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Etude biocapteurs et biopuces
Ministère de l’Economie des Finances et de l’Industrie
45 rue Sainte Geneviève, F-69006 Lyon, FranceTel : +33 472 83 01 80 - Fax : +33 472 83 01 83
Web: http://www.yole-dev.com
Dr Michel PROVENCE19 Novembre 2002
Synthèse publique de l’étude Ministère de l’Economie, des Finances et de l’Industrie
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Programme du séminaire
I - Présentation de l’étude
1 – Introduction• Périmètre, définitions et objectifs• Méthodologie
2 - Etude de l’offre et de la demande• Offre en biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques
• Demande industrielle
• Activités françaises et internationales
3 – Conclusion
II - Présentation des entreprises : Ipsogen, Apibio, Genolife, Rosatech
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Périmètre de l’étude
BioCapteurs/ BioPuces
Robot de lecture et / ou d’analyse
Circuits microfluidiques
Lab-on-chip
Préparation de l’échantillon
Reconnaissance Transduction
Lecture
Détection
Integration
• Fonction dans la chaîne d’analyse biologique
• Composants permettant de réaliser la fonction
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Définitions
• Biopuces : Composant planaire ou usiné en surface sur lequel est déposée une matrice de molécules de reconnaissance dont on veut mesurer les interactions avec les espèces biologiques dans un échantillon
• Composants microfluidiques : Composant présentant des motifs micrométriques ou sub-millimétriques permettant la dispense ou la gestion de fluides sur une gamme de volume allant du picolitre à la dizaine de microlitres
• Biocapteurs : Composant associant une membrane qui comprend une espèce biologique permettant la reconnaissance de la molécule recherchée et un transducteur permettant de transformer l’événement de reconnaissance en un signal physique mesurable
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Objectifs de l’étude
1 - Réaliser un état de l’art international de l’offre technologique– Industriel– De la recherche– Mettre en évidence les tendances technologiques– Evaluer l’impact des nanotechnologies
2 – Analyser la demande – Analyser la problématique des applications sur différents secteurs
industriels – Mettre en évidence les besoins industriels– Evaluer l’adéquation entre l’offre et la demande
3 - Mettre en évidence les forces et faiblesses des activités françaises dans le contexte international
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Méthodologie
• Comité de pilotage de l ’étude :– Martine CHOQUERT, MINEFI– Hubert GALINAT, MINEFI– Philippe PARMENTIER, MINEFI – Rodolphe SERANT, MINEFI– Benoît JACQ, ANVAR– Serge COSNIER, Université Joseph Fourier Grenoble– André DITTMAR, INSA Lyon
• Phase 1 : Etude de l’offre technologique - 3 mois– Entretiens avec 20 fournisseurs de technologies et plusieurs experts académiques– Participation à des conférences, salons et séminaires– Réalisation de plus de 130 profils de fournisseurs– Etude de la propriété intellectuelle : Sous-traitance à l ’Observatoire des Micro et Nano
Technologies
• Phase 2 : Etude de la demande industrielle - 2 mois– Entretiens avec une trentaine d ’industriels de la pharmacie, du diagnostic, des
biotechnologies, de l ’agro-alimentaire et de l ’environnement.
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Etude de l’offre en biocapteurs
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Biocapteurs - Approches technologiques
• Foisonnement des approches technologiques au niveau académique
Element biologique• Enzyme
• Anticorps
• Peptides
• Micro-organisme
• Tissu
• Lipides
• Acides nucléiques
Mode de transduction• Electrochimique
• Ampérométrie
• Potentiométrie
• Conductimétrie
• Optique
• Piézoélectrique
• Calorimétrique
Techniques d’immobilisation sur le transducteur
• Adsorption physique
• Inclusion
• Confinement
• Polymérisation
• Greffage covalent
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Biocapteurs - Approches technologiques
• Restriction des options au niveau de l’offre industrielle
Element biologique• Enzyme
• Anticorps
• Peptides
• Micro-organisme
• Tissu
• Lipides
• Acide nucléique
Mode de transduction• Electrochimique
• Ampérométrie
• Potentiométrie
• Conductimétrie
• Optique
• Piézoélectrique
• Calorimétrique
Techniques d’immobilisation sur le transducteur
• Adsorption physique
• Inclusion
• Confinement
• Polymérisation
• Greffage covalent
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Biocapteurs – Technologies
• Premiers développements : 1956 par Clark
– Association d’une membrane contenant la Glucose Oxydase et une électrode à oxygène
– Commercialisation d’un capteur de glucose basé sur ce principe au milieu des années 70 par Yellow Spring Instruments
Principe de fabrication du capteurampérométrique à membrane enzymatique de Yellow SpringInstruments
Analytes détectables : Sucrose, Lactose, L-Lactate, Galactose, Glutamate, Glutamine, Choline, Ethanol, Methanol
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Biocapteurs – Technologies
Détection électrochimique
1ère génération - Essais enzymatiques - Mesure de la consommation oxygène ou de la production de peroxyde d’hydrogène
2ème génération - Essais enzymatiques - Utilisation de médiateurs Redox
3ème génération -Transfert électronique direct entre l ’espèce immobilisée et l’enzyme
Yellow Stone Instruments, Trace Biotech, Analox, Daiichi, Universal sensors, BioSentec,Eppendorf, Beckman Coulter,
Nova Manufacturing, Radiometer, Roche, EKF
Diagnostik, IStat ...
