Forum des innovations COMPAMED 2021 : succès dans la lutte contre la pandémie grâce à la microfluidique

IVAM Marché des produits (Photo : Messe Düsseldorf, Constanze Tillmann)

Puce d'analyse microfluidique (Source : microfluidic ChipShop)

La pandémie de Covid-19 a eu de profondes répercussions sur tous les aspects de la vie. Pratiquement toutes les personnes sont affectées d'une manière ou d'une autre – dans leur santé, leur activité professionnelle, dans leur vie entière. Mais il existe aussi des lueurs d'espoir notables. Parmi celles-ci, on compte surtout le développement rapide de vaccins, de kits de test et, à l'avenir, de médicaments, qui apportent une contribution essentielle à la gestion de la crise. « La pandémie nous a montré à quel point les technologies modernes de pointe sont importantes pour mener des recherches et un développement rapides et efficaces, par exemple pour des médicaments, des vaccins ou des dispositifs de diagnostic », confirme le Dr Thomas R. Dietrich, CEO de l'association professionnelle pour la microtechnique IVAM. Les composants microfluidiques, en particulier, sont adaptés à accélérer considérablement la vitesse de développement. Cela a été clairement illustré lors du forum d'innovation COMPAMED, organisé numériquement le 16 juin sous le thème « Microfluidique pour le diagnostic mobile ainsi que le développement et la fabrication de médicaments et de vaccins », avec la contribution de ses experts.

Ce forum est organisé depuis de nombreuses années en étroite collaboration entre le salon Messe Düsseldorf et l'IVAM, et il donne toujours, quelques mois à l'avance, un aperçu des thèmes actuels du salon international de référence pour les fournisseurs de l'industrie des technologies médicales, le COMPAMED à Düsseldorf (prochain rendez-vous : du 15 au 18 novembre 2021, en parallèle avec la MEDICA 2021).

Un grand nombre de tests en très peu de temps

Les composants microfluidiques permettent la réalisation rapide d'une multitude d'expériences dans ce qu'on appelle le criblage à haut débit (HTS). Cela permet de réaliser un grand nombre de tests en très peu de temps, par exemple pour tester l'efficacité de médicaments ou de vaccins sur des cellules vivantes. La rapidité et la précision des tests sont notamment assurées par les microstructures, qui permettent un contrôle bien meilleur des paramètres physiques et chimiques (par exemple, température, pression, temps de réaction). Un autre avantage de ces petites structures est la faible quantité d'échantillons nécessaire et la consommation parcimonieuse de réactifs. Ces derniers mois, de nouveaux produits et médicaments ont été développés en un temps record. Sans les composants microfluidiques, cela n'aurait pas été possible. Des dispositifs et composants tels que lab-on-a-chip, dispositifs de diagnostic mobiles ou micro-réacteurs chimiques aident déjà à lutter contre la pandémie.

Potentiel d'optimisation d'un côté – rôle décisif de l'autre

Les plateformes microfluidiques sont en principe bien adaptées pour un développement rapide et une commercialisation des tests de type point-of-care (PoCT). Cependant, le « »test idéal » » de type PoC représente un grand défi : il doit non seulement être abordable, sensible, spécifique et convivial, mais aussi rapide, robuste, sans appareil et livrable à l'utilisateur final. Les tests utilisés lors de la pandémie montrent que les différentes méthodes ont leurs limites et qu'il reste encore des améliorations à apporter. Ainsi, les tests PCR sont plus longs, nécessitent un laboratoire d'analyse, ce qui rend la méthode coûteuse et limite le débit. En revanche, les tests antigéniques ont une sensibilité limitée et peuvent donner parfois des résultats faussement négatifs. Les tests par détection d'anticorps, pour confirmer une infection déjà survenue, ne disposent que d'une sensibilité limitée. « Ces limitations montrent qu'il n'existe pas de » »balle magique » » unique dans le domaine du test », constate le Dr Holger Becker, Chief Scientific Officer de microfluidicChipShop. Cependant, l'expert est convaincu que le PoCT recevra un coup de pouce durable et que la microfluidique jouera un rôle décisif, notamment dans les tests moléculaires.

