Quand la biologie rencontre les sciences de l'ingénieur

Des ingénieurs et des biologistes unissent leurs forces à l’Ecole Polytechnique pour lutter contre les maladies cardiovasculaires Abdul Barakat est Professeur au laboratoire d’hydrodynamique de l’Ecole Polytechnique (LadHyx) et porteur de la Chaire AXA sur l’Ingénierie Cellulaire Cardiovasculaire.

Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans le monde. Ce sujet est particulièrement important dans le monde occidental, et sa prévalence est en constante augmentation dans le monde entier. Abdul Barakat vient de lancer un programme de recherche à l’Ecole Polytechnique, avec un double but : aider à comprendre les mécanismes de base de ces maladies, et solliciter l’expertise d’ingénieurs, à la fois pour concevoir des solutions novatrices d’administration de médicaments et pour définir des stratégies curatives.

 Pourriez-vous nous donner un bref aperçu des maladies cardiovasculaires ?

 Les deux principales maladies cardiovasculaires sont les cardiopathies coronariennes et l’AVC (accident vasculaire cérébral). Au stade précoce, ces pathologies se caractérisent par le dysfonctionnement d’un certain type de cellule dans la paroi artérielle (endothélium).
Les cellules endothéliales sont à l’interface entre le flux sanguin et la paroi artérielle, et leur dysfonctionnement joue un rôle crucial dans la formation de l’athérosclérose (épaississement de la paroi artérielle et obstruction des artères par des plaques lipidiques). En Europe, 25 % des décès masculins et 27 % des décès féminins sont imputables à l’athérosclérose (rapport de la British Heart Foundation 2005), et le coût financier (soins de santé et coûts annexes) a été estimé à 200 milliards d’euros par an. Les coûts humains et financiers sont donc considérables. 

 Qu’entendez-vous par “ingénierie cellulaire” ?

L’ingénierie cellulaire est l’application des pratiques de l’ingénierie traditionnelle à la compréhension et manipulation des fonctions cellulaires. Dans l’étude des pathologies, telles que les affections cardiovasculaires, les ingénieurs apportent une vue quantitative.

Au cours des 25 dernières années, nous avons appris que les affections cardiovasculaires sont tributaires non seulement de facteurs tels que l’hérédité et le style de vie, mais aussi des forces mécaniques auxquels sont soumises les cellules endothéliales (pressions, frottements, étirements). L’expertise de l’ingénieur est indispensable à la compréhension de l’environnement mécanique du système artériel. En outre, les ingénieurs sont les meilleurs intervenants possibles pour étudier l’effet de ces stimuli mécaniques sur les cellules des parois artérielles. Autre domaine à bénéficier de la contribution des ingénieurs : la conception et la mise en place de dispositifs et solutions d’administration de médicaments pour le traitement de ces maladies. En conclusion, les ingénieurs peuvent proposer des approches hautement originales de la biologie et de la médecine.

Dans quelle mesure cette synergie avec l’ingénierie ouvre-t-elle de nouveaux horizons à la biologie cellulaire ?

Appliquer l’ingénierie à la biologie cellulaire, c’est permettre une analyse plus exacte et plus quantitative. Les outils modernes - en particulier en microtechnologie et en nanotechnologie - permettent d’appliquer aux cellules les mêmes pratiques d’ingénierie que celles utilisées traditionnellement dans l’aéronautique, l’industrie ou l’environnement par exemple. Cette perspective doit nous permettre de mieux maîtriser le fonctionnement cellulaire normal aussi bien que les dysfonctionnements dus aux maladies. 

L’ingénierie biologique permet également de découvrir de nouvelles stratégies thérapeutiques et contribuer ainsi à l’allongement de l’espérance de vie. L’un des objectifs de la chaire AXA-Ecole Polytechnique consiste à préparer une génération de jeunes ingénieurs suffisamment compétents en biologie pour poser des questions pertinentes en matière de physiologie et pour aborder ces questions de manière originale. Les plus grandes universités technologiques des États-Unis (telles que le MIT, Stanford et Berkeley) ont déjà investi massivement dans des programmes d’ingénierie biologique. Des investissements conséquents ont aussi été réalisés dans plusieurs pays européens dont le Royaume-Uni, la Suisse et les Pays-Bas.

En revanche, cette approche transdisciplinaire mariant biologie et ingénierie ne s’est pas développée aussi fortement en France, et notre initiative vise à changer cet état de fait. Nous pensons être au bon endroit pour faire avancer les choses dans la mesure où l’Ecole Polytechnique forme parmi les meilleurs ingénieurs en France – ceux-là mêmes qui deviendront les leaders du monde académique et du monde industriel. 

Avez-vous pour ambition de changer les mentalités ?

Oui, nous souhaitons faire évoluer les mentalités actuelles, qui limitent les interactions entre ingénieurs et biologistes. Nous devons convaincre que ces deux spécialités peuvent marcher main dans la main et tirer parti l’une de l’autre. La France bénéficie d’une expertise de première qualité en biologie et en ingénierie, mais au prix d’un cloisonnement historique entre ces deux disciplines. L’objectif de notre initiative est de mettre en place un programme de qualité internationale qui favorisera une collaboration très étroite entre plusieurs disciplines.

Pourrez-vous surmonter les différences entre modes de pensée ?

La chaire présente plusieurs facettes : en complément d’un solide programme de recherche fondamentale, nous allons installer une composante d’enseignement et de mentorat. Nous allons proposer un nouveau diplôme de Master et de nouvelles classes dont le cursus associera biologie et ingénierie. Nous devons former une nouvelle génération de jeunes ingénieurs, capables de proposer des solutions originales et quantitatives à la science cardiovasculaire. En outre, il est prévu que les étudiants diplômés et ayant bénéficié d’une formation en ingénierie et en biologie se rencontrent à intervalles réguliers pour débattre de leurs publications scientifiques et se familiariser avec leur vocabulaire respectif. Nous allons également proposer une série de séminaires (les AXA Distinguished Cellular Engineers seminar series) qui permettra à nos étudiants de se confronter aux travaux les plus avancés dans ce domaine. Autres activités de la chaire : un programme d’échange européen pour que nos étudiants aient un aperçu des travaux menés dans ce domaine au sein d’autres pays européens ; et des activités à destination du grand public pour sensibiliser les lycéens à l’ingénierie cellulaire et à ses exceptionnelles opportunités de carrière.

Abdul Barakat est Professeur au laboratoire d’hydrodynamique de l’Ecole Polytechnique (LadHyx) et porteur de la Chaire AXA sur l’Ingénierie Cellulaire Cardiovasculaire.

Légende n°1 :Cellules endothéliales vues au microscope. Le bleu correspond aux noyaux de la cellule, le vert et le rouge aux protéines structurelles du cytoplasme (composantes du cytosquelette). L’athérosclérose précoce se caractérise par des cellules endothéliales dysfonctionnelles.

Image 2 : Professeur Abdul Barakat et ses étudiants.

Image 3 : Le professeur Abdul Barakat durant la leçon inaugurale de la Chaire AXA-Ecole Polytechnique sur l’ingéniérie Cellulaire Cardiovasculaire, 14/06/2010.

Photo credit: Collection François Lacour