Cranfield Biotechnology Institute (UK) - Medisense /
Abbott, Bayer ...
Développements académiques
Analyseur multi-application de glucose, lactate, ammonium, alcools ...
Intégration dans des stations de mesure au lit du patient
Contrôle de la glycémie
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Biocapteurs - Technologies
• Détection optique :
– Résonance du plasmon de surface - Démarrage de la commercialisation d’instruments SPR au début des années 90 par BiaCore.
– Début années 2000 : • Démarrage commercial de nouvelles techniques optiques : guide d’ondes
planaire (Zeptosens, CH), miroir résonant (Unaxis Optics, Li)• Passage de la technologie SPR au format matriciel (matrice de ligands)
• Principe de fonctionnement du SPR (Source Biacore)
• Leaders : Biacore, Texas Instruments, Affinity Sensors, HTS Biosystems, Xantec …
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Biocapteurs - Tendances industrielles
• Tendances de l’offre industrielle :– Amélioration de la convivialité des interfaces systèmes / utilisateur - Autonomisation du
système : limitation de l’intervention de l ’utilisateur– Intégration et miniaturisation des systèmes - du composant à l’instrument (ex IStat)– Mesure de paramètres multiples ou passage au format matriciel (Biacore, HTS
Biosystems …)– Médical :
• Développement de techniques non-invasives ou semi-invasives pour la mesure ambulatoire en continu (Cygnus, USA; Therafuse, USA)
• Premiers essais cliniques de biocapteurs implantables - Hopital Lapeyronie de Montpellier / Medtronic Minimed (USA)
• Tendances de la recherche :– Miniaturisation des biocapteurs – Transfert des briques technologiques de base des biocapteurs (chimie de surface,
membranes, modes de transduction ...) pour l’accélération du développement de biopuces
– Intégration des nanotechnologies• Chimies de surface, transduction, ligands - Impression moléculaire, synthèse de ligands,
greffage covalent ...
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Biocapteurs - Exemple
Biocapteur : exemple d ’intégration et miniaturisation - Source Istat / Abbott
Prix de vente entre 5 et 8 Euros / cartouche
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Source : Clinical Lab Products Magazine, Decembre 2001
Biocapteurs - Exemple
Marché des instruments portables pour la détermination des electrolytes et gaz du sang
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Biocapteurs - Facteurs industriels limitants
• Critères techniques :
– Durée de vie des membranes contenant des espèces biologiques– Miniaturisation : reproductibilité de fabrication des microcapteurs (ex.
fabrication et fonctionnalisation des ISFET)– Concurrence des instruments ou protocole standards - (ex. SENTRON)
• Critères économiques :
– Investissement lourd sur des marchés de niche– Marché attractif : Contrôle de la glycémie
• Difficilement accessible car occupé par de grands acteurs médicaux
• Facteurs limitants pour la dynamique industrielle
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Conclusion sur l’offre en biocapteurs
• L’offre industrielle en biocapteurs est une offre de produits -composants et systèmes d’analyse - dédiés principalement au diagnostic médical et au contrôle agro-alimentaire
• Sur les applications médicales (90 % des applications des biocapteurs) l’offre est dominée par de très grands acteurs du diagnostic ou de l’instrumentation médicale
– Principales applications : Contrôle du taux de glucose et analyse des gaz et électrolytes du sang
• Les développements s’orientent vers l’autonomisation, l’intégration et la miniaturisation des systèmes
• Les briques de base technologiques des biocapteurs sont en partie transférées vers les biopuces pour accélérer leur développement.
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Etude de l’offre en biopuces
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Biopuces - Approches technologiques
Composants silicium à
détection optiqueNanogen - Apibio -
Infineon - STM
Basse HauteMoyenne
Composants Silicium à détection électrique / électrochimique
Motorola - Apibio - Cantion - Toshiba -IBM Zurich
Nombre de sondes sur la puce1000 10 000
Synthèse in situ In house -Detection fluorescence(Nimblegen, Febit…)
Nouveaux conceptsFabrication haut débit - BioCept, Corning
Microbilles - Illumina, Luminex, Smart Beads
Puces poreuses - Pamgene , Metrigenix
Puces polymère - Exiqon / Steag Microparts
Maturité technologique
Forte
Techniques de fabrication de biopuces les plus matures
Synthèse In-situ –Détection
Fluorescence (Affymetrix, Agilent)
Lames spottées – Détection Fluorescence (PE, Amersham, Agilent, MWG Biotech, Eurogentec, Rosatech, Stratagene,
Mergen, Takara Shuzo, Phase 1 Moltox, Genomic Solutions, Memorec, QBiogene, Apibio, Sigma Genosys ...)