‘Tests de type Point-of-Care’ : un outil important en période de pandémie

À l'avenir, il est à prévoir que de nouvelles technologies émergeront dans le domaine du PoCT, qui pourraient désormais s'imposer plus facilement dans le contexte de la pandémie. Il s'agit notamment de méthodes d'imagerie directe, éventuellement combinées à l'intelligence artificielle (IA), ou de capteurs à base de silicium (par exemple, la silicium-photonique). Un instrument relativement nouveau est la « »diagnostique CRISPR » » (CRISPR désigne les répétitions palindromiques courtes regroupées et régulièrement espacées) pour l'identification de séquences d'ARN spécifiques. Lors de la détection de virus ARN, on dispose généralement de segments de matériel génétique relativement courts, dans lesquels il faut repérer une séquence virale spécifique. La CRISPR diagnostique utilise une enzyme Cas et une molécule d'ARN rapporteur fluorescente. Si l'ARN cible est présente dans l'échantillon, l'enzyme Cas commence à couper à la fois l'ARN cible et la molécule rapport, ce qui libère le marqueur de couleur pouvant alors être détecté. Il s'agit donc d'une détection indirecte, mais qui présente l'avantage d'être très spécifique. « En principe, le PoCT connaîtra une demande croissante et deviendra un outil important dans la gestion des pandémies », résume Holger Becker.

Des entreprises comme microLIQUID (originaires d'Espagne), spécialisée dans les applications microfluidiques sur mesure et disposant d'un savoir-faire couvrant toute la chaîne, de la conception du produit et du développement jusqu'à la mise en service et la fabrication, en profiteront probablement. « La mise en œuvre d'un prototype en production de masse est souvent le goulot d'étranglement décisif », explique le Dr Luis Fernández, CTO de microLIQUID, qui évoque un défi central pour lequel des solutions sont recherchées.

L'innovation dans les domaines des sciences de la vie, de la biotechnologie et de l'analyse est stimulée par la pression croissante sur les coûts. La préparation des échantillons, la génération et le traitement de volumes de données toujours plus importants, ainsi que des délais de traitement de plus en plus courts, conduisent à une miniaturisation constante des composants importants en verre et en plastique. Flow cells, biochips, composants lab-on-a-chip, grilles, électrodes intégrées et microcanaux, cuvettes : de nombreux composants issus de la biophotonique et de la microfluidique présentent des couches fonctionnelles à l’échelle micro- et nanométrique.

Lorsque la microfluidique, la biotechnologie et l'optique se chevauchent et nécessitent une approche multidisciplinaire ainsi qu’un large portefeuille de processus, IMT Microtechnologies, basé en Suisse, se voit comme un partenaire idéal. « La transposition d’un test en une solution microfluidique requiert une compréhension approfondie de l’analyte et des méthodes pour l’isoler ou le faire adhérer à une surface à l’intérieur du réseau de canaux, ainsi que l’identification du mécanisme de transduction approprié, des processus et matériaux nécessaires », décrit le Dr Alexios Paul Tzannis, responsable du développement commercial chez IMT, une partie de la tâche complexe. La combinaison d’une structuration complexe sur et dans des wafers en verre avec de nouvelles méthodes en chimie de surface permet de créer des matériaux consommables innovants pour la science de la vie et le diagnostic.

Contrôle des fluides à l’échelle nanométrique

Fluigent, basé en France, propose une large gamme de solutions pour les applications micro- et nanofluidiques, dont l’objectif est d’accroître le contrôle, l’automatisation, la précision et la convivialité. « La microfluidique ouvre la voie au diagnostic de type point-of-care. Il s’agit d’instruments portables, rapides et précis, qui mettent les capacités d’un laboratoire médical entre les mains de l’utilisateur sur place, par exemple en salle d’opération », commente Jaques Pechdimaljian, responsable produits OEM chez Fluigent. La ligne directrice, formulée autrement : le contrôle des fluides jusqu’à l’échelle nanométrique. Avec la popularité croissante des dispositifs de micro-pression, Fluigent mise sur l’adaptation de sous-composants pour les appareils PoC. Ceux-ci concernent aussi bien les dispositifs portables (alimentés par batterie, compacts et légers) que les appareils précis (stabilité du débit, précision) ou encore les systèmes fiables (éviter les obstructions, la contamination, les bulles, etc.). Les possibilités d’utilisation de tels appareils dépassent largement la médecine (examen ambulatoire des thromboses sanguines en salle d’opération). Parmi les autres domaines d’application figurent la détection de contaminants dans l’industrie alimentaire et des boissons ou le dépistage des métaux lourds dans l’eau municipale.

