADN.

UMR 5620 du CNRS, Université Claude Bernard LYON I, Domaine scientifique de la Doua, Bâtiment Alfred Kastler, 10 rue A.M. Ampère, 69622 Villeurbanne Cedex http://pcml.univ-lyon1.fr/

- Laboratoire d’Electronique, Optoélectronique et Microsystèmes (LEOM) –

CNRS UMR 5512 – Ecole Centrale de Lyon (Lyon) Thématiques de recherche : microphotonique, biopuces, intégration optique pour « lab-on-a-chip ».Cette dernière thématique regroupe également d’autres équipes de recherche au sein d’un consortium de l’Ecole Centrale de Lyon - Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique et Laboratoire d’Ingénierie et Fonctionnalisation des Surfaces - et des équipes de recherche de l’Université Claude Bernard Lyon I - Institut de Biologie et Chimie des Protéines et Laboratoire de Chimie Supramoléculaire Biomimétique, ainsi qu’avec le Laboratoire de Photonique et des Nanostructures – LPN- à Marcoussis pour l’utilisation de polymère poly(méthyl méthacrylate). Unité Mixte de Recherche (UMR 5512), Ecole Centrale de Lyon, 36, Avenue Guy de Collongue BP 163 69131 Ecully Cedex http://leom.ec-lyon.fr/

- Laboratoire de Recherches sur la Détection et le Traitement de la Prolifération

Tissulaire par Agents Physiques, Unité Inserm 281, dirigé par Dominique Cathignol (Lyon) : photothérapie et photodiagnostic, notamment appliqués au cancer (Lenz et Mestas). 151, cours Albert Thomas, 69424 Lyon Cedex 03 http://www.lyon.inserm.fr/556/index-fr.html

Annexes


- Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire (LASIM), Directeur :

Christian Bordas. Thématiques de recherche : agrégats (agrégats et nanostructures, dipôle électrique, biomolécules et agrégat, dynamique des états excités), ions multichargés, laser et environnement, optique non linéaire des interfaces, physico-chimie théorique, spectrométrie moléculaire et applications. Unité Mixte de Recherche (UMR 5579) CNRS / UCB Lyon I, Domaine Scientifique de la Doua - Université Claude Bernard Lyon I, Bâtiment Alfred Kastler, 43, bd du 11 Novembre 1918, 69622 Villeurbanne Cedex http://lasim.univ-lyon1.fr/Welcome.html

Marseille

- Plateforme Interdisciplinaire Ablation Laser et Applications (PIALA), sous la responsabilité de Marc Sentis. LP3 FRE 2165 & GPEC UMR 6631 http://www.LP3.univ-mrs.fr

- Institut Fresnel – CNRS UMR 6133 - Ecole Nationale Supérieure de Physique de

Marseille, Université d’Aix Marseille III et Université de Provence (Marseille) : - Thématiques de recherche : Composants Optiques Microstructurés pour la

biophotonique (notamment fluorescence pour la détection de molécules uniques pour les tests immunologiques, la génomique et la protéomique : applications dans l’étude de la diffusion de molécules biologiques (lipides ou protéines) dans la cellule vivante et la membrane en particulier; et dans la détection dans des systèmes microfluidiques).

- Collaboration entre l’équipe d’Hervé Rigneault et celle de Frédéric Chandezon du CEA Grenoble (Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée – DRFMC) dans le cadre de l’action « nanocristaux » (nanocristaux semiconducteurs fluorescents) ; Equipe d’Hervé Rigneault, développement de bioassays et biopuces (laboratoires sur puces)

- Future création d’un pôle de biophotonique en collaboration avec le Centre d’immunologie de Marseille-Luminy.