Synthèse in situRoche / Combimatrix
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Biopuces - Offre industrielle
• L’offre industrielle est organisée autour de deux grands types d’utilisateurs de biopuces
Utilisateurs de puces spottées en interne
Equipement de dépôt :Apogent, GeneMachines, Genomic Solutions, Amersham Biosciences, Virtek, Hitachi Genetic Systems …
Lames nues / fonctionnalisées : Telechem Arrayit, Corning, ErieScientific, Schott Glass, Amersham, Apogent, Schleicher & Schuell GmbH, NUNC AS, Exiqon, Asper Biotech ...
Réactifs et ressources biologiques : Incyte, Qiagen, Enzo Diagnostics, Amersham Bioscience, Sigma Genosys, Genisphere ...
Utilisateurs de puces pré-spottées
Scanners & logiciels : Axon, Affymetrix, Agilent, Virtek, GenomicSolutions, AppliedPrecision, Perkin Elmer, Alpha Inotech, Compugen, Curagen, Spotfire, Biodiscovery ...
Fournisseurs de puces :Advanced Array Technology, Alphagene, Clontech, Affymetrix, Agilent, Perkin Elmer, Stratagene, Mergen, Takara Shuzo, Phase 1 Moltox, Genomic Solutions, Memorec, MWG Biotech, QBiogene, Apibio, Sigma Genosys…
Services pour le dépôt à façon : Clontech, Agilent,Rosatech, Eurogentec, Telechem, Affymetrix …
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Biopuces - Offre industrielle
Surface du verre
Molécule de reconnaissance
Ligand
Amino NH2
Aldehyde OH
Carboxy =OOH
Mercapto SH
+ chimies de surface propriétaires
Agent de couplage optionnel en fonction du ligand et la molécule de reconnaissance
Chimies de surface les plus fréquentes
• 2000 - 2002 : Explosion du nombre de fournisseurs de lames de verre fonctionnalisées (Corning, Unaxis Optics, Schott Nexterion, Telechem, Amersham, Apogent, Exiqon, Asper Biotech, UCB Chemicals, Bioslide, Rosatech, Mosaic Technologies, Eppendorf, Erie Scientific, Sigma Genosys …)
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Biopuces - Offre industrielle
Techniques de lecture
Radiochimique Electrochimique Optique
Fluorescence : Axon, Affymetrix, Agilent, Virtek, GenomicSolutions, Applied Precision, Perkin
Elmer, Alpha Inotech, ...
Plasmon de surfaceDiffusion résonnante
• Technique de référence :
• Détection de la fluorescence par scanner ou imageur CCD
• La bio-informatique associée est un facteur clé de succès pour les lecteurs
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Technique Non contact
Effet thermique, piézo-électrique,électro-magnétique (Cartesian Technologies (USA), Packard BioScience (USA), Agilent (USA),Gesim (USA), PicoRapid (D)…)
Techniques Contact
Pins solides ou creux – têtes à 12, 48 ou 96 pins (Biorobotics, Genemachines, Amersham, PE, Genomic Solutions, BioRad …) ou Pin and Ring (Affymetrix)
Techniques alternatives propriétaires
Electrochimiques (Nanogen, Combimatrix …) – Tampon (Corning, Genometrix)
Cible marché : industriels, fort volume de production / an
Cible marché : académiques, industriels, tous volumes de
production/ an
Biopuces - Offre industrielle
Dépôt des sondes• Emergence commerciale des instruments de dépôt non contact
• Emergence d’instruments contact haut débit (GeneMachines)
• Référence : Technique de dépôt contact - entre 1500 et 2000 instruments installés
Prix élevé > 200 000 Euros / instrument Fourchette de 45 000 Euros à 100
000 Euros
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Biopuces - Offre industrielle• Puces pré-spottées
– Confirmation de la position dominante d’Affymetrix– Structuration de l’offre en puces pré-spottées
• Puces de profil d’expression• Puces de génotypage• Croissance des puces thématiques d’une pathologie ou d ’un processus métabolique
(cancer, réponse inflammatoire, mécanisme cellulaire …)– Développement d’une offre de services en fabrication de biopuces ou
réalisation de protocoles (extraction, marquage, fabrication de puces, hybridation, lecture, analyse des données …) - Affymetrix, Agilent, Clontech,, Eurogentec, Rosatech ...
