Avancées scientifiques : les tendances émergentes à surveiller en 2024

Entre disciplines et secteurs d'activité, des découvertes scientifiques se produisent chaque jour. Comment faire pour garder une longueur d'avance sur les tendances émergentes dans un domaine en plein essor ? Chez CAS, nous disposons d'un point de vue unique sur les dernières avancées scientifiques et les découvertes historiques sur lesquelles elles s'appuient, et nous disposons de l'expertise requise pour négocier les opportunités futures. En 2023, nous avons identifié les principales avancées scientifiques et l'année 2024 offre encore plus de promesses. Parmi les nouvelles tendances à suivre, on peut citer l'accélération du développement de la chimie verte, la validation clinique du CRISPR, la montée en puissance des biomatériaux et les progrès renouvelés du traitement des maladies pour lesquelles il n'existe pas de médicament, du cancer aux maladies neurodégénératives.  

L'ascension de l'IA dans la R&D

Même si le secteur de l'IA a toujours été tourné vers l'avenir, la révolution qu'il va provoquer dans la chimie et la découverte de médicaments n'est pas encore pleinement réalisée. Malgré certains revers qui ont fait beaucoup de bruit, plusieurs progrès devraient être observés de près au fil de l'évolution de ce domaine. L'IA générative influe sur la découverte de médicaments, l'apprentissage machine est davantage utilisé dans la recherche environnementale et les grands modèles de langage comme ChatGPT sont testés dans les applications de santé et le cadre clinique.  

De nombreux scientifiques s'intéressent à AlphaFold, le logiciel de prédiction de la structure protéique de DeepMind qui a révolutionné notre compréhension des protéines. DeepMind et Isomorphic Labs ont annoncé récemment que leurs derniers modèles sont plus précis, capables de générer des prédictions concernant la plupart des molécules présentes dans la Protein Data Bank (Banque de données des protéines) et ils étendent leur couverture aux ligands, acides nucléiques et modifications post-translationnelles. La découverte d'anticorps thérapeutiques gérée par l'IA gagne également en popularité et les plateformes telles que le moteur de recherche d'anticorps de RubrYc Therapeutics favoriseront les progrès de la recherche dans ce domaine.

Même si beaucoup de spécialistes sont enthousiasmés par le développement de l'IA, des préoccupations subsistent au sujet de la précision et de l'accessibilité des données d'entraînement, de l'équité et des biais, du manque d'encadrement, de l'impact sur l'enseignement, la recherche universitaire et les publications, des hallucinations des grands modèles de langage et même au sujet des menaces d'infodémie sur la santé publique. Toutefois, une amélioration continue est inévitable avec l'IA. On peut donc s'attendre à assister à de nombreux nouveaux développements et à des innovations tout au long de l'année 2024.

Une chimie verte « plus verte »

La chimie verte est un domaine en expansion rapide qui cherche constamment des moyens innovants de minimiser l'impact écologique des procédés chimiques. Voici quelques tendances émergentes qui font apparaître des avancées significatives :