Institut Fresnel, DU Saint-Jérôme, 13397, Marseille http://www.fresnel.fr/ Cedex 20

Montpellier

- « Nanostructures et Complexes Membranaires », équipe de Christian Le Grimellec, (Inserm UMR 554, Montpellier) : utilisation de l’AFM (Fluorescence sous haute pression hydrostatique) sur membranes biologiques, isolées ou in situ. Inserm UMR 554, 29, rue de Navacelles, 34090-Montpellier http://www.montp.inserm.fr/unit554/U554equipe3.htm

Annexes


Nancy

- Laboratoire Mise en Forme et Evaluation de Matériaux d’Intérêt Thérapeutique ou Biologique, UPRES-EA2399 Faculté de Pharmacie, Université Henri Poincaré - Nancy I : photothérapie dynamique (Dominique Notter). Faculté de Pharmacie, 5, rue Albert Lebrun, BP403, 54001 Nancy Cedex http://www.pharma.uhp-nancy.fr/main.htm

- Unité de Recherche en Thérapie Photodynamique, dirigée par François

Guillemin : ce centre a développé une activité de recherche en particulier fondamentale sur les techniques de biopsie optique et de thérapie photodynamique. Centre Alexis Vautrin, Avenue de Bourgogne Brabois, 4511 Vandoeuvre lès Nancy Cedex

Nantes

- Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie Générale à l’Hôpital Laënnec, Nantes, équipe de Thierry Patrice : photochimiothérapie (nouveaux photosensibilisants, évaluation préclinique de photosensibilisants, nouvelles applications en photochimiothérapie), photodiagnostic des cancers par fluorescence. Département Laser, Neurochirurgie, Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie, 44093 Nantes Cedex 01 http://www.sante.univ-nantes.fr/med/laser/fr/indexfrfr.html

- Equipe Modélisation d’Instrumentation du Laboratoire Procédés-Matériaux-

Instrumentation (LPMI-EMI) de l’ d’Angers dirigée par Jean-Pierre L’Huillier : interaction thermique et photoablative laser-tissus biologiques, diagnostic et imagerie par diffusion de photons. Laboratoire Procédés-Matériaux-Instrumentation, ENSAM, 2, boulevard du Ronceray, BP 3525, 49035 Angers Cedex http://an-si-web.angers.ensam.fr/ENSAM/recherche/frame.htm

Rennes

- Institut Fédératif de Recherche « Imagerie métabolique et Modélisation », dirigé par Jacques De Certaines : imagerie médicale et animale en partenariat avec l’INSERM, l’INRA et l’Université de Rennes I. Université de Rennes 1, 2, rue du Thabor - CS 46510 - 35065 Rennes Cedex http://www.rennes.inra.fr/IFR91/base.html

- Laboratoire Synthèse et Electro Synthèse Organique (SESO), UMR 6510, équipe

de Photonique Moléculaire, dirigée par Mireille Blanchard-Desce : mise au point de nanosondes, notamment fluorescentes multiphotons ou avec génération de seconde harmonique, avec applications pour l’imagerie cellulaire. Travaille en collaboration avec l’équipe de Jérôme Mertz à l’ESPCI sur l’instrumentation en imagerie et l’optique non linéaire. Université de Rennes 1, 263 AVE du Général Leclerc CS 74205, 35042 Rennes Cedex

Annexes


http://www.umr6510.univ-rennes1.fr/siteBlanchard/epmsite/index.htm - Equipe BIOMIS de l’Antenne de Bretagne de l’ENS Cachan, dirigée par Bruno

Le Pioufle : Etude et conception de bio-microsystèmes pour le transfert de gènes. Equipe intégrée au Genopole® Ouest mer-agro-santé, et qui s’appuie sur les compétences acquises au LIMMS (Laboratoire mixte CNRS-Université de Tokyo). Antenne de Bretagne de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, Campus Ker Lann, avenue Robert Schumann, 35170 Bruz http://ensbr.bretagne.ens-cachan.fr/dochtml/docD/dochtml/0401.html

Rouen

- Laboratoire Signaux et Régulations chez les Végétaux, dirigé par Loïc Faye : utilisation avancée de la GFP et de ses dérivés en biologie végétale. CNRS UMR 6037, IFRMP 23, Université de Rouen, Faculté des Sciences, 76821 Mont Saint Aignan http://www.univ-rouen.fr/UMR6037/ecoleGFP.html