• Spotting en interne– Concentration des fournisseurs d’équipement - PE / Packard Bioscience,
Apogent / BioRobotics …
• Emergence d’une offre en puces à proteines (Sense Proteomics, BD Clontech, Somalogic) - Grande variété d ’approches en puces àproteines
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Biopuces - Facteurs industriels limitants
• Critères techniques :- Qualité et reproductibilité des lames pré-spottées
- Seuil de détection, sensibilité, gamme de mesure des instruments
- Cinétique d’hybridation
- Analyse et gestion des données
• Critères économiques et comportementaux :- Flexibilité d’utilisation
- Coût en fonction des applications
- Caractère hors cœur de compétence de la fabrication de lames
• Facteurs limitants générant une dynamique de développement
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Biopuces - Tendances industriellesFacteurs limitants Tendances et nouvelles approches en développement
Sensibilité et seuil de détection• Biophotonique : Guides d’onde évanescente, miroir résonant, lame à effetmiroir (Unaxis Optics, Novartis, Zeptosens, Amersham …)• Nouveaux marqueurs organiques (Genisphere)• Nouveaux marqueurs minéraux : Nanoparticules (Genicon Life Sciences,Quantum Dots …)
Coût des consommables etsystèmes de lecture • Substrat polymère (Exiqon, Nunc …)
• Synthèse in situ par micro-mirroir ou cristaux liquides (Nimblegen, Febit …)• Intégration de la fabrication en interne• Développement de lecteur bas coût
Flexibilité d’utilisation• Développement de services : puces à façon (Affymetrix, Agilent …)• Tests au format micro-billes (Smart Beads, Luminex, Illumina)• Synthèse in situ en interne (Nimblegen, Febit, Roche …)• Développement d’instruments compatibles au format standard : exemplemicroarrays dans une plaque 96 puits (Apibio, Beckman Coulter, HT Genomics,Advanced Array Technology, SRU Biosystems …)
Cinétique d’hybridation• Accélération de la cinétique par effets électrostatiques (Nanogen,Combimatrix)• Concept de puces poreuses (Pamgene, Metrigenix)
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Biopuces - Exemple
Adaptation d‘un biocapteur optique en fonds de plaque 96 puits pour la réalisation de microarrays - Source Unaxis Optics
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Biopuces - conclusion sur l’offre
• Offre produits - composants et systèmes - pour des applications en recherche pharmaceutique et biotechnologique
• Montée en puissance de l’offre en services
• Forte segmentation du marché - En cours de consolidation– Structuration des gammes de produits autour des puces pour le profil
d ’expression– Emergence d’une offre en puce thématique
• Facteurs dynamisants pour le secteur :– Facteurs limitants de la première génération de puces – Outils en cours d’intégration dans le développement pharmaceutique– Besoin de validation des données générées par la première génération de
biopuces au moyen de puces thématiques ou de puces à protéines
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Etude de l’offre en composants microfluidiques
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Lithographie (X-ray, électronique, UV – VIS)
Ablation Laser
µ - Electro Discharge Machining
EDM
Micro-usinage mécanique
(perçage, fraisage …)
Moule /Electrodéposition
Composants Microfluidiques
Chemical /Physical etching
Acier, Polymère, Ceramique, Silicium, Verre
Coupage / Assemblage / Encapsulation
Substrat
Emboutissage InjectionCoulage
Technique
Composants microfluidiques - Offre industrielle
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Composants microfluidiques - Offre
Polymère
Verre / Silicium
Pression extérieure
Force centrifuge
Magnétique Electro /phorèse /osmoose /
mouillabilité
Mise en mouvement del’analyte dans
le consommable
Piézo-électrique
Steag MicropartsIMM
Gyros
AMIC
Evotec / Université
Berlin
Tecan
Caliper
Micralyne
OsmoozeTronic’sAviva
Bioscience
BioMérieux
Plateformetechnologique
AMIC
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Composants microfluidiques - Offre
• Microplaque detitration
• Techniques de gestion de fluides
• Amplification
• Separation
• Separation
• Spraying
• Cristallisation
• Comptage
• Tri• Electrophysiologie
Criblage haut débit
Genomique Protéomique
Analyse cellulaire
Composants Microfluidiques
• Connection à une analyse en masse, diffraction X, étude
d’interactions protéines - protéines
• En développement
• Applications criblage et
diagnostiques
• Hybridisation
• Séquençage
Préparation échantillon
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Microfluidique - Offre en composants «actifs»
Dispense de fluides• Pipettage • Prélèvement• Dépôt de sondes biologiques• Electrospray
Préparation échantillon• Lyse - Extraction• Digestion• Amplification• Cristallisation• Pré-concentration• Dégazage
Séparation & détection•Electrophorèses•Chromatographies
Manipulation de cellules •Transfection• Cytométrie•Tri de cellules•Paramètres électrophysiologiques
Steag MicroParts / Agilent, Micronics / Dionex, Micronics, Gyros / Kratos Analytical
Verre : Caliper / Structural GenomiX, Micralyne
Microparts : Emboutissage à chaud, Micro-injection - microparts.de
Micronics : Découpe laser + Laminage à froid / chaud - micronics.net
Silicium : MicroFab, PicoJet, Colybris, Imtek, Advion BioSciences
Polymère : DiagnoSwiss
Verre : Caliper / Agilent, Caliper, Micralyne / MDS Sciex, Micralyne
Polymère : DiagnoSwiss, Greiner, Aclara
DiagnoSwiss : Gravure plasma PCB -diagnoswiss.com
Verre / silicium : Nanion, CeNes, CytoCentrics, Evotec, Aviva BioSciences, Nanogen
Polymère : Axon Instruments, Micronics, Fluidigm
DiagnoSwiss : Gravure plasma PCB
Thin XXS : hybride polymère -céramique piézo
Micronics : Découpe laser + laminage à froid / chaud - Axon Insturments : coulage
Acteurs industriels cités : projets de développement en cours ou produits sur le marché
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Microfluidique - Exemple de composants «actifs»
LabCD - Gyros / Fabrication AMIC pour le mélange et la cristallisation de protéines avant MALDI
Nano - electrospray à 96 buses jetable d ’Advion Biosciences pour l ’analyse MS - Silicium
Puce Electrophorèse de Caliper - Verre
Puce patch clamp - Nanion / verre
Module incubation SAW pour microarray - Advalytix.