• Amélioration des prédictions/résultats de la chimie verte : l'un des plus importants défis de la chimie verte consiste à prédire l'impact environnemental de nouveaux procédés et produits chimiques. Les chercheurs développent de nouveaux outils et modèles de calcul qui facilitent la prédiction plus précise de ces impacts. Cela permettra aux chimistes de concevoir des produits chimiques plus sûrs et plus écologiques.
• Réduction des plastiques : plus de 350 millions de tonnes de déchets plastiques sont générés chaque année. Dans le monde des fabricants, des fournisseurs et des détaillants, la réduction de l'utilisation de plastiques à usage unique et de microplastiques est essentielle. Les nouvelles approches gérées par la valeur par des innovateurs tels que MiTerro, qui réutilisent les sous-produits industriels et les déchets de biomasse pour fabriquer des substituts du plastique plus écologiques et moins chers, seront bientôt attendues dans toute l'industrie. La réduction des coûts et de l'empreinte des plastiques sera importante dans l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement.     
• Chimie alternative des batteries : dans le domaine des batteries et du stockage de l'énergie, la recherche d'alternatives aux « éléments menacés » et rares comme le lithium et le cobalt sera essentielle. Ces composants indispensables de nombreuses batteries deviennent rares et coûteux. Les nouveaux investissements dans les batteries au phosphate de fer au lithium (LFP), qui n'utilisent pas de nickel ni de cobalt, se sont développés et on prévoit que les LFP représenteront 45 % des parts de marché en 2029. De nouveaux développements devraient se produire dans la recherche continue sur les matériaux alternatifs tels que le sodium, le fer et le magnésium, qui sont plus abondants, moins coûteux et plus durables.
• Catalyseurs plus durables : les catalyseurs accélèrent une réaction chimique ou réduisent l'énergie utilisée sans être consommés. Les métaux nobles sont d'excellents catalyseurs ; toutefois, ils sont coûteux et l'exploitation des mines est nocive pour l'environnement. Même les catalyseurs à base de métaux non nobles peuvent eux aussi être toxiques en raison de la contamination et des défis liés à leur mise au rebut. Les catalyseurs durables sont fabriqués à partir d'éléments abondants sur terre qui sont également de nature non toxique. Depuis quelques années, on assiste à un intérêt croissant pour le développement de catalyseurs durables, plus écologiques et moins dépendants des métaux précieux. Les nouveaux développements concernant les catalyseurs, leur rôle et leur impact sur l'environnement aboutiront à des progrès majeurs dans la réduction de l'empreinte carbone.  
• Recyclage des batteries au lithium-ion : le recyclage du lithium-ion a fait l'objet d'investissements croissants et plus de 800 brevets ont déjà été publiés à ce sujet en 2023. L'utilisation d'électrolytes solides ou d'électrolytes liquides ininflammables pourrait améliorer la sécurité et la durabilité des batteries au lithium-ion et réduire leur utilisation matérielle. Enfin, une méthode de fabrication d'électrodes sans solvant pourrait réduire l'utilisation de solvants dépréciés comme le N-méthylpyrrolidinone, qui nécessite un recyclage et une manipulation soigneuse pour éviter les émissions.

La montée des biomatériaux

De nouveaux matériaux destinés à des applications biomédicales pourraient révolutionner de nombreux domaines des soins de santé en 2024. C'est le cas par exemple des matériaux bioélectroniques, qui constituent des interfaces entre des appareils électroniques et le corps humain, tel que le système d'interface cerveau-machine actuellement développé par Neuralink. Ce système, qui utilise un réseau d'électrodes biocompatibles implantées directement dans le cerveau, a reçu l'homologation de la FDA pour le début des essais sur l'être humain en 2023.

• Les matériaux bioélectroniques sont souvent des hybrides ou des composites, intégrant des nanomatériaux, des polymères conducteurs de haute technologie et des substances biorésorbables. Les appareils développés récemment peuvent être implantés, utilisés temporairement, puis réabsorbés en toute sécurité par l'organisme sans avoir à être retirés. Cela a été démontré par un combiné de capteur-récepteur d'énergie sans fil composé de zinc et d'un polymère biodégradable, l'acide polylactique.
• Les biomatériaux naturels, biocompatibles et d'origine naturelle (comme le chisotan, les nanomatériaux cellulosiques et la soie) sont utilisés pour fabriquer des biomatériaux multifonctions avancés en 2023. Par exemple, on a conçu un implant cérébral en hydrogel pour traiter la maladie de Parkinson. Il utilise des liaisons croisées réversibles formées entre le chisotan, l'acide tannique et des nanoparticules d'or.
• Les encres biologiques sont utilisées pour l'impression en 3D d'organes et le développement d'implants de transplantation qui pourraient révolutionner le soin aux patients. Ces modèles sont actuellement utilisés pour étudier l'architecture des organes, à l'instar des modèles de cœurs imprimés en 3D pour les troubles cardiaques et des modèles de poumons imprimés en 3D pour tester l'efficacité des médicaments. Les encres biologiques spécialisées renforcent la qualité, l'efficacité et la polyvalence des organes imprimés en 3D, des structures et des résultats. Enfin, les nouvelles approches telles que la fabrication additive volumétrique (VAM) d'encres biologiques parfaites à base de soie déverrouillent les nouvelles frontières de l'innovation pour l'impression en 3D.

