Ingénierie pour la Santé Pascal Sommer Chargé de Mission Ingénierie pour la Santé INST2I Sur la base Du Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant dirigé par P. Cozzone (07- 2008) Du bilan des représentants CNRS de l’Institut des Technologies pour la Santé (direction J Grassi & P Bompard pour le CNRS) Du rapport de conjoncture 2004 – 2008 de la section 30 du CoNRS Thérapeutique, pharmacologie et bio-ingénierie (past-Président P. Sommer)

L'Ingénierie du Vivant concerne: La santé L 'agro-alimentaire L'environnement Les nouvelles énergies Les facteurs de risque L’éthique

L ‘Ingénierie pour la Santé : Définition L’Ingénierie pour la Santé intègre les sciences physiques, chimiques, mathématiques, informatiques et les principes de l’ingénierie pour étudier la biologie, la médecine, le comportement et la santé. L’Ingénierie pour la Santé - fait avancer les concepts fondamentaux, - crée des connaissances allant du niveau de la molécule à celui de l’organe - et développe des produits innovants en biologie (réactifs…), matériaux, procédés, implants, appareils, informatique… - pour la prévention, le diagnostic, le traitement des pathologies, la réhabilitation des patients et du handicap, l’amélioration de la santé humaine et la prévention des risques. (d’après National Institutes of Health)

Les défis à relever: Comprendre et décrire le fonctionnement global des systèmes vivants dans leur environnement (in vivo ou in vitro) : régulations, mécanismes, dysfonctions, évolutions, …. Modéliser, concevoir et maîtriser les systèmes vivants et les technologies pour les étudier, les mettre en œuvre, les valoriser ou les réparer ?

L’Ingénierie pour la Santé : Une activité PLURIDISCIPLINAIRE Mise en commun de compétences en : biologie chimie (micro) électronique génie des procédés imagerie informatique mathématiques mécanique médecine physique SHS ingénieurs chimistes médecins biologistes informaticiens physiciens SHS

Des approches générales qui sont propres au ST2I multi-échelles multi-physiques systémiques multi-modales Des compétences : conceptuelles méthodologiques technologiques expérimentales Découverte Valorisation

Des thématiques clairement identifiées au ST2I ….. fortement inter-corrélées Imagerie Diagnostique in vivo Biomécanique cellulaire, tissulaire et organique Génie des bioprocédés Biomatériaux (Bio)- Informatique Micro- et Nanobiotechnologies Robotique

Biomécanique Cellulaire Tissulaire et Organique Biomatériaux Bio - Ingénierie: Biomécanique Cellulaire Tissulaire et Organique Biomatériaux

Biomécanique Cellulaire, Tissulaire et Organique Mécanique des solides et fluides biologiques (rhéologie, tribologie..) Mécanobiologie et biomatériaux Ingénierie tissulaire Traumatologie: apprentissage, aide à décision assistance pré/post opératoire Prévention Remplacement: Prothèses (endo / exo), Remodelage périprothétique Organes artificiels Régénération (Cellules souches, scaffolds) Peau, ligaments, innervation Vieillissement Ostéoporose, Arthrose, Organes des sens, Marche Handicap Médecine – Biologie - Bioprocédés – Imagerie – Biorobotique - Informatique

Biomécanique cellulaire, tissulaire et organique. Voies d’évolution Développement de méthodes dédiées: caractérisation des propriétés matérielles et géométriques des milieux vivants et à leurs variabilités Développement de modèles dédiés: de la cellule au tissu et à l’organe, de la seconde aux années. Développement de modèles de comportement multi-échelles: intervention de phénomènes physiques couplés / fluide – structure – transport - comportement Développement de matériaux de substitution : Implants, biointégration, résorbabilité, vieillissement ….

Bio - Ingénierie: Biomécanique et Biomatériaux Recommandations: Intégrer Plus, Modéliser et Valoriser mieux, Interactions renforcées entre communautés Physique instrumentale, Médecine, Biologie, Electronique, Informatique et traitement du signal, Chimie, Pharmacologie, Imagerie Partenariats renforcés sur des projets innovants Le développement de modèles biologiques pertinents: tissus humains reconstruits ou modèles animaux, pour les systèmes ostéoarticulaire, musculo-squel., cardio – vasculaire, neurologiques, la peau… La détermination des propriétés biomécaniques des modèles Le contrôle de l’implantation et de l’évolution des implants in vivo (cellules, tissus, biomat.) et l’exploration des capacités régénératives des tissus implantés Valorisation intégrée ab initio Intégration de Partenariat industriel Intégration des dispositions comportementales, sociales et éthiques