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Microfluidique - Offre en composants «passifs»
Correction optiqueMicro-lentillesRéseau de lentilles
Détection optiqueRéseau gravé
Connecteur de fibres optiques
Hybridation• Fluidique pour l ’hybridation
Plaques de titration • miniaturisées• à haute densité de puits format SBS• fonctionnalisées (détection, réactifs)
BioMicrosystem (USA), Steag MicroParts (D)
Hybride verre - polymère : Unaxis (Li), Standard MEMS (USA), Xanthon (USA)
Polymère : Aclara (USA), Greiner Bio-One (D), Steag Microparts (D), Weidmann Plastics (CH), SRU Biosystems (USA)
Lesteir Process Technologies (CH), Autotype (UK), Epigem (UK), Micro-Plastics Competence Center / Europractice
Emboutissage à chaud, micro-injection
Emboutissage à chaud, Réplication sur rouleau (UV ou thermique)
Acteurs industriels cités : projets de développement en cours ou produits sur le marché
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Plaque 96 puits à détection optique sans label- SRU BioSystems
Film de dépixelisation écran LCD -Fabriqué par réplication UV par Autotype / commercialisé par MicroSharp
Plaque 96 puits miniaturisée fabriqué par Steag MicroParts - Commercialisée par Merlin Diagnostik
Plaques 96 puits + canal fluidique pour le multiplexage de PCR - Fabriqué par Aclara
Microfluidique - Exemple de composants «passifs»
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Microfluidique - Choix Technologique / applications
Verre / silicium
Solution hybride Polymère / silicium
• Choix de technologie en microfluidique : Discrimination par volume et coût
• ~ 10 000 pièces / an• Forte valeur ajoutée /
système• Insensible au prix
Ex : Dispense de fluides
• Ordre de grandeur > 1 000 000 unités / an
• Prix visé < qq € / unité
Ex : consommables de criblage haut débit,
applications diagnostiques
Zone Tampon
Polymère / Si / verre / hybride
• ~ de qq dizaines à centaines de millier de pièces / an
• Prix visé qq dizaines € / unité
•Ex : Electrophorèse capillaire (120 000 unités en 2001 /
Caliper)
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Composants microfluidiques - Facteurs industriels limitants
• Critères techniques– Difficultés lors de l’industrialisation des prototypes :
• Bouchage des canaux• Apparition de bulles
– Compréhension des phénomènes fluidiques à faible échelle
• Critères économiques– Investissement financier :
• Mise à niveau de l’ensemble des systèmes de gestion de fluides• Re-développement des essais
– Obstacle réglementaire à la diminution du volume (exemple diagnostic)
© 2002 • 39 Copyright YOLE Développement
Microfluidique - Conclusion sur l’offre
• Offre microfluidique :– Offre de plateformes technologiques verre / silicium et polymère pour le
développement et la production de composants– Compétition entre les plateformes– Choix technologiques motivés par des critères de coût et performance
• Démarrage de la commercialisation - très large gamme d’applications
– Consommables pour la préparation des échantillons– Nécessité de nouer des partenariats avec des fabricants d’instrument
pour accéder aux marchés
© 2002 • 40 Copyright YOLE Développement
Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques - Conclusion sur l’offre
• Offre biocapteurs :– Offre produits - composants et systèmes d’analyse - pour le diagnostic
médical et l’agro-alimentaire
• Offre biopuces :– Offre produits - composants et systèmes - pour des applications en
recherche pharmaceutique et biotechnologique– Offre de services pour la fabrication à façon de biopuces– Forte segmentation du marché - En cours de consolidation– Facteurs dynamisants pour le secteur :
• Limitations de la première génération de puces • Outils en cours d’intégration dans le développement pharmaceutique
• Offre microfluidique– Offre de plateforme technologique verre et silicium– Emergence commerciale et grande variété de développement amont par
rapport à la mise sur le marché
© 2002 • 41 Copyright YOLE Développement
• Impact des nanotechnologies
Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques
© 2002 • 42 Copyright YOLE Développement
Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques - Impact des nanotechnologies
• Accroissement des financements pour les nanotechnologies
•Aperçu des financements Européens nationaux – Source Technology Roadmapfor Nanoelectronics (millions d’Euros pour l’année 2001)
• Financements internationaux 2001(millions d’Euros)
4.65.86.36.9193963
GrècePortugalEspagneBelgiqueDanemarkAutricheIrlande
0.40.40.41.22.02.53.5
FinlandeSuèdeItaliePays-BasFranceUKAllemagne
449422184
JaponUSAEurope
© 2002 • 43 Copyright YOLE Développement
• Augmentation des financements mais peu de résultats industriels visibles pour le moment
• Premières réalisations en bio-photonique :– Utilisation de nanoparticules pour la détection (Genicon Life Sciences,
Quantum Dots …)– Utilisation de couches minces optiques (Unaxis Optics)
• Intégration dans certains thèmes de recherche sur les biocapteurs et biopuces :
– Développement de membranes à l’échelle moléculaire :• Impression moléculaire, bi-couches lipidiques, développement de ligands
synthétiques
• Développements amont dont l’impact sur les applications industrielles est naissante
Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques - Impact des nanotechnologies
© 2002 • 44 Copyright YOLE Développement
• Synthèse brevets
Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques
© 2002 • 45 Copyright YOLE Développement
Synthèse brevets
• Etude des brevets clés liés aux puces à ADN effectuée par l ’Observatoire des Micro et Nano Technologies
– Méthodologie : Recensement auprès de experts de l ’OMNT les brevets clés dans le domaine des puces à ADN
– Une centaine de brevets clés ont été recensés, listés et décrits par les experts de l ’OMNT
• La plupart des brevets sont originaires des Etats-Unis en dehors des brevets fondateurs d ’Edwin Southern (OGT)
• Les brevets recensés couvrent la fonctionalisation de surface, les méthodes de fabrication, les techniques de marquage et les techniques de lecture.