Mesurer quantitativement les anticorps contre le Covid avec des dispositifs PoC

Une autre leçon tirée de la pandémie : les vaccins à ARNm ont pu être développés et adaptés très rapidement, mais leur production et leur logistique sont difficiles. La montée en puissance pour atteindre les quantités nécessaires a pris du temps. De plus, il n’existe pas encore de certitude quant à la durée de l’immunité conférée par les vaccins. Il serait donc extrêmement utile que les dispositifs PoC puissent mesurer quantitativement les anticorps. Les exigences seraient élevées : une seule goutte de sang prélevée au doigt devrait suffire, et les résultats de la mesure devraient être disponibles en peu de temps (moins de 20 minutes). La mesure devrait être hautement sensible et spécifique, avec une collecte et un traitement numériques des données. Mais comment réaliser de telles solutions, par exemple avec des appareils peu encombrants, à des coûts d’investissement raisonnables, et avec une consommation acceptable d’énergie et de réactifs ?

« Pour mieux exploiter les avantages de la microfluidique en PoC, nous devons utiliser aussi bien des composants fluidiques actifs, plus légers et plus petits, que des systèmes alimentés par batteries et utilisant de faibles volumes de fluide, permettant ainsi d’économiser des réactifs », explique Florian Siemenroth de Bartels Mikrotechnik. Selon l’entreprise et ses partenaires impliqués, mementis, microfluidic ChipShop, Honeywell et Sensirion, « toutes les pièces du puzzle » sont sur la table pour réaliser des systèmes microfluidiques actifs. Une grande variété de composants standards est disponible et peut être intégrée dans un système ultracompact et intelligent. Parmi eux figurent notamment des mini-vannes, des pompes intelligentes et leur commande, des capteurs de débit, des récipients à réactifs et un système de tubulure. Ces composants déjà disponibles et les systèmes qu’ils permettent de créer présentent les avantages souhaités : ils permettent l’automatisation de processus fluidiques avec des composants commerciaux, ont une faible consommation électrique et un volume interne réduit, le système entier étant ultra-compact et pouvant tenir dans un format de plaque de microtitration de 96 puits (environ 128 x 85 millimètres). De plus, de tels systèmes actifs peuvent être fabriqués pour quelques centaines d’euros seulement.

‘Smart Fabs’ pour le futur développement de vaccins et de médicaments

La pandémie a non seulement entraîné une demande croissante pour des produits médicaux essentiels et des procédés modernes pour la fabrication de thérapeutiques avancés et de vaccins, mais elle a aussi créé un besoin important de modèles de travail décentralisés, ce qui ne concerne pas uniquement le secteur des technologies médicales. Pour répondre à la pression temporelle énorme, des « »Smart Fabs » » (usines intelligentes) ont dû être mises en place en moins de 12 mois. « Cela ne peut réussir qu’avec des facteurs clés de succès tels que un débit élevé et une fiabilité, une automatisation complète, ainsi que des économies de volume et de coûts », explique le Dr Gina Greco, responsable du marché en sciences de la vie, diagnostics et analytique chez le spécialiste suisse des capteurs Sensirion.

Les expériences liées à la pandémie montrent que les instruments en sciences de la vie, en diagnostic et en analyse doivent encore être optimisés. « Les systèmes microfluidiques, associés à des capteurs, constituent une solution clé », insiste Greco. Sensirion se considère comme un expert dans ces composants, dont le large portefeuille s’adapte parfaitement pour relever les défis industriels actuels. Ils trouvent leur application dans une usine pharmaceutique dans tous les domaines – que ce soit en recherche et développement, en fabrication ou encore en contrôle qualité et logistique intelligente.

La COVID-19 et le développement très rapide de vaccins efficaces ont mis en lumière l’importance de la microfluidique et des domaines connexes. Les microsystèmes capables de manipuler en toute sécurité les plus petites quantités de liquides et de gaz font désormais partie intégrante de la technologie médicale. Le forum d’innovation COMPAMED 2021 et les experts impliqués dans les entreprises ont présenté des exemples passionnants et ont ainsi stimulé l’enthousiasme pour la diversité des thèmes et des nouveautés produits lors de la COMPAMED 2021 en novembre : de la microtechnique aux nouveaux matériaux, en passant par des solutions d’emballage pour la technologie médicale, ainsi que des réponses à toutes les questions qui se posent tout au long de la chaîne de processus de développement et de fabrication des produits médicaux.