Imagerie du Vivant

Imagerie in vivo Champ très vaste: Imagerie fonctionnelle et interventionnelle Physiopathologie, Biologie du développement, Cancérologie, Pharmacologie préclinique et thérapeutique… Homme et animal Modélisation chez l’animal Suivi clinique Plusieurs niveaux: Anatomique ou Morphologique, Métabolique, Moléculaire, Différentes modalités Rayons X, Résonance Magnétique (IRM), Ultrasons, Radionucléides, Optique, Magnétoencéphalographie (MEG) Réalité augmentée : rendre visibles des structures ou fonctionnalités invisibles en per-opératoire Navigation - positionnement : positionner/orienter un instrument en un point de l’espace prédéfini par rapport au patient à l’aide d’images et de signaux pré-opératoires et per-opératoires Suivi de trajectoire: faire suivre à un instrument une trajectoire prédéfinie par rapport au patient Co-manipulation : manipuler manuellement un instrument contraint (en position, vitesse, effort) par un système robotique Télé-manipulation : télé-manipuler (à distance) un instrument Exploration: explorer avec un certain degré d’autonomie un environnement incertain Simulation: réaliser l’une des tâches précédentes dans un environnement virtuel --- Rééducation après un traumatisme : faire bouger les membres ou le corps du patient pour une rééducation Activation et stimulation fonctionnelle de membres ou organes paralysés ou déficients Prothèses actives : remplacement d’une partie du corps avec une prothèse actives Orthèses : assistance à une partie du corps à l’aide d’un système actif, exosquelette, … Fauteuils, lits, chambres médicalisées

Imagerie diagnostique in vivo 42°-45° 45°- 48° > 48° C Imagerie par fluorescence IRM + thermo-ablation par ultrason Spectro - IRM Imagerie par ultrasons + Doppler IRM statique et dynamique

Imagerie diagnostique in vivo Voies d'évolution : voir Mieux, voir Plus Nouveaux principes d'imagerie ou concepts instrumentaux Amélioration des dimensions multimodalitaires, fonctionnelles, métaboliques et interventionnelles Amélioration des marquages: agents de contraste ciblés, imagerie moléculaire, nouveaux capteurs (micro-nanotechnologies) Moyens accrus de production, gestion, traitement des images et quantification Association d’autres technologies: assistance chirurgicale et pharmacologique Meilleure prise en compte des nuisances / facteurs de risque / éthique Réalité augmentée : rendre visibles des structures ou fonctionnalités invisibles en per-opératoire Navigation - positionnement : positionner/orienter un instrument en un point de l’espace prédéfini par rapport au patient à l’aide d’images et de signaux pré-opératoires et per-opératoires Suivi de trajectoire: faire suivre à un instrument une trajectoire prédéfinie par rapport au patient Co-manipulation : manipuler manuellement un instrument contraint (en position, vitesse, effort) par un système robotique Télé-manipulation : télé-manipuler (à distance) un instrument Exploration: explorer avec un certain degré d’autonomie un environnement incertain Simulation: réaliser l’une des tâches précédentes dans un environnement virtuel --- Rééducation après un traumatisme : faire bouger les membres ou le corps du patient pour une rééducation Activation et stimulation fonctionnelle de membres ou organes paralysés ou déficients Prothèses actives : remplacement d’une partie du corps avec une prothèse actives Orthèses : assistance à une partie du corps à l’aide d’un système actif, exosquelette, … Fauteuils, lits, chambres médicalisées

Imagerie diagnostique in vivo Recommandations Interaction renforcées entre communautés Physique instrumentale, Médecine, Biologie, Electronique, Informatique et traitement du signal, Chimie, Pharmacologie Renforcement d’un nombre limité de pôles spécialisés en imagerie in vivo biologique et médicale Compétences multidisciplinaires, Plateformes reconnues et validées Jouvence permanente du matériel Partenariat industriel (sans conflit d’intérêt) Respect des dispositions éthiques, prise en compte des nuisances Programmation de projets innovants et intégratifs Projets « à risques »  Intégration ab initio des facteurs de risque / éthique

Micro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies

Micro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies Domaines d’application Conception de nouveaux dispositifs pour la détection chimique et biologique in vivo, le diagnostic, le suivi thérapeutique, la délivrance de médicaments, etc. Optimisation de l’interface avec le Vivant (Robotique médicale, Neurochirurgie, etc.) Conception de nouvelles approches pour comprendre le fonctionnement du Vivant Capteur chimique pour le suivi de l'hémodialyse rénale Microsystème pour la fabrication de biopuces

