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LES JEUDIS DE LA RECHERCHE DE L’X 29 JUIN 2017 DÉFI SANITAIRE Des outils pour la médecine de demain

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29 JUIN 2017 DÉFI SANITAIRE
Des outils pour la médecine de demain
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L’École polytechnique s’appuie sur un Centre de recherche de pointe qui ras- semble 22 laboratoires, dont 21 unités
mixtes de recherche avec le CNRS.
Un Centre de recherche dynamique et reconnu
Regroupant 1600 personnels de recherche, le Centre de recherche de l’X allie l’approfondis- sement des aspects les plus fondamentaux de la recherche pour le progrès des connaissances au développement de grands domaines plus appli- qués qui répondront aux enjeux scientifiques, technologiques et sociétaux du 21e siècle.
Une stratégie de recherche organisée autour de 8 thématiques
L’École polytechnique a défini 8 thématiques dans sa stratégie de recherche. Ces thématiques de recherche répondent à des enjeux socié- taux et technologiques par le biais de projets transverses et multidisciplinaires, auxquels sont associés les laboratoires de l’École :
• Bio-ingénierie, biologie et santé • Concepts et méthodes pour la société numérique
• Énergies, transports et environnement • Modélisation et optimisation des systèmes
complexes • Marchés, innovation et relations science et
société • Matière et lumière en conditions extrêmes • Nanosciences, matériaux innovants et
procédés efficaces • Structures et lois universelles
Chaque « Jeudi de la recherche de l’X » explore une de ces thématiques.
Les défis pour la société de demain
Cette année, les « Jeudis de la recherche de l’X » explorent quatre grands défis sociétaux : les défis climatiques, sécuritaires, économiques et sanitaires. Aujourd’hui, c’est au tour du défi sanitaire d’être illustré par des recherches effec- tuées dans les laboratoires de l’X.
« Défi sanitaire : des outils pour la médecine de demain »
Tout le monde le sait, la santé est l’un des défis majeurs que notre société se doit de relever, pour
LA RECHERCHE À l’X Benoît Deveaud, directeur adjoint de l’enseignement et de la recherche
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de multiples raisons, que nous ne saurions toutes exposer dans ce bref résumé. La santé est un défi technique compte tenu de la complexité des mala- dies auxquelles nous souhaitons faire face, un défi économique compte tenu de l’ampleur des consé- quences financières à tous les niveaux, et un défi interdisciplinaire qui appelle à de très nombreuses expertises.
Nous vous apportons aujourd’hui un éclairage sur certaines des pistes explorées au sein des laboratoires de l’X pour améliorer la santé de demain. Nous mettons pour cela en avant les travaux de trois cher- cheurs : Marc Lavielle, mathématicien au Centre de Mathématiques Appliquées, Hannu Myllykallio, biologiste au Laboratoire d’Optique et Biosciences, et Jean-Marc Allain, physicien au Laboratoire de Mécanique des Solides.
Marc Lavielle a mis au point, à l’aide de modèles ma- thématiques complexes, des stratégies pour simuler et optimiser des essais cliniques. De quoi évaluer et valider plus efficacement la potentialité de nouveaux médicaments et traitements thérapeutiques.
Hannu Myllykallio mène depuis des années des recherches sur les mécanismes les plus intimes du
maintien du génome chez les micro-organismes. Ses études permettent d’envisager de nouvelles voies pour lutter contre la résistance des bactéries aux anti- biotiques.
Enfin, Jean-Marc Allain a montré que des sollici- tations mécaniques spécifiques permettent de faire croître un tissu de cellules issues d’un patient. L’im- plantation du tissu reconstitué est une alternative aux greffes et prothèses, solutions limitées par divers paramètres.
Grâce aux présentations des scientifiques de notre Centre de recherche, véritable cœur et cerveau de l’École polytechnique, nous espérons que ce nou- veau « Jeudi de la recherche de l’X » vous permettra de mieux percevoir certaines des pistes de recherche pour la médecine de demain.