St Etienne

- Laboratoire Traitement du Signal et Instrumentation, Université de St Etienne, dirigé par Pierre Laporte : la spectroscopie et les lasers avec l’étude des milieux optiques actifs (guides optiques dopés, matériaux lasers, plasmas), les applications des techniques de spectroscopie résolue dans le temps à la biophotonique et les développements associés aux lasers femtoseconde. 34, rue Francis Baulier - 42023 Saint Etienne Cedex 2 http://www.univ-st-etienne.fr/tsi/present-F.html

Strasbourg

- Service commun d’imagerie de l’Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire : Jean-Luc Vonesch, ingénieur de recherche à l’Université Louis Pasteur, il s’est vu décerner le prix de l’innovation Inserm 2003 « méthodologie ». Il récompense ainsi la mise en place du service commun d’imagerie optique et confocale de l’IGBMC. IBGMC, 1, rue Laurent Fries, BP 10142, 67404 Illkirch Cedex http://www-igbmc.u-strasbg.fr

- Laboratoire de Pharmacologie et Physico-chimie des Interactions moléculaires et

cellulaires, Université Louis Pasteur, dirigé par Kenneth Takeda : - Etude des structures et des interactions biomoléculaires, notamment dans le

domaine de la spectroscopie de fluorescence résolue en temps (mise au point d’un dispositif de mesure laser picoseconde et d’une méthode d’analyse originaux)

- Mise en place d’une plateforme technologique à excitation biphotonique permettant de combiner l’imagerie cellulaire, la spectroscopie à corrélation de

Annexes


fluorescence, la spectroscopie de fluorescence résolue en temps et la microspectrofluorimétrie. Cette plateforme permet d’obtenir des informations quantitatives sur des interactions moléculaires en solution et dans la cellule (paramètres thermodynamiques et cinétiques, dynamique et conformation des molécules impliquées). Des développements vers l’étude de molécules uniques sont en cours. Faculté de Pharmacie, 74, route du Rhin, BP 24, 67401 Illkirch http://www-ulp.u-strasbg.fr/

- Laboratoire des Systèmes Photoniques, Université Louis Pasteur de Strasbourg,

équipe de Patrick Meyrueis : « mémoires térabit sur protéine », « puces et composants opto-électroniques ou photoniques pour détection de protéine ». ENSPS Pôle API Parc d’Innovation, Boulevard Sébastien Brant, 67400 Illkirch http://lsp.u-strasbg.fr/

Toulouse

- Laboratoire de synthèse et physico-chimie de molécules d’intérêt biologique, Université Paul Sabatier, Toulouse, dirigé par Pierre Tisnès : développement de biomarqueurs luminescents. Université Paul Sabatier, 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex 04 http://spcmib.ups-tlse.fr/accueil.html

- Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes - LAAS / CNRS

(Toulouse), dirigé par Malik Ghallab : Participation au pôle NATBio (Les partenaires toulousains du projet NATbio sont répartis de manière équilibrée entre les trois disciplines (Chimie, Biologie, Physique) et associent des équipes propres du CNRS et de l’INRA, et des équipes d’Unités mixtes CNRS et ou INRA de l’INSA et de l’Université Paul Sabatier. NATBio regroupe environ 40 chercheurs venant d’une douzaine de laboratoires). Les actions de NATBio sont notamment orientées vers : l’étude de mécanismes biologiques fondamentaux à l’aide des nanotechnologies, validation de concepts innovants en imagerie, détection et thérapie à l’aide de nanosystèmes variés, mise en place de nouvelles briques technologiques de base assemblant matériel biologique et nanodispositifs ; l’élaboration de nouveaux prototypes de biopuces et de biodétecteurs basés sur ces concepts. Plus spécifiquement pour la partie « biopuces », il s’agit de mettre au point une nouvelle génération de biopuces. Les deux voies de développement privilégiés sont l’utilisation de l’AFM (microscope de force atomique) pour la fabrication de biopuces (en collaboration avec l’Institut des Sciences Industrielles à l’Université de Tokyo) et la mise au point de puces complètement intégrées, pour la reconnaissance moléculaire via des modules électroniques spécialement adaptés à la détection de « forces de très faibles amplitudes » (« ultra-low force detection »). Parmi les collaborations, on peut noter celles avec le DKFZ, Deutsches Krebsforschungszentrum à Heidelberg ou les industriels Eurogentec SA (Belgique), Pierre Fabre et Sanofi. LAAS – CNRS, 7, avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Cedex 4 http://www.laas.fr/laasvf/index.htm