Micro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies Voies d’évolution Composants et technologies associées Nouveaux matériaux biocompatibles, biodégradables, non toxiques Nouveaux procédés de fabrication, de mise en forme, de structuration Micro et nanostructures fonctionnelles (vectorisation, agents de contraste…) Micro et nanofluidique Techniques de détection, d’instrumentation et de modélisation Couplage entre nouvelles techniques d’imagerie (biophotonique, microscopie 2 photons, microscopie de champ proche) et micro-nanosystèmes Optimisation de l’interface avec le Vivant par micro et nanomanipulation Approches de simulation et de modélisation multiéchelles et multiphysiques Approche « Système » dans la modélisation du Vivant (biologie systémique) Systèmes intégrés (in vivo et in vitro) - Micro-nanosystèmes bio-hybrides Biopuces (ADN, protéines, cellules, tissus) et laboratoire sur puce Micro-nanosystèmes implantables

Micro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies Recommandations Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) Micro-Nanosystèmes et Nanobiotechnologies Recommandations Création de véritables structures pluridisciplinaires pour la mise en œuvre de projets ambitieux (prise de risques) en recherche fondamentale ou appliquée Cahier des charges à définir très précisément pour les projets applicatifs par rapport à l’existant sur le marché industriel - Prise en compte des directives européennes sur la toxicité dès les phases de conception de nouveaux projets (directive REACH en particulier) Questionnements éthiques à prendre en considération pour de nombreuses applications mises en exergue dans le cadre de la convergence NBIC (Nanotechnology, Biotechnology, Information technology and Cognitive Science)

Bioprocédés: de la Cellule au Produit Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) Bioprocédés: de la Cellule au Produit

Bioprocédés : de la Cellule au Produit Applications Bioréacteurs / Bioséparateurs de 10-5 m3 à 20 m3 Enzyme Cellule sur support médicaments (anticorps, hormones, immunorégulateurs,…) vaccins molécules fonctionnalisées ingénierie tissulaire Procédés de synthèses, de transformations, de dégradations  Agro-alimentaire, Energie, Chimie verte, Environnement  Santé

Bioprocédés : de la Cellule au Produit Voies d’évolution et Recommandations Génie métabolique (usine cellulaire) en conditions réelles Descripteurs mathématiques des flux métaboliques Modèles intégratifs (physiologie, énergétique cellulaire) Outils de mesures rapides des composés intracellulaires Thermodynamique appliquée aux systèmes biologiques La cellule et son environnement dans le réacteur Impact des phénomènes physiques (mécaniques, radiatifs, thermiques) Hydrodynamique des bioréacteurs (micro-macromélange, trajectographie) Dynamique des réactions cellulaires aux divers stress Modèles de couplage entre cinétiques biologiques et environnement Conception, contrôle et conduite de bioprocédés Acquisitions en-ligne (capteurs) et traitement de l'information Conception de nouveaux bioréacteurs (sous contraintes, jetables, micro,…) Technologies innovantes de séparation de biomolécules Modélisation multiobjet (capteurs logiciels, commande, optimisation) Evaluer l’impact des bioprocédés sur l’environnement et sur la Santé

(Bio) - Informatique et Santé Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) (Bio) - Informatique et Santé

(Bio) - Informatique et Santé: Domaines d’application Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) (Bio) - Informatique et Santé: Domaines d’application Pharmacologie épidémiologie et évolution des maladies ; étude des organismes pathogènes, des maladies génétiques Ethno-pharmacologie et recherche de famille de médicaments Imagerie (diagnostique, couplée à la robotique…) Développement d’algorithmes adaptés à une acquisition / exploitation rapide et efficace de données, pour une imagerie non invasive et en mouvement Biologie des structures et des systèmes compréhension des mécanismes impliqués dans des pathologies complexes aide au diagnostic, rationalisation de la conception de médicaments.

Médicament, Bioingénierie, robotique, imagerie, Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) (Bio) - Informatique et Santé Gestion des données « haut débit » Protéome Transcriptome Structures Systèmes Génome Médicament, Bioingénierie, robotique, imagerie, génie des procédés Interactomes Phylogénie Imagerie Comportement

(Bio) - Informatique et Santé Voies d’évolution / Recommandations Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) (Bio) - Informatique et Santé Voies d’évolution / Recommandations Favoriser le travail en pluridisciplinarité: entre réalisme biologique, modélisation mathématique et traitements informatiques. Algorithmique et statistique des données de la biologie à haut débit : séquences, structures moléculaires, données d’expression, réseaux d’interaction… Modélisation mathématique des réseaux biologiques complexes, des structures moléculaires, et de leur dynamique. Classification et apprentissage automatique pour l’étude et l’inférence des réseaux biologiques (ex : fouille de textes scientifiques).

Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) Robotique et Santé

Robotique et Santé Domaines d’application Assistance au médecin Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) Robotique et Santé Domaines d’application Assistance au médecin Réalité augmentée à l’aide d’images pré-opératoires Navigation et positionnement d’instruments Suivi de trajectoire robotisé en radiologie et radiothérapie Co-manipulation et télé-manipulation d’un assistant robotique Exploration active à l’intérieure du corps Simulation des procédures médicales et chirurgicales Assistance à la personne Rééducation assistée Activation et stimulation fonctionnelle de membres paralysés Prothèses et orthèses actives Fauteuils robotisés, lits, chambres médicalisées Réalité augmentée : rendre visibles des structures ou fonctionnalités invisibles en per-opératoire Navigation - positionnement : positionner/orienter un instrument en un point de l’espace prédéfini par rapport au patient à l’aide d’images et de signaux pré-opératoires et per-opératoires Suivi de trajectoire: faire suivre à un instrument une trajectoire prédéfinie par rapport au patient Co-manipulation : manipuler manuellement un instrument contraint (en position, vitesse, effort) par un système robotique Télé-manipulation : télé-manipuler (à distance) un instrument Exploration: explorer avec un certain degré d’autonomie un environnement incertain Simulation: réaliser l’une des tâches précédentes dans un environnement virtuel --- Rééducation après un traumatisme : faire bouger les membres ou le corps du patient pour une rééducation Activation et stimulation fonctionnelle de membres ou organes paralysés ou déficients Prothèses actives : remplacement d’une partie du corps avec une prothèse actives Orthèses : assistance à une partie du corps à l’aide d’un système actif, exosquelette, … Fauteuils, lits, chambres médicalisées

Robotique et Santé Voies d’évolution Assistance au médecin Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) Robotique et Santé Voies d’évolution Assistance au médecin Imagerie temps-réel multimodale Prise en compte des mouvements physiologiques Co-manipulation et télé-manipulation avec retour d’effort Assistance robotique à la radiologie interventionnelle par IRM Assistant robotique miniaturisé à la chirurgie mini-invasive Thérapies ciblées avec guidage externe des produits vers la cible et activation in situ Simulation patient dépendante Assistance à la personne Robotique d’assistance à domicile sécurisée Stimulation fonctionnelle implantée, adaptative et durable Prothèses et orthèses actionnées avec des capacités d’adaptation Environnements médicalisés intelligents L’utilisation de plusieurs modalités d’imagerie en temps réel en per-opératoire. La prise en compte en temps réel des mouvements physiologiques et des déformations des organes et du patient dans les interactions avec les organes et dans les thérapies ciblées. La télé-manipulation et la co-manipulation avec retour d’effort pour augmenter le réalisme du retour au maître de l’interaction avec les organes des instruments tenus par l’esclave. La prise en compte des temps de latence. L’utilisation de modèles d’interaction biomécanique. Le développement d’une assistance robotique pour la radiologie interventionnelle au sein d’une IRM. Développement d’actionneurs et de capteurs compatibles IRM. La conception et le développement de systèmes robotiques miniatures pour l’exploration et la manipulation de petits instruments à l’intérieur du corps. Ces systèmes robotiques seront moins onéreux et moins invasifs que les systèmes robotiques existants. Le développement de thérapies ciblées avec guidage externe des produits vers la cible et activation in situ. Injection contrôlée par ordinateur de drogues et médicaments avec mesures physiologiques La simulation réaliste d’une intervention à l’aide d’un simulateur patient dépendant ------------- Des interactions naturelles et sécurisées entre le système robotique et le patient en rééducation. Stimulation fonctionnelle contrôlée par ordinateur implantée dans le corps du patient, durable et intelligente. Des prothèses actives et intelligentes qui s’adaptent aux conditions externes. De nouveaux interfaces de commande de ces prothèses. Des orthèses avec des capacités d’adaptation. Des fauteuils, des lits ou des environnements intelligents. Des environnements virtuels réalistes pour les thérapies comportementales.