Benoît Deveaud, directeur adjoint de l’enseignement et de la recherche
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Marc Lavielle
Marc Lavielle est docteur en mathématiques de l’Université Paris-Sud et depuis 2007, direc- teur de recherche à l’Inria. En 2016, il rejoint le Centre de Mathématiques Appliquées (CMAP, École polytechnique / CNRS), où il prend la direction de l’équipe « Xpop : modèles de population en sciences de la vie », équipe commune avec le centre de recherche Inria de Saclay.
Les travaux de Marc Lavielle portent sur le développement de nouvelles méthodologies pour la modélisation statistique, essentiellement dans le domaine de la santé. Il a notamment implémenté ses méthodes dans le logiciel Monolix qu’il perfectionne en association avec plusieurs laboratoires. Monolix permet de procéder à des modélisations et simulations pour étudier des phénomènes com- plexes, comme la pharmacocinétique d’un médicament, la dynamique d’un virus, ou encore l’effet d’un traitement. Pour poursuivre le développement du logiciel, en assurer le support et le convertir en produit commercial, la société Lixoft, spin-off d’Inria, a été créée en 2011. Marc Lavielle apporte son concours scientifique à Lixoft et valorise les travaux de recherche de son équipe Xpop par du transfert régulier de technologies.
Marc Lavielle a reçu le Prix de l’innovation de l’International Society of Pharmacometrics et le Prix de l’innovation Inria – Académie des Sciences – Dassault Systèmes en 2015. Il est également membre du Haut Conseil des biotechnologies au sein duquel il promeut l’utilisation de bonnes pra- tiques statistiques pour l’évaluation des risques sanitaires et environnementaux liés aux OGM.
Directeur de recherche Inria au Centre de Mathématiques Appliquées et Professeur chargé de cours à l’École polytechnique
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Les dépenses de recherche et développe- ment des industries du médicament doublent tous les cinq ans, alors que
le nombre de molécules approuvées diminue chaque année de près de moitié. On estime ainsi que le développement d’un nouveau médicament dure près de 12 ans, avec un coût proche de 2 milliards d’euros.
Ces dernières années, la modélisation mathé- matique et la simulation numérique se sont im- posées comme des techniques incontournables pour l’aide au développement de nouvelles molécules. L’utilisation de patients virtuels permet, in silico, de simuler des essais cliniques et ainsi, de comparer différents traitements à un placebo, d’optimiser un protocole expéri- mental ou encore, d’évaluer les risques d’effets indésirables.
Les modèles mathématiques utilisés pour représenter l’effet et le devenir d’un médica- ment dans l’organisme sont de plus en plus complexes. Ils doivent être « mécanistiques  » pour traduire le plus fidèlement possible le phénomène physiologique étudié. La modéli- sation de tels systèmes fait intervenir un grand nombre d’équations et de paramètres, permet-
tant de décrire, au mieux, comment certaines cellules sont infectées par un virus et produisent à leur tour des virus, comment un médicament est absorbé et distribué dans l’organisme, com- ment il est ensuite métabolisé puis éliminé…
Prendre en compte la variabilité entre les indi- vidus d’une même population est également indispensable, notamment pour comprendre pourquoi différents patients ne réagissent pas de façon identique à un même traitement. Dans un futur proche, la pharmacogénétique pourrait permettre au corps médical de délivrer une prescription individualisée et d’optimiser les décisions thérapeutiques en fonction du génome de l’individu traité.
Le Centre de Mathématiques Appliquées (CMAP, École polytechnique / CNRS) déve- loppe de nouvelles méthodes pour aider le mo- délisateur à construire efficacement des modèles mathématiques, puis à les utiliser pour simuler des essais cliniques. Les algorithmes mis au point par les chercheurs sont aujourd’hui im- plémentés dans des logiciels largement utilisés, aussi bien dans le monde de la recherche aca- démique que dans l’industrie pharmaceutique.