Annexes


Tours

- Institut Fédératif de Recherche « Imagerie et exploration fonctionnelles », IFR 120, dirigé par Léandre Pourcelot : en partenariat avec l’INSERM, le CNRS, l’INRA, l’Université de Tours, le CHRU de Tours et l’Etablissement Français du Sang (EFS) Centre-Atlantique. IFR120 - Imagerie et exploration fonctionnelles, Université François Rabelais, Faculté de Médecine, 2 bis, boulevard Tonnellé - BP 3223, 37032 Tours Cedex 1 http://www.med.univ-tours.fr/recherche/equipes/IFR120.htm

Annexes


5.2. Entreprises

- Agilent Technologies : conception et commercialisation de biopuces et lecteurs associés. 1, rue Galvani, 91745 Massy http://we.home.agilent.com/

- Amplitude Systèmes : développement de lasers ultra-rapides, notamment pour la

microscopie multiphotons, en collaboration avec le laboratoire CELIA (Centre Lasers Intenses et Applications, Talence). 7, rue du Bois Chaland, CE 2926 Lisses, 91029 Evry Cedex http://www.amplitude-technologies.com/

- Apibio : fabrication et développement de puces à ADN et puces à protéines.

15, rue des Martyrs, Zone ASTEC, 38054 Grenoble Cedex 9 http://www.apibio.com/

- BioMérieux : évaluation de biopuces, en collaboration avec le CEA-LETI.

Chemin de l'Orme, 69280 Marcy l'Etoile http://www.biomerieux.com/home_fr.htm

- Bionexis Pharmaceuticals : exploitation d’un portefeuille de brevets du CEA :

développement de produits à partir de molécules dérivées d’une protéine membranaire cellulaire, l’annexine, qui peuvent être utilisées dans les domaines de l’imagerie médicale, de la thérapeutique, des biomatériaux et de la vectorisation de médicaments ; actuellement, ingénierie de protéines pour détecter et traiter les cellules en apoptose. CEA Saclay, Bâtiment 520, 91400 Saclay http://www.bionexis.com/

- BioRet : développement et commercialisation de nouvelles solutions associant des

biopuces de grande diffusion et des rétines intelligentes pour diagnostics médicaux et tests de biosécurité agro-alimentaires et d’environnement. Pépinière CCIE-Genopole Entreprises, 4 rue Pierre Fontaine, 91000, Evry http://www.bioret.com/

- CILAS : Développement, industrialisation et production de systèmes associant le laser

à l’optique de précision dans les domaines des hautes technologies militaires et civils (scientifique, industriel et médical). Route de Nozay, 91460 Marcoussis http://www.cilas.com/francais2/index.htm

- CIS bio international (Bagnols-sur-Cèze, Gard; filiale de Schering) : utilisation de

cryptates de terres rares (europium) pour le criblage des interactions biomoléculaires par FRET in vitro. Des applications in vivo sont en cours de développement. Ces produits sont le résultat de travaux sur les chélates de terres rares, réalisés par Jean-Marie Lehn et Gérard Mathis et de la mise au point consécutive d’un nouveau procédé : l’analyse en phase homogène liquide, HTRF (Homogeneous Time Resolved Fluorescence). Le principe est dérivé de l’analyse immunométrique à deux sites. Une

Annexes


molécule est identifiée à l’aide de deux anticorps monoclonaux; l’un est couplé à un donneur de fluorescence, l’autre à un accepteur. Lorsque la distance entre les deux est optimale, il y a émission d’un signal proportionnel au nombre de complexes immuns formés. BP 32, 91192 Gif sur Yvette, Cedex http://www.cisbiointernational.fr/

- EREO (Etudes et Réalisations Electroniques et Optiques) : Applications médicales du

laser ; Mesure Optique et Optoélectronique.Produits : Pointeurs laser pour microscopes opératoires, Equipements pour traitement laser en dermatologie, en ophtalmologie, Bancs optiques de comptage pour l’analyse biologique. 165 rue Ader, Technoparc, 01630 St Genis Pouilly http://www.ereo.fr

- GeneScore : conception de puces à ADN, les « puces oligonucléotides.