Jusqu'à la Lune et au-delà

Artemis est un programme d'exploration spatiale international dirigé par la NASA, dont le but est d'envoyer la première femme et la première personne de couleur sur la Lune d'ici à 2025 dans le cadre de l'objectif à long terme de l'établissement d'une présence humaine durable sur la Lune. En outre, la mission de la NASA nommée Europa Clipper, programmée pour un lancement en 2024, orbitera autour de Jupiter et passera à proximité d'Europe, l'une des lunes de Jupiter, afin d'étudier la présence d'eau et de découvrir si elle est habitable. La mission chinoise Chang'e 6 a pour but de rapporter des échantillons de sol lunaire sur terre à des fins d'études plus poussées. La mission d'exploration des satellites de Mars (MMX), planifiée par l'agence japonaise JAXA, vise à rapporter des échantillons de Phobos, l'une des lunes de Mars. Boeing devrait également procéder à un vol d'essai de sa capsule spatiale réutilisable Starliner, qui pourra emmener des personnes en basse orbite terrestre.

L'impact d'Artemis en termes de R&D s'étend toutefois à d'autres domaines que l'ingénierie aérospatiale :

• Robotique : les robots joueront un rôle crucial dans le programme Artemis en réalisant de nombreuses tâches, par exemple la collecte d'échantillons, la construction d'infrastructures et la réalisation de recherches scientifiques. Cela entraînera le développement de nouvelles technologies robotiques, notamment des systèmes autonomes et des manipulateurs agiles.
• Médecine spatiale : le programme Artemis nécessitera la mise au point de nouvelles technologies pour protéger les astronautes des risques encourus lors des voyages spatiaux, tels que l'exposition aux radiations et la microgravité. Cela comprendra des découvertes scientifiques dans les diagnostics médicaux, les traitements et les contre-mesures.
• Sciences de la Terre : le programme Artemis offrira une opportunité unique d'étudier la Lune et son environnement. Cela aboutira à de nouvelles perspectives sur l'histoire, la géologie et le climat de la Terre.
• Science des matériaux : l'environnement spatial extrême nécessitera de nouveaux matériaux légers, durables et résistants aux radiations. Cela entraînera des applications dans de nombreux secteurs, notamment l'aérospatiale, la construction et l'énergie.
• Technologies de l'information : le programme Artemis générera une énorme quantité de données qui devront être traitées, analysées et partagées en temps réel. Cela entraînera le développement de nouvelles technologies informatiques, parmi lesquelles l'informatique dans le cloud, l'intelligence artificielle et l'apprentissage machine.

La rentabilité du CRISPR

Après des années de recherche, d'échecs et de progrès minimes, la première preuve formelle de l'aptitude de CRISPR en tant que technologie de plateforme thérapeutique en clinique a été obtenue. Intellia Therapeutics a reçu l'autorisation de la FDA pour lancer un essai pivot de phase 3 sur un nouveau médicament pour le traitement de la polyneuropathie amyloïde héréditaire ou hATTR, et en utilisant le même médicament, l'ARNm Cas9, a produit un nouveau médicament capable de traiter une autre maladie, l'angio-œdème. Ce résultat a été obtenu en modifiant seulement 20 nucléotides de l'ARN guide, ce qui suggère que CRISPR peut être utilisé comme technologie de plateforme thérapeutique en clinique.

Le deuxième grand moment pour la technologie de développement de médicaments CRISPR s'est produit lorsque Vertex et CRISPR Therapeutics ont annoncé l'autorisation de la première thérapie génique CRISPR/Cas9, CASGEVY™, par l'agence MHRA du Royaume-Uni, pour le traitement de la drépanocytose et de la b-thalassémie dépendante des transfusions. Il s'agit de la première approbation d'un traitement à base de CRISPR à usage humain et d'un moment marquant dans la réalisation du potentiel de la technologie CRISPR pour améliorer la santé humaine.