© 2002 • 46 Copyright YOLE Développement
Affymetrix OGT
Applied BiosystemsUniv. Colorado / Caruthers
Protogene
Incyte / Stanford Univ. Multilyte
CombimatrixCombimatrix
Invitrogen Gene Logic Nanogen
MIT
BeckmanCoulter
Genometrix
Motorola
Vysis
Abbott
HoffmannLaroche
Hyseq
Définition Microarray
Electrochimie
Synthèse in situ
Dépôt sonde pré-synthétisées
Brevets puces à ADN : procédures passées et en cours
Procès en contrefaçon, nullité. Attaquant défendant
Opposition sur brevet européen
Procès en contrefaçon, nullité. Attaquant défendant
Opposition sur brevet européen
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Affymetrix
Applied BiosystemsUniv. Colorado / Caruthers
Protogene
Incyte / Stanford Univ. Multilyte
Combimatrix
Invitrogen Nanogen
Définition Microarray
Electrochimie
Synthèse in situ
Dépôt sonde pré-synthétisées
Brevets puces à ADN : procédures en cours (janv. 2002)
EP 619 321
EP 61 746, US 4’458’066, US 4’500’707, US 5’132’418US 5’153’319, US 4’973’679
US 6’093’302
US 5’807’522US 6’110’426
Procès en contrefaçon, nullité. Attaquant défendant
Opposition sur brevet européen
Procès en contrefaçon, nullité. Attaquant défendant
Opposition sur brevet européen
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• Nombreux conflits en propriété intellectuelle au cours des années 90
• Règlement des conflits à partir du début 2000– Les brevets de définition (Southern / OGT et Fodor / Affymetrix)
ont joué un rôle central dans les conflits en propriété intellectuelle – Les acteurs des puces doivent passer des accords de licence avec
un des deux acteurs
• La majorité des brevets sur les puces à ADN est originaire des Etats-Unis– La stratégie de dépôt de brevets est utilisée pour protéger l’accès
aux marchés– Extension de cette stratégie à la microfluidique (Ex Affymetrix)
Conclusions sur les brevets
© 2002 • 49 Copyright YOLE Développement
Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Etude de la demande
© 2002 • 50 Copyright YOLE Développement
Pharmacie et biotechnologies de santé : demande
• Intégration des biopuces dans la découverte de médicaments
Identification / validation de cibles
Sélection et optimisation de candidats
Evaluation pré-clinique
Evaluation clinique
Marché émergent :
• Evaluation de la toxicité
• Réalisation de profils génomiques
• Modulation thérapeutique
Demande actuelle :
• Profils d’expression différentielle
• Génotypage
Marché futur :
• Intégration des profils d’expression dans le criblage
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Estimation de l’évolution du marché des biopuces
0
500 000
1 000 000
1 500 000
2 000 000
2 500 000
3 000 000
3 500 000No
mbr
e d'
unité
s
2001 2002 2003 2004 2005 2006
Spotting interneHypothèse basse
Spotting interneHypothèse haute
Puces pré-spottéesHypothèse basse
Puces pré-spottéesHypothèse haute
Hypothèses de croissance sur 5 ans :• Hypothèse : +15 % / an (Source Affymetrix : + 25 % pour 2002)
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Pharmacie et biotechnologies de santé : demande
• Demande générée par l’offre : microfluidique • Automates de dispense et gestion de fluides en très faible volume (dispenseurs et
automates de gestion de fluides)
• Composants pour l’électrophorèse capillaire – Analyse de fragments d ’ADN ou d ’ARN (contrôle qualité avant réplication par PCR)– Séparation de protéines et de cellules
• Demande intrinsèque : Outils pour la protéomique, la détection précoce de toxicité et la compréhension des mécanismes cellulaires
• Fluidique pour la préparation de l ’échantillon pour la spectrométrie de masse : electrospray, matrice MALDI …
• Mesure de la cinétique des interactions protéines - protéines par biocapteur SPR • Puces à protéine pour l’étude des mécanismes cellulaires et la détection de la réponse
inflammatoire
• Caractéristiques de la demande :• Contraintes sur les coûts relativement faibles• Diminution de l’investissement sur le développement d’instruments
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Diagnostic médical : demande en biopuces
• Les applications diagnostiques ont des contraintes économiques fortes par rapport aux applications en biotechnologie
• Biopuces– Développements actuels :
• Outils de recherche clinique et d ’aide au diagnostic, en particulier dans la cancérologie, les maladies cardio-vasculaires et pour la modulation thérapeutique
• Aucun test n’a reçu d’autorisation réglementaire de mise sur le marché à ce jour.