ESPCI, 10 rue Vauquelin, 75231 Paris Cedex 05 http://genescore.free.fr/

- Genesystems : mise au point de laboratoires sur puces pour la détection rapide

d’OGMs et d’agents pathogènes dans les aliments. 1 rue du Courtil, Centre d'Affaires CICEA, 35170 Bruz http://www.genesystems.fr/

- Genewave : développement de nouveaux matériaux à propriétés optiques (optique

quantique, micro-cavités, cristaux photoniques, fluorescence) pour le domaine des biopuces. Pépinière CCIE Genopole Entreprises, 4, rue Pierre Fontaine, 91000, Evry

- Genolife: puces à ADN.

Biopole Clermont Limagne, 63360 St Beauzire http://www.genolife.com/index.htm

- Genoptics : puces à protéines, par exploitation de la SPR, sans marqueur

d’interactions biologiques, couplée à un système d’analyse d’image des puces correspondantes. Plateau du Moulon, Centre Scientifique d'Orsay, Bâtiment 503, 91403 Orsay Cedex http://www.genoptics.fr/

- Hamamatsu Photonics France : Imagerie, détection, sources, optiques, traitement du

signal, logiciels, alimentation, mécanique… Santé : Médecine nucléaire (les équipements de scinti-mammographie, les gammas caméras, les scanners à émission de Positrons (TEP ou PET) utilisent des détecteurs à vide ou semi-conducteurs afin d’obtenir une exploration fonctionnelle du métabolisme, (l’établissement du diagnostic en oncologie en est ainsi perfectionné), chirurgie, oncologie, dentisterie, radiologie, fluoroscopie. Recherche : Sciences du Vivant (Vidéo Microscopie, BioChimie Luminescence, Génétique, FISH, CGH, Mesure d’oxygénation tissulaire), Sciences des Matériaux (Mesure de chimiluminescence, bioluminescence et fluorescence dans le visible par module de comptage de photons en technologie PM…), Sciences de la Matière. 8, Rue du Saule Trapu, Parc du Moulin de Massy, 91882 Massy Cedex

Annexes


http://www.hamamatsu.fr/index2.htm

- Ipsogen : puces à ADN. Bât. A, 2 Boulevard Luce, 13008 Marseille 08 http://www.ipsogen.com/accueil2.php IMSTAR (Paris) : La société Imstar conçoit, fabrique et commercialise des systèmes innovants de bio-imagerie, au service de laboratoires de recherche en sciences de la vie. Ces systèmes sont en particulier dédiés à l'étude des processus physiopathologiques, au diagnostic des maladies génétiques et des cancers et à la découverte de nouveaux médicaments. 60, rue Notre Dame-des-Champs, 75006 Paris http://www.imstar.fr/

- Jobin-Yvon : Spectroscopie Raman (leader mondial), fluorescence, ellipsométrie,

caméras pour l'imagerie moléculaire et la spectroscopie. 16-18, rue du Canal, 91160 Longjumeau http://www.jobinyvon.com/index.htm

- Laser 2000 : Distribution de produits d’éclairage fluorescents industriels pour les

instruments de métrologie, de systèmes d’illumination fluorescents de haute qualité et des solutions pour la microscopie et les applications de vision. 3, rue de la Plaine , 78860 Saint Nom la Bretèche http://www.laser2000.fr/

