Les biotechnologies en santé - Tome 1
Introduction aux biotechnologies en santé

La série de livres Les Biotechnologies en Santé s’articule en 8 tomes. Ce tome 1 est dédié à une présentation générale des domaines phares des biotechnologies et de leurs applications, les tomes suivants présentant une étude approfondie de chacun de ces domaines.

Introduction aux biotechnologies en santé présente un panorama des différents types de biotechnologies devenues incontournables dans le domaine de la santé, qu’elles soient actuellement sur le marché ou en cours de développement.

Après un rappel historique des évolutions et des découvertes scientifiques et un point sur l’apport prépondérant de l’informatique dans les domaines multidisciplinaires des biotechnologies, l’ouvrage aborde les différents aspects scientifiques – la production de molécules et de cellules, l’analyse, le diagnostic, la thérapeutique –, mais aussi les implications éthiques et les enjeux socio-économiques liés au développement des biotechnologies.

Chaque chapitre reprend les définitions essentielles, précise le principe des technologies et laisse une place importante aux applications.

Préface
P. TAMBOURIN

Avant-propos
S. BOURGOIN-VOILLARD, W. RACHIDI, M. SEVE

Remerciements S. BOURGOIN-VOILLARD, W. RACHIDI, M. SEVE

Chapitre 1. La grande aventure scientifique, technologique et humaine des biotechnologies pour la santé
B. TOUSSAINT, P. TROUILLER (coordonnateur : B. Toussaint)
Préambule
Les biotechnologies : des pratiques anciennes aux applications d’aujourd’hui
Une brève histoire des biotechnologies pour la santé
Importance de la pluridisciplinarité et choix en formations
Notions de bioéthique appliquées aux biotechnologies de la santé.

Chapitre 2. Bioinformatique et biologie computationnelle
B. DE MEULDER, J. PELLET, P. SABATIER, M.SEVE(coordonnateur : M. Seve)
Définition et historique de la bioinformatique
Identification des problèmes à résoudre par la bioinformatique
La donnée, un défi pour la bioinformatique
Concepts et méthodes
Éléments de réponse et perspectives

Chapitre 3. De la transgénèse au clonage
J. BRAULT, P. CAVAILLÈS, C. DURMORT, B. FAVIER, W. RACHIDI, M.-J. STASIA (coordonnateur : C. Durmont)
Biotechnologies de la reproduction
Transfert de gènes
Animaux transgéniques
Clonage reproductif et thérapeutique
Méthodes d’obtention de cellules souches pluripotentes
Thérapie génique
Enjeux éthiques

Chapitre 4. La cellule procaryote en biotechnologies
S. BOURGOIN-VOILLARD, C. DURMORT, J. GEISELMANN, A.LEGOUËLLEC, D. ROPERS, M. SEVE (coordonnateurs : M. Seve, S. Bourgoin-Voillard)
La cellule procaryote : outil de recherche et usine de production biologique
Biologie synthétique
La cellule procaryote : outil thérapeutique

Chapitre 5. La cellule eucaryote en biotechnologies
C. AUXENFANS, J. BRAULT, F. BRAYE, X. CHAUCHET, O. DAMOUR, C.DURMORT, G. LAMIRAULT, A. LE GOUELLEC, S. LEHMANN, O. PREYNAT-SEAUVE, W. RACHIDI, M.-J. STASIA, S. WALDVOGEL-ABRAMOWSKI (coordonnateur : W. Rachidi)
La cellule eucaryote : outil de recherche et usine de production biologique
La cellule eucaryote : outil thérapeutique

Chapitre 6. Les biomolécules en biotechnologies
S. BOURGOIN-VOILLARD, J. BRETON, P. BULET, C. DEMEILLIERS, E.DROUET, C. DURMORT, D. GASPARUTTO, S. LEHMANN, J.-L. LENORMAND, S. PEREZ, B. PRIEM, W. RACHIDI, M. SEVE, R. SODOYER (coordonnateurs : S. Bourgoin-Voillard, M. Seve)
Aspects réglementaires et éthiques
Méthodes et principes généraux de production
Anticorps
Acides nucléiques
Vectorisation et formulation