Des modèles mathématiques pour aider au développement des médicaments
Marc Lavielle
© Elena Carjaval
Hannu Myllykallio
Hannu Myllykallio est titulaire d’un doctorat de biologie de l’Université de Pennsylvanie. Après trois ans de post-doctorat financés par l’Union Européenne et l’Organisation Européenne de Biologie Moléculaire (EMBO), il entre au CNRS en 2001 et obtient son habilitation à diriger des recherches en 2002. Hannu Myllykallio rejoint le Laboratoire d’Optique et Biosciences (LOB, École polytechnique / CNRS / Inserm) en 2008 et devient Professeur chargé de cours au Département de biologie de l’École polytechnique en 2009.
Au sein du LOB, Hannu Myllykallio mêle bio-informatique et biologie expérimentale pour caractériser le mécanisme d’adaptation permettant aux micro-organismes de survivre dans des condi- tions extrêmes. Il cherche notamment à comprendre comment ils parviennent à préserver l’intégrité de leur génome dans de telles conditions. Il a ainsi identifié de nouveaux composés, puissants et sélectifs, capables d’inhiber la croissance des bactéries à l’origine d’ulcères et de la tuberculose chez l’Homme. Actuellement, Hannu Myllykallio et son équipe travaillent sur la caractérisation d’une nouvelle voie de réparation de l’ADN, facilitant la lutte contre le problème croissant de résistance aux antibiotiques.
Hannu Myllykallio a reçu en 2003 la Médaille de bronze du CNRS et le Prix Coups d’élan pour la recherche française de la Fondation Bettencourt-Schueller. Il a coordonné plusieurs projets ANR et siégé au conseil scientifique de deux projets européens.
Directeur de recherche au Laboratoire d’Optique et Biosciences et Professeur chargé de cours à l’École polytechnique
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Hannu Myllykallio
Les maladies infectieuses, provoquées par des micro-organismes (bactéries, virus, parasites…), représentent une cause
majeure de décès dans le monde. Les infections bactériennes sont généralement traitées par des antibiotiques, qui détruisent ou bloquent la croissance des bactéries. Chez l’Homme comme chez l’animal, le recours aux antibiotiques est cependant une pratique très répandue. Tant et si bien, que les bactéries ont fini par développer une résistance à la majeure partie des antibio- tiques disponibles sur le marché.
La résistance bactérienne est une menace sans cesse croissante en matière de santé publique. Les bactéries résistantes se retrouvent partout, dans la nature et dans les hôpitaux, et il devient de plus en plus difficile, long et coûteux de trai- ter les maladies qui leur sont associées. Malgré cela, la recherche de nouvelles molécules anti- biotiques, efficaces contre les bactéries résis- tantes, représente moins de 5% de l’investisse- ment R&D des industries pharmaceutiques. Il est donc devenu urgent de concentrer les efforts de tous les acteurs de la recherche, industriels et académiques, pour lutter contre ce fléau.
Le développement de nouveaux antibiotiques repose sur l’identification de nouvelles cibles bac- tériennes, contre lesquelles il est possible d’agir spécifiquement. L’équipe de Hannu Myllykallio au Laboratoire d’Optique et Biosciences (LOB, École polytechnique / CNRS / Inserm) a décou- vert une enzyme, ThyX, essentielle à la synthèse du matériel génétique de nombreuses bactéries qui infectent l’Homme. Plusieurs classes de composés antibiotiques sont capables d’inhiber spécifiquement cette enzyme, notamment chez les bactéries responsables d’ulcères et de la tuber- culose. Ces molécules doivent encore être opti- misées avant de pouvoir être testée lors d’essais cliniques.
Parallèlement, Hannu Myllykallio et son équipe tentent de décrypter une autre enzyme, NucS, cette fois-ci impliquée dans la réparation de l’ADN bactérien. Chez Mycobacterium tuber- culosis, la bactérie qui provoque la tuberculose, cette enzyme élimine les mutations du génome du micro-organisme, l’empêchant ainsi de déve- lopper une résistance aux antibiotiques.