Outre sa remarquable capacité de modification du génome, le système CRISPR-Cas a fait la preuve de son efficacité dans de nombreuses utilisations, notamment le diagnostic précoce du cancer. L'ingénierie du génome et du transcriptome basée sur CRISPR et les technologies CRISPR-Cas12a et CRISPR-Cas13a semblent posséder les caractéristiques nécessaires pour devenir de solides outils de détection dans le diagnostic et le traitement du cancer. Le système de biodétection basé sur CRISPR-Cas donne naissance à une nouvelle ère de diagnostics précis des cancers de stade précoce.

Les ingénieurs du MIT ont également conçu un nouveau nanocapteur encodé par des nanoparticules d'ADN pour identifier des biomarqueurs urinaires qui pourraient favoriser le diagnostic précoce du cancer à l'aide d'une simple analyse d'urine. Ces capteurs, capables de détecter des protéines cancéreuses, pourraient également distinguer le type de tumeur ou la manière dont elle répond au traitement.

Éradiquer le cancer

Le domaine de l'immuno-oncologie a connu une croissance considérable au cours des dernières années. Les produits approuvés tels que les cytokines, les vaccins, les anticorps monoclonaux ciblant les tumeurs et les bloqueurs de points de contrôle immunitaires continuent d'augmenter leur importance sur ce marché. De nouvelles thérapies telles que TAC01-HER2 sont actuellement en phase d'essais cliniques. Cette thérapie unique utilise les lymphocytes T autologues qui ont été génétiquement modifiés pour intégrer des récepteurs du coupleur d'antigène lymphocytaire (TAC) capables d'identifier la présence du récepteur 2 du facteur de croissance épidermique humain (HER2) sur les cellules tumorales pour les éliminer. Ce traitement pourrait être prometteur pour les tumeurs solides métastatiques positives au HER-2.

Une autre stratégie prometteuse vise à utiliser les cellules CAR-T contre les tumeurs solides en lien avec un vaccin qui dynamise la réponse immunitaire. Le renforcement immunitaire aide l'organisme à créer davantage de cellules T hôtes capables de cibler d'autres antigènes tumoraux que les cellules CAR-T ne peuvent pas tuer.

Une autre tendance notable concerne le développement de traitements personnalisés améliorés et efficaces. Par exemple, un vaccin personnalisé à néo-antigène d'ARN développé récemment, basé sur les nanoparticules ARNm-lipoplex uridines, s'est avéré efficace contre l'adénocarcinome canalaire pancréatique (PDAC). Les défis majeurs de l'immuno-oncologie sont la résistance aux traitements, le manque de biomarqueurs prévisibles et l'hétérogénéité des tumeurs. En conséquence, l'élaboration de nouvelles stratégies de traitement pourraient constituer un objectif pour la recherche future.

Décarboner l'énergie

De multiples efforts bien financés sont en cours pour décarboner la production d'énergie en remplaçant les sources d'énergie basées sur des combustibles fossiles par des sources qui ne génèrent pas (ou beaucoup moins) de CO2 en 2024.

L'un de ces efforts a pour but d'intégrer des dispositifs de stockage d'énergie à grande échelle au réseau électrique existant. Ils forment une partie importante de l'activation de l'utilisation de sources d'énergie renouvelable, car ils fournissent une offre et une demande d'électricité supplémentaires qui viennent compléter les sources renouvelables. Plusieurs types de stockage sur le réseau électrique, aux capacités variables en termes de quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker et de rapidité avec laquelle ils peuvent la décharger sur le réseau, sont en cours de développement. Certains sont physiques (volants d'inertie, énergie hydro-électrique par pompage et air comprimé) et d'autres sont chimiques (batteries traditionnelles, batteries à flux, supercondensateurs et hydrogène), mais toutes font l'objet de recherche et de développement actifs sur le plan de la chimie et des matériaux. Le gouvernement américain encourage le développement dans ce domaine grâce à des crédits d'impôt dans le cadre de la loi Inflation Reduction Act et d'un programme de 7 milliards de dollars visant à établir des centres régionaux de production d'hydrogène.