Robotique et Santé : Recommandations Rapport du Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant (juillet 2008) Robotique et Santé : Recommandations Favoriser les interactions chercheurs en robotique & informatique et les médecins et spécialistes du comportement Les priorités en Robotique médicale d’assistance au médecin la miniaturisation des dispositifs le caractère non invasif des procédures l’utilisation en temps-réel de différentes modalités d’imagerie ou d’acquisition de signaux per-opératoires l’intégration de capteurs et d’actionneurs au niveau des instruments Les priorités en Robotique d’assistance à la personne les interfaces homme-machine les interactions entre l’environnement et la personne, en développant une modélisation des opérateurs et des utilisateurs des interfaces sécurisées des capteurs et des actionneurs biocompatibles ou embarqués

L ‘Ingénierie pour la Santé: une large communauté pluridisciplinaire! du Vivant ST2I 7 8 9 10 30 INSB INEE INC INP INSHS INRA INSERM CEA INRIA Universités Industriels Partenaires étrangers Hôpitaux INST2I IN2P3

La communauté scientifique CNRS** en Ingénierie pour la Santé INSB (SDV) INST2I INC (chimie) INSHS INP (MPPU) IN2P3 Total labs 85 59 31 2 6 3 186 Pers* 3914 4778 1519 29 328 414 10982 * Personnels potentiels, à titre indicatif = total des personnels chercheurs, enseignants-chercheurs et ITA référencés par unité sur LabIntel en janvier 2009 ** Tableau élaboré dans le cadre de l’Institut des Technologies pour la Santé, par Philippe Bompard, Patrick Couvreur, Patrick Cozzone, Luc Darrasse, Michel de Mathelin, Florence Noble & Pascal Sommer

La communauté scientifique ST2I*** en Ingénierie pour la Santé Tot INGENIERIE Lab 4 9 12 6 32 Pers* 120 344 729 928 257 2378 ROBOTIQUE 1 3 8 392 239 209 840 IMAGERIE 11 2 24 1530 134 108 164 1968 * Personnels potentiels, à titre indicatif = chercheurs, enseignants-chercheurs et ITA (LabIntel) ** Unités S30 INST2I & INSB *** Tableau élaboré dans le cadre de l’Institut des Technologies pour la Santé,

Groupements de recherche CNRS – ITS Bioinformatique moléculaire Biomécanique des chocs Biomécanique des fluides et des transferts - Interaction fluide/structure biologique Conceptions de microbiocapteurs électrochimiques pour la santé l'environnement et la sécurité alimentaire Ingénierie des Biosystèmes : de la cellule au procédé Instrumentation et Modélisation pour l'Imagerie Biomédicale Mécanotransduction Microscopie fonctionnelle du vivant GDRI Nano and Microsystems Nano and Microsystems Robotique STIC-Santé System On Chip - System In Package

L’Ingénierie pour la Santé à l’INST2I : recommandations Identifier les forces et les acteurs principaux rôle des DSA et chargés de mission, section du CoNRS, Identification des équipes IPS lors des évaluations d’unités Fédérer les communautés : GDR, écoles thématiques, renforcement sur sites (collegium), Développement de modèles communs pertinents, Positionnement dans les sections, Fédérer des actions innovantes: programmes multidisciplinaires (PEPS, ANR), recrutement post-docs / chercheurs sur programmes IPS Ouvrir plus à l’environnement, l’agroalimentaire et l’énergie Intégrer ab initio les objectifs finaux intégrer le transfert pour des applications pour la Santé intégrer les conséquences éthiques, comportementales, sociales

Merci au Groupe de Réflexion sur l'Ingénierie du Vivant: Christian Bergaud, Patrick Chabrand, Patrick Cozzone, Luc Darrasse, Alain Denise, Valérie Deplano, Jack Legrand, Annie Marc, Michel de Mathelin, Laurent Sedel Merci aux représentants CNRS à l’Institut des Technologies pour la Santé : Philippe Bompard, Patrick Couvreur, Patrick Cozzone, Luc Darrasse, Michel de Mathelin, Florence Noble & Pascal Sommer, pour l’ITS Merci aux commissionnaires de la section 30 2004 – 2008 : Thérapeutique, pharmacologie et bio-ingénierie Jacques Bittoun, Jocelyne Blanc, Nicole Dalla-Venezia, Chantal Damais, Chantal Etiévant, Jean-Michel Franconi, Alain Gardier, Philippe Hantraye, Gérard Helary, Marie-Christine Ho Ba Tho, Claire Lugnier, François-Xavier Maquart, Jacqueline Milhau, Didier Morin, Sylviane Muller, Patrick Netter, Florence Noble, Brigitte René, Jérôme Steibel, Marie Suzanne Strzalko et Pascal Sommer p.sommer@ibcp.fr