Chapitre 7. Les vaccins ou deux siècles de biotechnologies
E. DROUET, R. SODOYER, B. WERLE (coordonnateur : E. Drouet)
Historique ou le cheminement dans les méandres des découvertes vaccinales
Bases immunologiques de la vaccination
Cellules utilisées Adjuvants, stimulateurs majeurs de l’immunité innée
Les différentes formes vaccinales
Les différents vecteurs vaccinaux
Voies d’administration
Vaccins et médecine vétérinaire
Vaccins réassortants
Applications des vaccins prophylactiques en clinique humaine
Conclusions : de nouvelles approches en vaccinologie pour le 21e siècle

Chapitre 8. Analyse et diagnostic : techniques actuelles
D. ALDEBERT, S. BOISSET, S. BOURGOIN-VOILLARD, J. BRETON, B. BUSSER, Y. CASPAR, P. CAVAILLES, G. CLAVARINO, C. DUMESTRE-PÉRARD, C. DURMORT, P. GILSON, M. MAURIN, V. SUTERA, B. TOUSSAINT (coordonnateurs : S. Bourgoin-Voillard, J. Breton)
Biochimie et enzymologie
Immunoessais
Microbiologie
Analyse tissulaire et cellulaire
Biologie moléculaire

Chapitre 9. Les techniques innovantes d’analyse en biotechnologie
K. ARAFAH, S. BOURGOIN-VOILLARD, J. BRETON, P. BULET, F. DE FRAIPONT, C. DURMORT, J. FAURÉ, P. FAURE, X. FONROSE, A. KARAGEORGIS, C. PISON, J. RENDU, M. SEVE (Coordonnateurs : S. Bourgoin-Voillard, J. Breton)
L’automatisation
La miniaturisation
Jusqu’où l’imagerie peut-elle aller ?
Vers une biologie à grande échelle ?
De l’analyse biomédicale à la médecine personnalisée

Chapitre 10. Les modèles économiques et l’entrepreneuriat dans la biotechnologie française
D. CATHERINE, C. GENET, S. LE LOARNE-LEMAIRE, V. SABATIER, M. THEODOSIOU (coordonnateur : V. Sabatier)
Les modèles économiques dans l’industrie biopharmaceutique
L’entrepreneuriat dans la biotechnologie française

Conclusion générale
Glossaire

Pendant très longtemps, les chercheurs se sont interrogés sur les mécanismes de l’hérédité, dont les premières lois furent découvertes en 1865 par le moine Gregor Mendel, puis confi rmées chez la souris (Clarence Little, 1909) et la drosophile (Thomas Morgan, 1910). Mais la compréhension de ces mécanismes ne répondait pas à la question, très fondamentale : quel est le support moléculaire (ou autre) de l’hérédité ? quel(s) élément(s) dans la cellule détient (détiennent) le système d’information du vivant ? Furent évoqués, tour à tour, nombre de constituants de la matière vivante, en particulier les protéines, pour déboucher en 1943 sur les expériences fondatrices de la biologie moléculaire moderne d’Oswald Avery, Colin Mac Leod et Maclyn McCarty. Ces chercheurs démontrèrent, de manière indiscutable, que l’ADN contenait l’information génétique et constituait donc le support de l’hérédité. Une nouvelle ère commençait, ponctuée de découvertes très fondamentales sur la structure tridimensionnelle de cette molécule (Watson et Crick, 1953), sur les mécanismes de sa réplication au cours du cycle cellulaire, sur les mécanismes de recombinaisons génétiques, ceux capables de réparer certaines erreurs, et, de manière plus fi ne, sur le système de codage de l’information jusqu’à la régulation de l’expression des gènes.