Dans le même temps, l'énergie nucléaire restera un domaine de R&D actif en 2024. Dans la fission nucléaire, de multiples entreprises développent des petits réacteurs modulaires (PRM) à utiliser dans la production d'électricité et la fabrication chimique, y compris de l'hydrogène. Le développement de réacteurs à fusion nucléaire implique la recherche fondamentale dans la physique et la science des matériaux. Un défi majeur consiste à trouver un matériau qui pourrait être utilisé pour la paroi du réacteur confrontée au plasma de fusion ; jusqu'à présent, les candidats matériaux comprenaient les alliages à haute entropie et même les métaux en fusion.

Maladies neurodégénératives

Les maladies neurodégénératives sont une préoccupation majeure pour la santé publique et l'une des principales causes de décès et d'invalidité dans le monde. Même s'il n'existe pas actuellement de traitement contre les maladies neurodégénératives, de nouvelles découvertes scientifiques et la compréhension de ces voies pourraient être la clé pour favoriser les résultats chez les patients.

• Maladie d'Alzheimer : deux agents immunothérapeutiques ont reçu l'approbation de la FDA pour réduire à la fois le déclin cognitif et fonctionnel chez les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer à un stade précoce. Aducannumab (Aduhelm®) a reçu une approbation accélérée en 2021 et est le premier nouveau traitement approuvé contre la maladie d'Alzheimer depuis 2003 et le premier traitement qui cible la physiopathologie de la maladie, en réduisant les plaques de bêta-amyloïdes dans le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer à un stade précoce. Lecanemab (Leqembi®) a reçu l'approbation traditionnelle en 2023 et est le premier médicament qui cible la physiopathologie de la maladie d'Alzheimer à présenter des bénéfices cliniques, réduisant le rythme de progression de la maladie et ralentissant le déclin cognitif et fonctionnel chez les adultes atteints de cette maladie à un stade précoce.
• Maladie de Parkinson : de nouvelles modalités de traitement en dehors des produits pharmaceutiques et de la stimulation cérébrale profonde font l'objet de recherches et ont été approuvées par la FDA pour le traitement des symptômes de la maladie de Parkinson. Le dispositif médical non invasif Exablate Neuro (approuvé par la FDA en 2021) utilise des ultrasons ciblés sur un côté du cerveau pour soulager les symptômes sévères tels que les tremblements, l'hypertonie et la dyskinésie. 2023 nous a apporté de grandes nouvelles dans le domaine de la recherche sur la maladie de Parkinson, avec la validation du biomarqueur alpha-synucléine. Les chercheurs ont mis au point un outil appelé essai d'amplification de l'ensemencement d'α-synucléine qui détecte la présence de ce biomarqueur dans le liquide cérébrospinal chez des personnes diagnostiquées avec la maladie de Parkinson et d'autres qui n'ont pas manifesté de symptômes cliniques.
• Sclérose latérale amyotrophique (SLA) : deux produits pharmaceutiques ont obtenu l'approbation de la FDA au cours des deux dernières années pour ralentir la progression de la maladie chez les personnes atteintes de SLA. Relyvrio® a été approuvé en 2022 et agit en prévenant ou en ralentissant davantage la mort des neurones chez les patients atteints de SLA. Tofersen (Qalsody®), un oligonucléotide antisens, a été approuvé en 2023 dans le cadre du parcours d'approbation accéléré. Tofersen cible l'ARN produit par les gènes superoxide dismutase 1 mutés (SOD1) pour éliminer la production de la protéine toxique SOD1. Des recherches génétiques récemment publiées au sujet de l'influence des mutations sur la SLA sont en cours ; elles sont réalisées par des chercheurs qui ont récemment découvert comment les mutations du gène NEK1 aboutissent à la SLA. Cette découverte suggère une approche thérapeutique rationnelle possible pour stabiliser les microtubules chez les patients atteints de SLA.