© Dr_Microbe
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Jean-Marc Allain
Jean-Marc Allain est ancien élève de l’École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI) et docteur en physique de l’Université Paris Diderot. Il intègre l’École polytechnique en 2006 en tant que Maître de conférences au Département de mécanique.
Au sein du Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS, École polytechnique / CNRS / MINES ParisTech), les travaux de Jean-Marc Allain portent sur la mécanique multi-échelle des tissus biologiques mous, comme les tendons, la peau ou la cornée. Les propriétés mécaniques de ces tissus jouent un rôle crucial dans le bon fonctionnement de l’organisme. Dans ces tissus, très pauvres en cellules, les propriétés mécaniques sont supportées par des réseaux de collagène et d’élastine, deux protéines fibreuses. En observant l’évolution de l’organisation de ces fibres au cours d’essais méca- niques, il est possible de relier finement la mécanique de ces tissus à l’organisation des cellules qui les composent. Comprendre comment les quelques cellules des tissus mous remodèlent les fibres qui les entourent pour les adapter à leur environnement mécanique ouvre de nombreuses applications dans le domaine de la médecine régénérative.
Jean-Marc Allain a rédigé plus de 24 articles dans des revues scientifiques de renom et un chapitre de livre. Il est également titulaire d’un brevet déposé en partenariat avec le Laboratoire d’Optique et Biosciences (LOB, École polytechnique / CNRS / Inserm).
Chercheur au Laboratoire de Mécanique des Solides et Maître de conférences à l’École polytechnique
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Jean-Marc Allain
Nous vivons de plus en plus vieux, de plus en plus longtemps. Le vieillisse- ment de la population et l’augmen-
tation de l’espérance de vie sont deux phéno- mènes qui devraient nous réjouir. À condition que nos corps suivent et restent en bonne santé !
Plus le temps passe et plus nous avons recours à des opérations de remplacement d’organes abîmés. Greffes et prothèses ne sont pas pour autant des solutions idéales pour lutter contre le vieillissement : nous faisons face à une pénurie importante de greffons et les prothèses ont-elles aussi une durée de vie limitée. Heureusement pour nous, il existe une alternative, l’ingénierie tissulaire, qui consiste à régénérer ou remplacer les organes par des tissus de culture, obtenus à partir de nos propres cellules.
Parmi tous les tissus du corps pouvant être remplacés, les tissus conjonctifs, ou « tissus mous » (tendon, aorte, cornée, peau…), ont la particularité de contenir très peu de cel- lules. Ils sont principalement formés d’une matrice extracellulaire, c’est-à-dire d’un réseau de protéines fibrillaires (collagène et élastine) entouré de biomolécules peu structurées.
En raison de la complexité de leur architecture, il est aujourd’hui difficile de fabriquer des tissus de substitution qui présentent directement les bonnes propriétés, en particulier mécaniques.
La solution ? Partir d’une matrice de rempla- cement, moins structurée, mais contenant des cellules du patient traité. Dans des conditions biochimiques et mécaniques favorables, ces cellules modifient leur environnement. Le tissu est ainsi recréé à la manière d’un processus de cicatrisation, puis réimplanté dans le corps du patient.
Afin de contrôler l’effet des sollicitations mé- caniques appliquées, il est nécessaire de com- prendre comment les cellules les perçoivent et donc comment les fibres tout autour se réorga- nisent. Un dispositif original a été mis au point pour observer le comportement des fibres au cours d’essais mécaniques. Les résultats obte- nus avec ce dispositif ont remis en cause les interprétations les plus classiques de la percep- tion mécanique dans les tissus. Ils ouvrent la voie à une description quantitative du remode- lage mécaniquement-induit, ce qui permettra, à terme, d’apporter aux tissus les sollicitations mécaniques nécessaires à leur reconstitution.
© École polytechnique - LMS
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Contacts
Raphaël de Rasilly 01 69 33 38 97 - 06 69 14 51 56
[email protected]
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Raphaël de Rasilly 01 69 33 38 97 - 06 69 14 51 56
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