En parallèle et en complément de ces découvertes sur l’ADN et ses propriétés, communes à la quasi-totalité du monde vivant, d’autres recherches se développaient à partir des années 60, qui aboutirent à la création d’une véritable boîte à outils du vivant, capable de réarranger des fragments d’ADN, et, progressivement, de poser les bases moléculaires des biotechnologies modernes. En étudiant les mécanismes de résistance de certaines bactéries aux phages lytiques, le concept d’enzymes de restriction, complété récemment par les mécanismes d’editing d’ADN, fournirent autant de molécules de grand intérêt, véritables ciseaux intelligents de l’ADN. La découverte de la reverse transcriptase, capable de synthétiser un brin d’ADN à partir d’ARN, l’utilisation de polymérases thermorésistantes issues d’« extrêmophiles » pour la PCR complétèrent progressivement l’arsenal des outils indispensables à un véritable génie génétique. Les répercussions scientifi ques et industrielles de ces découvertes, entrevues très partiellement dans les années 70, allaient révolutionner la biologie moléculaire, créant une nouvelle science, la génomique, et permettant d’aborder des problématiques de synthèse de molécules complexes, que la chimie ne permettait pas de résoudre. Les biotechnologies moléculaires de l’ère moderne étaient nées et allaient apporter, dans divers domaines d’applications industriels et de la santé, des solutions d’une rare élégance et d’une grande effi cacité.

Ce terme « biotechnologie » est d’usage à l’évidence très récent. Pourtant, l’utilisation des biotechnologies remonte à fort loin. Les premières traces d’activités « biotechnologiques » datent de 6 000 ans. Leurs usages sont nés en effet lorsque l’humain, le chasseur-cueilleur, s’est sédentarisé il y a 10 à 15 000 ans, et est devenu progressivement agriculteur, éleveur, puis sélectionneur. Ces biotechnologies « traditionnelles » proviennent de l’exploitation de mécanismes de fermentation où des liquides sucrés se transforment en boissons alcoolisées (puis en vinaigre). Chacune de ces transformations résulte de la présence de micro-organismes (bactéries, levures, champignons), et fut progressivement appliquée à d’autres productions (gaz carbonique dans le pain, transformation du lait en yaourt, production de vinaigre, fabrication de bière, etc.). Notons que nos ancêtres ignoraient totalement l’existence de ces micro-organismes, et que tous ces produits étaient obtenus à partir de recettes empiriques plus ou moins bien établies, transmises par voie orale, et améliorées de génération en génération avec tous les aléas qu’on peut imaginer. C’est aussi durant cette longue période faite de nombreux petits progrès successifs que furent obtenus les plantes ou les animaux que nous connaissons aujourd’hui. Les sélectionneurs ou hybrideurs de ces époques ne connaissaient évidemment pas les lois de Mendel, et la mise en évidence du rôle des micro-organismes dans ces premières biotechnologies dut attendre l’époque pastorienne pour asseoir scientifi quement ces procédés utilisés à l’échelle planétaire depuis des millénaires, et éliminer défi nitivement l’idée de génération spontanée.

Au regard de cette histoire très ancienne, le champ des biotechnologies modernes s’est bien évidemment profondément élargi et transformé. Ces biotechnologies se définissent comme l’ensemble des méthodes et des techniques qui utilisent des êtres vivants ou des éléments du vivant pour réaliser des transformations utiles à la santé, l’environnement, l’agroalimentaire, l’agronomie, l’industrie des matériaux, la chimie, l’industrie de l’énergie, etc. Les biotechnologies dites modernes sont désormais d’utilisation très large. On parle de technologies diffusantes. •C’est avec un très grand plaisir que j’ai accepté de rédiger cette préface pour le premier tome de la série Biotechnologies en Santé qui présente, dans leur ensemble, les différents types de biotechnologies et leurs applications dans le domaine de la santé. Cet ouvrage, qui a l’ambition de mieux expliquer le fonctionnement, l’essor et les enjeux des biotechnologies qu’elles soient actuellement sur le marché ou en cours de développement, répond ainsi à un besoin pédagogique évident.