- Mauna Kea Technologies : imagerie moléculaire et cellulaire in vivo et in situ

(imagerie par réflectance, imagerie par fluorescence, spectroscopie par auto-fluorescence ; utilisation de technologies inédites en « microscopie » confocale flexible). 9 rue d'Enghien, 75010 Paris http://www.maunakeatech.com/

- Nachet : développement et fabrication de microscopes : microscopes de recherche

équipés de CIN, Polarisation, Contraste de Phase, Epi-Fluorescence, Stéréomicroscopes de recherche. 7, Rue Ernest Chaput, 21000 Dijon http://www.nachet.com/fr/

- Olympus France S.A : dans le domaine de la santé et des sciences de la vie, Olympus

est présent sur les marchés l’endoscopie médicale, de l’endoscopie chirurgicale, du diagnostic et de la microscopie. 74, rue d'Arcueil, Silic 165, 94533 Rungis Cedex http://www.olympus.fr

- Nanobiogene : développement, production et commercialisation de modules micro-

fluidiques de « spottage » pour la génomique, la protéomique, le « criblage haute densité » en biologie et en pharmacie, et le développement de biopuces pour les nano-biotechnologies. 6, avenue des Usines, 90000 Belfort

Annexes


- Nanoraptor : développement d’une nouvelle technique de visualisation et de mesure qui s’appuie sur l’utilisation conjointe de la microscopie optique et de consommables très particuliers (« surfs »). Elle améliore la sensibilité de la microscopie optique pour la visualisation de films ultra-minces et la détection de nano-objets. Zone des Sittelles, 72450 Montfort le Gesnois

- Optique Commerciale : une des plus anciennes fabriques d'instruments d'optique

françaises, connue sous la marque Optico. Fabricants de loupes, compte-fils, microscopes, microvisionneurs, condensateurs, elle réalise elle-même toutes lentilles d'optique suivant croquis, dessins ou échantillons en toutes dimensions et focales, en bords bruts ou rodés droits ou biseautés. 7 rue de Malte, 75541 Paris Cedex 11 http://www.optique-commerciale.com/

- Osyris : mise au point de lasers dans des longueurs d’onde non encore exploitées.

La Ruche Technologique du Nord, 121 rue de Chanzy, 59260 Hellemmes http://www.osyris.com/

- Philips Systèmes Médicaux France : technologies développées : Médecine nucléaire,

PET, rayons X, ultrasons, résonance magnétique, « computed tomography », « radiation oncology systems », « patient monitoring », … 64, rue Carnot, 92156 Suresnes http://www.medical.philips.com/fr/products/

- ProtNeteomix : puces à protéines.

La Chantrerie, 44300 Nantes http://www.protneteomix.com/firstpage.html

- Quantel : développement et commercialisation d’une gamme complète d’appareils

lasers conçus pour l’ophtalmologie et la dermatologie. ZA de Courtaboeuf - BP 23, 17, avenue de l'Atlantique, 91941 Les Ulis Cedex http://www.quantel-medical.fr

- Quantificare : traitement de l’imagerie médicale tridimensionnelle pour les essais

cliniques. 300 Route des Crêtes, 06560 Valbonne http://www.quantificare.com/

- Rhobio : biopuces pour l'analyse du génome des espèces de grande culture.

2, rue Gaston Crémieux - CP 5707, 91057 Evry Cedex - RosaTech : issue du projet Rosa du CNRS et de l’Ecole Centrale de Lyon :

fabrication et développement de puces à ADN [à noter : mise au point d’un système de lecture sans marquage, par analyse de surface et détection de biomolécules par mesures d’impédance électrochimique et optoélectrochimique]. 36, avenue Guy de Collongue, 69130 Ecully

- Spinelix : biopuces “tridimensionnelles” (laboratoires sur puces) pour la détection

d’interactions protéine-protéine. Biopole Clermont-Limagne, 63360 St Beauzire

Annexes


http://www.spinelix.com/

Documents

La Biophotonique française Perspectives de … Patrice Directeur Scientifique, Département Laser, Neurochirurgie, Laboratoire de Photobiologie des Cancers en Neurochirurgie et Cancérologie,