– A plus long terme :• Les applications des puces à ADN pourraient viser la microbiologie et les maladies
infectieuses. • Incertitude sur le choix technologique pour les tests de biologie moléculaire : PCR
quantitative, Fluorescence sur lames de verre, membranes nylon, micro-billes, composant silicium. Le choix technologique est fonction du coût visé pour l ’application.
• Microfluidique - Les développements microfluidiques sont faits en parallèle aux développements de biopuces
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Diagnostic médical : demande en biocapteurs
• Forte croissance des applications liées à l’auto-diagnostic et au diagnostic décentralisée
Applications
Auto-diagnostic Diagnostic décentralisé
• Contrôle en conditions critiques (Radiometer, Abbott - Istat, Bayer …)
• Coagulation (Roche, Abbott, Bayer …)
• Immunoessais rapides - grossesse, fonctions cardiaques, abus de drogue -
BioSite Diagnostics
• Contrôle de la glycémie (Roche, Johnson & Johnson, Medisense
…), tests de grossesse ...
• Simplicité d’utilisation et robustesse• Biocapteurs à usage unique
• Minimum d’intervention pour l’utilisateur (système de Radiometer auto-calibrant et auto-nettoyant)
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Applications pharmaceutiques et diagnostiques - Perspectives d’évolution des applications des biopuces
Découverte / validation de
cibles
• Expression / typage
• Développement d’essais
• Recherche
Essais pré-cliniques / Essais cliniques
Identification et optimisation de candidats
• Suivi thérapeutique
• Toxico-génomique
Thérapie personnalisée
2001 : marché actuel 2002 - 2004 : marchés émergents
2004 - 2008 : Futurs marchés
En développement
Volume moyen de biopuces / applications /
acteurs
100
1 000
10 000
100 000Diagnostic
• Typage de souches (HIV, hépatite)
• Typage de cancer
• Suivi thérapeutique
• Marqueurs cardiaques
• Microbiologie
• Immunologie1 000 000
Diagnostic prédictif
2010 - 2020 : Futurs marchés
Nouveaux Concepts médicaux
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Applications pharmaceutiques et diagnostiques - Perspectives d’évolution des applications de composants fluidiques
2001 : marché actuel 2002 - 2004 : marchés émergents
2005 - 2010 : Futurs marchés
Concepts en développement
Contrôle Qualité ADN / ARN
Séparation de protéines
Analyse cellulaireElectrophorèse capillaire
Intégration de composants fluidiques sur puces à ADN
Contrôle de l ’hybridation
PCR miniaturisée sur puce / carte
Protéomique / analyse cellulaire
Composants fluidiques pour la spectrométrie de masse / cristallographie
Patch clamp sur puces / Tri de cellules sur puces
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Agroalimentaire
• Applications ciblées par les biocapteurs et biopuces
AgroalimentaireRecherche
Sélection variétale
Nutrition
Contrôle des matières premières
Procédés de transformation
Contrôle réglementaire
• Génotypage
• Profils d’expression
• Détection d ’OGM
• Identité génétique
• Analyses microbiologiques
• Analyses microbiologiques
• Dosage de certains composants (sucres, vitamines …)
• Analyses microbiologiques
• Identification génétique
• Détection d’OGM
Traçabilité
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Agroalimentaire : biopuces et biocapteurs
• Applications citées:– Recherche agro-alimentaire amont - biopuces haute densité Affymetrix pour le profil
d ’expression sur le génome humain et sur les génomes animaux et végétaux. Quelques dizaines à quelques centaines de composants par an
– Puces de génotypage - puces spottées pour le développement de variétés - quelques milliers à dizaines de milliers de composants par an
– Puces à détection colorimétrique pour la détection de pathogènes
– Contrôle de composition et contrôle de procédés: utilisation de biocapteurs (contrôle du déroulement du procédé de transformation, contrôle qualité après la production, contrôle réglementaire après la mise sur le marché)
• Applications envisageables en fonction du coût / analyse et de l’évolution de la réglementation
– Analyses microbiologiques : Contrôle de matière première, contrôle de procédé de transformation et contrôles réglementaires (marche potentiel important en nombre d ’analyses)
– Identification génétique : Détection d ’OGM, traçabilité, contrôle de composition
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Environnement : biopuces et biocapteurs
• Applications ciblées par les biocapteurs et biopuces
Environnement
Contrôle de toxicité sur les eaux de
prélèvement
Analyses lors de la purification et du traitement
d’eaux usées
Contrôle réglementaire avant distribution
Capteur biologique Analyses microbiologiques
Contrôle des pesticides, phosphates
Analyses microbiologiques
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Environnement : biopuces et biocapteurs
• Contrôle sur les eaux de prélèvement– Techniques de référence : mesure d ’un paramètre global de toxicité et des paramètres
physico-chimiques des eaux– Solutions alternatives : utilisation d ’organismes vivants pour la détection de pollution (truites
ou daphnies).– Développement de biocapteurs au stade du prototype : utilisation d’algues et bactéries
électroluminescentes
• Contrôle des eaux en traitement :– Développements en cours de biopuces pour l’analyse bactériologique : Projet Aquagen