L’importance économique de ces applications est encore trop souvent ignorée dans notre pays, alors même que les États-Unis les appréhendaient dès la fi n des années 70, au moment où les premières entreprises de biotechnologies furent créées et commencèrent à produire des substances de grand intérêt médical, à l’image de la production d’insuline ou des premiers végétaux modifi és génétiquement. Les progrès fulgurants de la biologie moléculaire, de la génétique, de la biochimie (depuis 50 ans), l’émergence, dans les années 90 de la biologie, dite « à grande échelle », qui bénéfi ciera des apports de la robotique, de l’automatique et surtout de l’informatique (de l’informatique fondamentale à la bio-informatique) eurent un impact considérable sur le développement des nouvelles approches biotechnologiques dans ces divers domaines. L’apparition récente de la biologie de synthèse, qui conçoit in silico des systèmes d’information complexes, puis les construit in vivo, pour accomplir des tâches nouvelles ou produire des molécules qui résultent d’un chemin métabolique, absent totalement ou partiellement, dans les micro-organismes, renforcera encore l’importance et le rôle des biotechnologies modernes.

Dans le domaine de la santé, biotechnologies moléculaires et biotechnologies cellulaires, alliées à la génétique, seront ou sont déjà à l’origine d’un bouleversement de la pratique médicale. En résumé et de manière schématique, on peut raisonnablement penser que la médecine d’organes, née il y a près de 2 500 ans, sera peu ou prou remplacée par une médecine dite « personnalisée », génétique, moléculaire et cellulaire, basée sur une médecine de précision, ayant vocation à une nouvelle taxonomie des pathologies humaines, où le choix d’un médicament et de sa posologie sera en grande partie déterminé par les données génétiques et génomiques du malade et la nature des anomalies moléculaires en cause.

L’industrie pharmaceutique sera profondément interpelée par ces progrès. D’une part, la chimie, omniprésente au cours du siècle dernier dans la conception et la fabrication des médicaments, fait une place de plus en plus importante aux biotechnologies, tant dans le diagnostic que dans l’apport de nouveaux médicaments, et, d’autre part, l’émergence des données génomiques dans les décisions médicales modifiera en profondeur le modèle économique de l’industrie des médicaments, qui sera comme dans d’autres domaines industriels, obligé à une recomposition de son paysage.

Rappelons, à titre d’exemples, la production industrielle de nouveaux vaccins, de protéines-médicaments recombinantes (érythropoïétine, interféron, anticorps monoclonaux, hormone de croissance, facteurs de l’hémostase) et demain l’utilisation, à des fins thérapeutiques, des mécanismes d’interférence par ARN, des approches de chirurgie génétique dans les maladies génétiques rares (thérapie génique, thérapie génique et cellulaire, editing ADN, etc.).

D’autres technologies récentes vont, elles aussi, bouleverser les pratiques médicales et industrielles. Tel est le cas des cellules souches pluripotentes embryonnaires ou reprogrammées. Ces cellules ont pu être isolées chez la souris, puis chez l’homme, à un stade très précis et précoce du développement embryonnaire (8 jours chez l’homme, 3 chez la souris). Elles ont deux propriétés fondamentales. Cultivées in vitro, elles se multiplient indéfiniment et paraissent éternelles, constituant ainsi une réserve inépuisable. Mises au contact de molécules spécifiques, elles peuvent se différencier et donner naissance à tous les tissus qui forment un organisme. On peut donc espérer les utiliser dans une approche de médecine régénérative pour reconstituer des organes déficients ou détruits. La maladie de Parkinson, le diabète, les grands brûlés et bien d’autres pathologies dégénératives pourraient ainsi bénéficier de ces thérapeutiques cellulaires nouvelles. Il faut cependant réaliser que ces cellules souches pluripotentes dérivées d’un très jeune embryon ne sont pas compatibles génétiquement avec le receveur. Une solution remarquable à cette difficulté a été proposée, il y a quelques années (2006), par le groupe de Shinya Yamanaka (prix Nobel 2012), qui a démontré qu’on pouvait reprogrammer des cellules adultes d’épiderme, fibroblastes ou autres, et obtenir in vitro des cellules pluripotentes très proches, dans leurs propriétés, des cellules souches dérivées de l’embryon, mais avec l’énorme avantage d’être génétiquement identiques à celles du donneur (et du probable futur receveur). Chacun de nous pourrait, à terme, disposer ainsi d’une réserve de cellules souches pluripotentes destinées à traiter telle ou telle pathologie dégénérative. Une nouvelle industrie, visant à produire ces cellules à des fins thérapeutiques humaines, est en développement rapide.

D’autres découvertes sont en cours d’investigation dans des domaines inattendus. Les imprimantes 3D sont ainsi utilisées pour tenter de reconstituer des organes. Ces recherches en sont à leurs débuts, mais nul doute que les développements seront spectaculaires. D’ores et déjà on peut reconstituer par imprimante 3D des os artificiels fabriqués à partir de composants biocompatibles, et qui peuvent être utilisés après perte osseuse importante (accident, cancer). Dans le domaine de la santé, le monde des biotechnologies évolue si rapidement qu’on observe depuis un certain temps un raccourcissement saisissant de l’échelle temps entre la découverte d’une technique ou d’une thérapeutique et son application. Transmettre et intégrer toutes ces connaissances, même en les centrant sur les applications médicales, devient une entreprise quasi-impossible. De ce fait, les auteurs de cet ouvrage ont mobilisé de nombreux spécialistes (chercheurs, enseignants-chercheurs, praticiens hospitaliers, industriels…) pour couvrir les dernières avancées des biotechnologies dédiées à la médecine, sans oublier l’implication des experts des modèles économiques de l’industrie biopharmaceutique et biotechnologique.

Enfin, les auteurs ont fait l’effort d’aborder les questions éthiques et sociétales que soulèvent ces nouvelles technologies et/ou applications. Les plantes génétiquement modifiées ne sont qu’un exemple des questions auxquelles nos concitoyens ont déjà en partie répondu. Les questions éthiques, peut-être les plus fondamentales, que posent ces technologies, touchent à deux très grands domaines : l’environnement et le « transhumanisme » (amélioration génétique de l’espèce humaine).

En matière environnementale, le problème majeur tient au flux de gènes entre espèces naturelles et espèces modifiées génétiquement. Nous disposons aujourd’hui des moyens susceptibles d’éliminer totalement ce danger.

Le transhumanisme pose d’autres questions. Les technologies pour « améliorer » l’embryon humain existent. Elles devraient être mises au ban de l’humanité. Corriger un grave défaut génétique chez l’enfant ou chez l’adulte n’est pas éthiquement discutable. En revanche, améliorer génétiquement (transhumanisme) un embryon, même pour des raisons médicales, est à rejeter sans réserve. Par exemple, il vient d’être démontré que chez l’éléphant, qui ne développe pratiquement pas de cancer, un gène particulier (p53), impliqué dans la protection contre le cancer, était en 20 exemplaires. Chez l’homme, on le trouve en 2 exemplaires. Faudrait-il demain ajouter, dans chaque embryon humain, 18 gènes de p53 ? La réponse doit rester définitivement négative. 

Étudiants en sciences, biologie, biotechnologie, bioinformatique, pharmacie, médecine ; enseignants, chercheurs, professionnels scientifiques, biologistes, cliniciens et industriels.

Ouvrage coordonné par Sandrine Bourgoin-Voillard, Michel Seve et Walid Rachidi, enseignants à l’UFR de Pharmacie, Université Grenoble Alpes.
Plus de 50 rédacteurs spécialistes des biotechnologies ont collaboré à cet ouvrage.