(Lyonnaise des Eaux) et Aquachip (Genolife)– Détection des pathogènes dans l’eau
• Contrôle réglementaire :– Attente de validation des outils
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Agroalimentaire / Environnement -Contraintes
• Marché potentiel très important en nombre d’analyses, notamment pour la microbiologie
• Fortes contraintes de coût :
– Orientations technologiques vers des solutions compatibles avec les contraintes économiques (choix des matériaux, réactifs, modes dedétection …)
• Validation réglementaire des outils– Attente vis-à-vis de l’évolution de la réglementation
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• Demande très hétérogène en fonction des secteurs industriels :
– Recherche en biotechnologie et développement pharmaceutique :• Peu sensible au coût des instruments et consommables• Orientée vers :
– La protéomique– La détection précoce de toxicité– La validation des données d’expression génomique
– Diagnostic / aide au diagnostic• Sensible au coût en fonction des applications (microbiologie / typage de
cancers)• Incertitude sur l’option technologique à long terme
– Agro-alimentaire / environnement• Très sensible au coût• Divers couples technologies / applications envisageables dépendantes
des contraintes réglementaires et économiques
Conclusion sur la demande industrielle
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Activités françaises et internationales
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Activités internationales
• Activités dominées par les acteurs des USA :– Composants– Systèmes– Propriété intellectuelle
• Financement important en Asie, notamment au Japon, sur les biopuces et composants fluidiques pour compenser le retard par rapport aux USA et à l’Europe
– Peu de retombée industrielle visible pour l’instant– Forte influence des grandes sociétés d ’instrumentation asiatiques - Toshiba,
Olympus, Hitachi, Sony - par l ’intermédiaire de partenariats avec des sociétés européennes et américaines - Nanogen, Pamgene
• Acteurs Européens présents au niveau R&D sur les composants– Faiblesse sur l’instrumentation – Leadership sur la micro-réplication polymère– Implication de grands groupes du semi-conducteur comme Infineon, ST
Microelectronics ...
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Activités françaises
• Forte présence au niveau de la R&D sur les composants :– Impact des centres de compétence en microtechnologies (CEA
LETI, LAAS, IEMN, IMFC, ESIEE ...)– Transfert des savoir-faire en instrumentation par la création
d’entreprises : Genoptics, Rosatech, Apibio ….
• Positionnement très innovant sur certains marchés industriels dont le diagnostic et le contrôle agro-alimentaire
• Implication de grands groupes - Sanofi Synthélabo, bioMérieux
• Faiblesse relative : – En instrumentation et en robotique
• Instrumentation : problématique de l’accès au marché– En microfluidique– En réplication polymère
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Conclusion
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
Offres technologiques de nature différente :– Biocapteurs : Offre produits – Biopuces : Produits (Composants et systèmes) et services– Composants microfluidiques : Offre services - Emergence de la
commercialisation
Marchés à fort potentiel très segmentés– Nombreuses applications ayant des contraintes économiques et
réglementaires différentes– Choix technologiques en fonction :
• de critères économiques sur certaines applications• de critères de performance sur d’autres applications
Difficulté d’accès au marché sans partenaire de l’instrumentation :• Le choix d ’un partenaire et d ’un modèle d ’affaire est
déterminant pour les fabricants de composants
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
• Observations liées aux activités françaises et internationales :– Nécessité d’interaction dès les premiers stades des
développements entre fabricants de systèmes, fabricants de composants et utilisateurs finaux de la biologie
• Définition des spécifications et de l’architecture système
– Nécessité pour les fabricants de composants d’accéder aux marchés par l ’intermédiaire des sociétés spécialisées en instrumentation pour les sciences de la vie
– La protection intellectuelle et industrielle est un outil indispensable d ’ouverture et de fermeture des marchés
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• Pistes d’amélioration :
– Favoriser les rapprochements inter-disciplinaires
– Soutenir l’implication des sociétés d’instrumentation et les projets de développement d’instrumentation
– Favoriser les échanges d ’information entre centres de ressources technologiques et industriels - Partager la veille technologique et la veille marché au moyen de structures comme l ’OMNT
– Soutenir les thématiques en faiblesse relative et notamment la microfluidique, réplication polymère
Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques
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• Remerciements
– Membres du comité de pilotage– Industriels et experts académiques rencontrés au cours de
l’étude– OMNT :
• Stéphane FONTANELL– YOLE Développement :
• Michel PROVENCE, Caroline BALSALOBRE, Eric MOUNIER, Jean-Christophe ELOY
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Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques