Le rôle transformateur des catalyseurs et de la catalyse

De la fabrication du pain à celle du papier, les humains exploitent à leur insu le pouvoir de la catalyse depuis des millénaires. En fait, pratiquement tous les produits de notre quotidien ont été élaborés par le processus de catalyse. Les catalyseurs sont des substances qui facilitent les réactions chimiques en réduisant la quantité d'énergie d'activation nécessaire à la réaction. Ils accélèrent la réaction sans être consommés ni altérés de manière permanente par le processus. Leurs propriétés uniques les ont rendus indispensables dans une multitude d'applications concrètes vitales, du carburant aux pesticides, en passant par le développement de médicaments qui sauvent des vies.

Par exemple, l'une des plus importantes réactions activées par des catalyseurs, le « procédé Haber-Bosch », produit de l'ammoniac pour les engrais et l'agriculture à l'échelle industrielle. L'utilisation de catalyseurs réduit considérablement le coût et accélère la production d'ammoniac. Aujourd'hui encore, le procédé Haber-Bosch reste la méthode de production d'ammoniac la plus couramment utilisée.

Un autre exemple concerne les convertisseurs catalytiques utilisés dans l'automobile, qui emploient le platine, le palladium ou le rhodium pour réduire de 90 % les émissions de composés toxiques comme les hydrocarbures, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote.

Le rôle de la catalyse dans la chimie durable

Même si le mot durabilité peut sembler relativement récent, les pratiques environnementales durables sont largement utilisées depuis la publication de l'ouvrage « Notre avenir à tous » par les Nations Unies en 1987. Ce rapport révolutionnaire cartographiait les principes directeurs du développement durable tel qu'il est généralement compris aujourd'hui, définissant le principe de « développement qui répond aux besoins présents sans compromettre la possibilité pour les générations futures de répondre à leurs propres besoins ». Cette définition résume l'importance de la mise en œuvre de la durabilité dans tous les produits manufacturés.

L'intérêt croissant pour la durabilité a donné naissance à un mouvement transformateur en faveur d'une chimie durable, ou chimie « verte », révolutionnant la manière de concevoir les produits et les procédés. Cette approche innovante vise à améliorer l'efficacité de l'utilisation des ressources naturelles dans la production chimique. Trois options cruciales sont étudiées pour atteindre cet objectif : minimiser la consommation d'énergie, adopter les produits chimiques écologiques et gérer efficacement le cycle de vie des matériaux. Grâce à ces méthodes, la chimie durable ouvre la voie à un avenir plus vert et plus économe en ressources.

Les catalyseurs jouent un rôle essentiel dans notre recherche de pratiques durables, offrant un outil précieux pour atteindre nos objectifs. Ils ont contribué à la création de plastiques biodégradables, réduisant notre utilisation de matériaux nocifs. En outre, les catalyseurs jouent un rôle crucial dans la production de carburants et d'engrais, optimisant l'efficacité et minimisant les déchets. L'exploitation du pouvoir de la catalyse permet de réaliser des progrès remarquables dans différents domaines, tout en adoptant la durabilité comme principe directeur.

Compte tenu de la demande croissante de catalyseurs, on assiste à une attente accrue en matière de produits écologiques, afin de relever les défis liés à la production d'énergies durables, réduire les émissions industrielles et combattre le changement climatique. En utilisant des données de CAS Collection de contenus™, nous examinerons les tendances actuelles de la recherche sur les catalyseurs durables, en mettant en évidence les progrès majeurs réalisés dans ce domaine.

Rendre les catalyseurs plus durables

Les métaux nobles tels que le platine, le palladium et l'iridium sont largement utilisés pour leurs propriétés catalytiques très recherchées, notamment leur forte stabilité et leur excellente tolérance thermique. Ils permettent aussi de faciliter un grand nombre de réactions chimiques, notamment le couplage de Sonogashira, le couplage de Suzuki-Miyaura et la réaction de Heck.

Toutefois, l'utilité des métaux nobles est limitée par leur coût élevé et leur disponibilité restreinte. Ces métaux précieux sont principalement extraits d'énormes quantités de minerais à faible teneur, de sorte que leur extraction, même en petite quantité, nécessite d'importants travaux miniers. Non seulement ce processus d'extraction exige une énergie considérable, mais il présente aussi un risque pour l'environnement. En conséquence, l'utilisation de métaux nobles dans les applications catalytiques doit être soigneusement évaluée par rapport à l'impact environnemental et à la durabilité de telles pratiques.

Les limites que présentent les coûts économiques et environnementaux des métaux lourds, ajoutés à la demande croissante de catalyseurs dans le monde entier, ont incité les chercheurs à étudier des options alternatives, notamment des métaux de transition non nobles tels que le titane, le fer, le cobalt et le nickel. Ces métaux présentent plusieurs avantages par rapport à leurs homologues nobles. Tout d'abord, ils sont plus abondants, ce qui garantit des réserves durables pour les applications catalytiques. En outre, les métaux de transition non nobles sont plus économiques et constituent par conséquent des choix plus viables sur le plan financier. Leur niveau de toxicité est également faible, ce qui réduit les risques, aussi bien lors de leur production que de leur utilisation. Il est important de noter que ces métaux ne sont pas nocifs pour l'environnement, ce qui minimise les impacts écologiques.

Même si les métaux non nobles représentent une alternative prometteuse, il faut reconnaître qu'ils présentent également certaines difficultés qui leur sont propres. Les métaux non nobles sont souvent plus réactifs que les métaux nobles ; cette réactivité peut provoquer une dégradation des catalyseurs (réduisant leur durabilité) et une activité catalytique moins sélective (entraînant la génération de sous-produits et de déchets et réduisant l'efficacité des procédés). De plus, la caractérisation des métaux non nobles peut être complexe et exigeante (tableau 1).

Toutefois, le développement de catalyseurs durables utilisant des métaux non nobles est de plus en plus répandu. Les informations provenant de CAS Collection de contenus révèlent une forte augmentation des publications concernant les catalyseurs/la catalyse à métaux non nobles entre 2012 et 2022 (figure 1).

Technologies et progrès de la catalyse

Au cours des dernières décennies, de nombreux catalyseurs spécialisés ont été élaborés pour des applications concrètes essentielles. Ces catalyseurs se divisent globalement en quatre sous-catégories : électrocatalyseurs, photocatalyseurs, catalyseurs homogènes et biocatalyseurs (ou enzymes).

Les données de CAS Collection de contenus indiquent que les publications liées aux électrocatalyseurs sont les plus nombreuses dans la chimie durable utilisant des catalyseurs à métaux non nobles (figures 2 et 3). Les électrocatalyseurs participent à des réactions électrochimiques soit en tant qu'électrodes, soit en tant que matériaux catalytiques appliqués à la surface des électrodes. Traditionnellement, le platine était largement utilisé dans l'électrocatalyse. Toutefois, sa disponibilité limitée et son coût élevé ont incité les chercheurs à explorer des alternatives. Un exemple notable concerne l'utilisation de graphène dopé par de l'azote et renforcé d'atomes de cobalt, qui s'est avéré constituer un catalyseur efficace et durable pour générer de l'hydrogène à partir de l'eau. De telles approches représentent une avancée majeure sur le chemin de catalyseurs moins coûteux pour la production d'énergie.

La photocatalyse est un procédé lors duquel des matériaux semi-conducteurs absorbent l'énergie de la lumière et produisent des paires électrons-trous qui déclenchent des réactions de réduction et d'oxydation. C'est important pour résoudre les problèmes énergétiques et écologiques dans des réactions telles que la décomposition de l'eau pour la production d'hydrogène et la décomposition des polluants, respectivement (figure 4). Toutefois, un défi majeur pour la recherche consiste à trouver des matériaux semi-conducteurs à base de métaux non nobles capables de décomposer l'eau en utilisant uniquement l'énergie solaire. Plusieurs stratégies sont à l'étude dans ce domaine, notamment l'utilisation de co-catalyseurs ou de la nano-intégration de multiples composants.

Les métaux nobles tels que le platine et le palladium sont également dominants dans la catalyse homogène, en raison de leur niveau élevé d'activité, de leur stabilité et de leur polyvalence. Toutefois, la recherche de substituts aux métaux nobles des catalyseurs homogènes présente un défi complexe et continu pour les chercheurs. L'une des réactions clés facilitées par ces catalyseurs est le couplage de Suzuki. Il est bien connu que certains rapports, dans lesquels les auteurs prétendaient démontrer un couplage de Suzuki sans palladium, ont été démentis par la suite lorsqu'il s'est avéré que ces catalyses étaient le résultat de faibles niveaux de contaminants au palladium. Toutefois, l'utilisation d'initiateurs de réaction radicalaire comme l'iode, l'éosine et l'iodure de tétrabutylammonium semble prometteuse dans ce domaine (figure 5).

Les biocatalyseurs, qui sont des catalyseurs à base d'enzymes, offrent un exemple remarquable de catalyseurs écologiques et durables. Produits à partir de matières premières renouvelables largement disponibles, ils sont biologiques, biodégradables, non toxiques et peuvent fonctionner dans des conditions de réaction douces. Une application majeure potentielle des biocatalyseurs concerne la production durable de biocarburants à partir d'huiles et de graisses végétales à l'aide de la transestérification des acides gras par le méthanol. La réaction produit du biodiesel (des esters méthyliques d'acide gras) et du glycérol comme sous-produit (figure 6). La combinaison des biocatalyseurs et des catalyseurs métalliques est également une approche émergente pour parvenir à une production durable de molécules précieuses.

Un catalyseur du changement

Dans le sillage de la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques (COP27) et de la Conférence des Nations Unies sur la biodiversité (COP15), on a assisté à une augmentation considérable des engagements des entreprises à adopter des pratiques plus durables. Dans la mesure où les catalyseurs restent indispensables dans l'industrie chimique, il existe un élan croissant en faveur de l'exploration de nouveaux concepts catalytiques aptes à renforcer l'efficacité et la durabilité de la fabrication de produits essentiels. Conscient de ce besoin, le Département américain de l'Énergie s'est engagé avec détermination à soutenir la recherche fondamentale sur les catalyseurs.

Les progrès considérables réalisés dans la recherche de catalyseurs durables au cours des dix dernières années signifient que la recherche de solutions écologiques est bien avancée. Même si tout le potentiel de ce marché n'est pas encore pleinement atteint, nous anticipons un avenir prometteur pour les catalyseurs à base de métaux non nobles dans de multiples domaines utilisant des substances organiques, inorganiques et d'origine biologique.

Pour plus d'informations sur l'avenir de la catalyse durable, nous vous invitons à lire notre récente publication dans ChemRxV.

 

L'exploration spatiale est l'une des démonstrations les plus remarquables du pouvoir de la chimie. Des toutes premières missions spatiales inhabitées à la fin des années 1950 au programme de la navette spatiale et, aujourd'hui, à la mission Artemis, les innovations dans le domaine des carburants pour fusées et des technologies de moteur continuent à faire progresser la portée, les capacités et la durabilité de l'exploration spatiale, démontrant en temps réel comment la chimie alimente ce domaine.

Un carburant optimisé pour les fusées est essentiel au succès de la mission

Les fusées font appel à différentes combinaisons de carburants et d'oxydants pour générer la puissance considérable nécessaire pour surmonter la gravité terrestre. Les oxydants et les carburants sont des éléments stables à température ambiante, mais lorsqu'ils sont mélangés et déclenchés par une source de chaleur, ils créent une réaction explosive qui fournit sa poussée à la fusée.

En ajustant le ratio du carburant par rapport à l'oxydant, les ingénieurs peuvent contrôler différents aspects de la performance des fusées. Chaque combinaison produit une série unique de caractéristiques, d'avantages et d'inconvénients, influant sur les mesures de performance telles que l'efficacité de la poussée, mais aussi sur d'autres aspects comme la toxicité, le coût et la sécurité. C'est pourquoi le choix de la meilleure option de carburant pour chaque voyage est une décision cruciale qui dépend de nombreuses variables liées à la mission de la fusée.

Les propergols gazeux, par exemple, ne conviennent pas à la plupart des fusées à longue portée en raison du volume considérable de carburant qui serait requis. En revanche, la compression et le refroidissement de ces substances en leurs phases liquides correspondantes offre un ratio volume-puissance optimal pour les utilisations dans les fusées de grande taille. Toutefois, certains carburants possèdent un point d'ébullition extrêmement bas et nécessitent un refroidissement cryogénique à des températures inférieures à - 150 °C (- 238 °F) pour se liquéfier. Cela peut constituer un inconvénient majeur pour l'utilisation de ces combustibles pour la propulsion des fusées, de sorte que pour justifier leur choix, les avantages doivent surpasser les coûts et les difficultés de cette exigence dans le cadre d'une mission spécifique.

Deux caractéristiques de performance importantes des carburants, que l'on a parfois tendance à confondre, sont la poussée et l'impulsion spécifique. La poussée mesure le potentiel de force de réaction du carburant ou le poids que la fusée sera en mesure de soulever. L'impulsion spécifique (Isp) définit l'efficacité d'un carburant pour convertir sa masse en poussée, en fonction du temps pendant lequel une certaine quantité de carburant peut propulser une charge. Les moteurs utilisant des carburants dont l'impulsion spécifique est élevée ont tendance à avoir une poussée moindre, mais à utiliser plus efficacement la masse de leur carburant. En bref, ils ont besoin d'un carburant offrant une plus longue autonomie.

Le tableau 1 compare les principales propriétés des combinaisons courantes de carburants pour fusées. Le moteur RS-25 utilisé par le système de lancement spatial (SLS) Artemis de la NASA utilise l'ensemble de carburants LOX/LH₂. Toutefois, les fusées en cours de développement par certaines organisations commerciales, y compris le lanceur Raptor de SpaceX et le BE-4 de Blue Origin, sont alimentées par l'ensemble méthane liquide/LOX.

Parmi les carburants des fusées modernes, le LOX/LH₂ est celui qui présente la valeur Isp la plus élevée. Cette efficacité et un historique de fiabilité sont les motifs principaux de l'utilisation fréquente de l'ensemble LOX/LH₂ en tant que combustible pour les fusées au cours des cinquante dernières années, bien que les deux atomes nécessitent un refroidissement cryogénique. De même, alors que d'autres combustibles libèrent de grandes quantités de produits chimiques polluants et de gaz à effet de serre après la combustion, le principal sous-produit généré par la combustion du LOX/LH₂ est l'eau, ce qui en fait un carburant plus durable.  

Ensembles de carburants : les propriétés du LOX et de différents carburants." data-entity-type="file" data-entity-uuid="428f0733-8e9d-437e-93c9-c99bdd862b30" src="/sites/default/files/inline-images/Table1_FINAL_rocket%20fuel.JPG" />

Remarque : *le RP-1 (combustible pour fusée-1) est une forme hautement raffinée de kérosène largement utilisée dans les moteurs de fusée à combustible liquide (par ex. le moteur de la fusée Saturn V).

Chimie de réaction radicale des fusées à LOX/LH₂

L'hydrogène et l'oxygène sont des éléments stables qui ne réagissent pas spontanément lorsqu'ils sont mélangés à température ambiante. Pour qu'une réaction se produise, les liaisons covalentes H-H et O=O doivent être brisées. Lorsqu'une quantité d'énergie suffisante pour surmonter l'énergie H-H et O=O est libérée, une réaction en chaîne se produit jusqu'à la formation d'eau. Cette réaction à la structure stable de l'eau libère de grandes quantités d'énergie pendant la combustion du H₂ avec l'O2.

. Principales réactions radicales impliquées dans la combustion du H2 dans l'O2. " data-entity-type="file" data-entity-uuid="81adfa68-6a83-458f-9726-e303361dd3cb" src="/sites/default/files/inline-images/Figure1_rocket_fuel_SS.JPG" />

Malgré la simplicité apparente de la réaction, la combustion du H₂ avec l'O2 est complexe et implique plusieurs réactions intermédiaires avec les radicaux du H et de l'O. Les principales réactions aboutissant à la formation d'eau sont répertoriées à la figure 1. Des ramifications de chaîne se produisent lorsqu'un radical génère deux radicaux ou plus (figure 1, réactions 3 et 4). Comme ces réactions produisent des radicaux plus réactifs que ceux qu'elles consomment, elles accélèrent, ce qui explique la nature explosive de la réaction.

Ces réactions radicales ne se produisent pas toujours dans l'ordre exact présenté à la figure 1, et d'autres radicaux non mentionnés ici peuvent se former via d'autres séries de réactions en chaîne. Le mélange de carburants, la pression et la température influencent également les mécanismes cinétiques de la combustion du H₂.

Faire progresser la conception des moteurs pour alimenter Artemis

Outre l'optimisation du carburant, la conception des moteurs de fusée est également critique pour maximiser la puissance des fusées modernes. La conception des moteurs de fusée actuels s'appuie sur plusieurs innovations de base développées dans le cadre du programme de fusées allemandes V-2 pendant la Seconde guerre mondiale. La disponibilité de nouveaux matériaux et d'autres innovations technologiques a permis aux ingénieurs de faire progresser ces conceptions afin d'augmenter la puissance, la durabilité, la fiabilité et l'efficacité nécessaires pour alimenter les missions spatiales modernes.

Conçu dans les années 1970 par Aerojet Rocketdyne, le moteur RS-25 a été initialement développé et utilisé pour les missions de la navette spatiale de la NASA. Cinq générations d'innovation plus tard, les RS-25 qui équipent la fusée SLS Artemis sont des moteurs cryogéniques de pointe qui intègrent des décennies de progrès technologiques et d'optimisations de conception, de sorte qu'ils figurent parmi les moteurs de fusée les plus efficaces et les plus puissants jamais produits.

Pour générer une poussée importante et régulière, les moteurs de fusée doivent être alimentés par un gros volume de combustible liquide à haute vitesse via une turbopompe. La première version de cette turbopompe (figure 2) a été mise au point par les ingénieurs qui ont créé la fusée V-2 dans les années 1940. Sa conception et ses performances étaient révolutionnaires, avec une turbine à vapeur qui tournait à 4 000 tours/minute pour entraîner des pompes centrifuges distribuant à la fois le carburant et l'oxydant. Plus de 60 ans plus tard, la turbopompe moderne est toujours l'un des composants les plus critiques et les plus complexes, responsables de la performance des moteurs de fusée modernes.

Évolution de la propulsion des fusées habitées aux États-Unis

Enginehistory.org. " data-entity-type="file" data-entity-uuid="eae9ddc9-afb9-4e24-86fc-f4360b919415" src="/sites/default/files/inline-images/Figure2_rocket_SS_0.JPG" />

 

Les moteurs RS-25 de la fusée Artemis utilisent l'ensemble de combustibles cryogéniques LOX/LH₂ pour son impulsion spécifique supérieure. Toutefois, une différence majeure entre les densités et les débits du LH₂ et du LOX empêche le RS-25 de fonctionner sur une seule turbopompe. La densité de l'hydrogène est extrêmement faible (71 g/l), ce qui signifie qu'il faut 2,7 fois plus de LH₂ pour correspondre proportionnellement à la quantité de LOX permettant une combustion efficace. Pour s'adapter à ces liquides cryogéniques très différents et à leurs propriétés physiques, le RS-25 utilise deux turbopompes distinctes.

Ces turbopompes modernes à haute pression sont des prouesses d'ingénierie. Leurs turbines contiennent des dizaines de lamelles de la taille d'une pièce de monnaie. Tournant à une vitesse comprise entre 28 000 et 35 000 tours/minute, chaque lame produit plus de puissance qu'un moteur de Corvette, permettant à ces turbopompes de générer des dizaines de milliers de chevaux/vapeur.

Les aspirations spatiales entraînent l'innovation entre les secteurs industriels

Les technologies des carburants et des moteurs de fusée sont des domaines d'innovation évidents entraînés par le programme spatial. Toutefois, l'orientation actuelle vers un retour des humains sur la Lune et, un jour, vers la découverte de Mars, sert aussi de catalyseur pour accélérer les nouvelles recherches dans un grand nombre de secteurs tels que la médecine, la science des matériaux, les communications, l'électronique et même l'agriculture. Bon nombre de ces innovations, outre leur utilisation lors des missions spatiales, aboutissent à des améliorations de produits dont nous bénéficions tous sur Terre.

Vous aimeriez découvrir d'autres nouvelles technologies en cours de développement pour la mission Artemis ? En savoir plus sur les innovations de la science alimentaire qui nourrira les astronautes à destination de la Lune et au-delà.

Optimiser le ROI de la numérisation : un défi pour les laboratoires pharmaceutiques

En moyenne, les laboratoires pharmaceutiques passent 10 à 15 ans à développer, valider et commercialiser un nouveau produit. Toutefois, la récente pandémie de COVID-19 et le développement efficace et rapide comme l'éclair de vaccins à ARNm ont mis l'accent sur le potentiel des outils numériques pour accélérer les procédés. Cet événement majeur a renforcé l'intérêt des laboratoires pharmaceutiques pour la transformation numérique et la mise en œuvre d'outils cognitifs dans leurs procédés. Toutefois, la numérisation peut être compliquée et difficile à réaliser.

Environ 55 % des laboratoires pharmaceutiques déclarent utiliser des technologies numériques dans une certaine mesure. Toutefois, un manque d'expertise de la gestion et de l'utilisation des outils numériques transforme souvent cette initiative intelligente en un investissement discutable. Alors qu'environ 70 % des programmes de numérisation échouent, les laboratoires pharmaceutiques doivent réévaluer les secteurs de la numérisation dans lesquels investir et optimiser leurs stratégies de déploiement pour déverrouiller des avantages concurrentiels et générer des produits pharmaceutiques révolutionnaires.

Forts d'une compréhension approfondie de la gestion robuste des connaissances, des outils cognitifs et de leurs interactions, les laboratoires pharmaceutiques pourront révolutionner leurs procédés à tous les niveaux et proposer de meilleurs soins de santé à l'échelle mondiale.

Numérisation et gestion des connaissances : faciliter l'accès aux données dans toute l'entreprise pour accélérer l'innovation

Les laboratoires pharmaceutiques génèrent des volumes considérables d'informations, depuis les informations sur les ingrédients, la formulation et les données des essais cliniques jusqu'aux rapports sur le temps de traitement, à la production et le contrôle qualité. Ces nouveaux documents s'accumulent rapidement lorsqu'on utilise des sources de données d'informations héritées existantes et des bases de données en silo, ce qui complique leur recherche et leur récupération. Ni structurés, ni harmonisés, les résultats d'expériences passés sont perdus dans le royaume des « dark data », dont on estime qu'il représente 55 % de l'ensemble des connaissances d'une organisation.

Faute d'un accès facile aux données historiques de l'ensemble des départements, les laboratoires pharmaceutiques sont susceptibles de répéter leurs erreurs passées ou d'enquêter sur des questions dont les réponses ont déjà été trouvées. Pour accélérer l'innovation et raccourcir nettement le délai de mise sur le marché, la numérisation est essentielle.

Les laboratoires pharmaceutiques transforment leurs documents historiques, tels que les journaux de laboratoire, les jeux de données et les rapports, en actifs exploitables sur une plateforme de gestion des connaissances connectée. Cela permet à tous les membres de l'organisation d'accéder aux informations au niveau des ingrédients, aux coordonnées des fournisseurs, aux directives réglementaires et à d'autres informations scientifiques et commerciales. Ces entreprises franchissent un pas supplémentaire en créant une interface utilisateur en ligne afin de connecter les équipes de différents services et régions.

Grâce à une numérisation réfléchie, les laboratoires pharmaceutiques seront en mesure de faciliter, de rationaliser et de développer encore plus la R&D, la fabrication et la commercialisation, tout en promouvant le travail interdisciplinaire et la collaboration internationale.

Rationaliser le développement de médicaments : accélérer l'innovation des traitements grâce à des outils cognitifs

L'ère de la numérisation transforme l'industrie pharmaceutique, offrant aux chercheurs des outils révolutionnaires pour réduire les délais de mise sur le marché et améliorer l'efficacité.

Le développement d'un vaccin contre la COVID-19 en moins d'un an a propulsé Pfizer au centre de la scène pharmaceutique. Même si l'efficacité des équipes de Pfizer est indiscutable, le temps de réponse sans précédent et l'avantage concurrentiel de ce laboratoire sont enracinés dans des pipelines bien établis mis en place bien avant la pandémie. Pionnier des stratégies numériques, Pfizer avait compris le potentiel révolutionnaire de la gestion des connaissances, des analyses de données et des initiatives d'IA dans le secteur pharmaceutique et les avait intégrés à ses opérations quotidiennes.

Forts de décennies d'expertise et de données de recherche disponibles, les géants de l'industrie pharmaceutique peuvent réduire rapidement les nouveaux candidats médicaments en sélectionnant les options les plus sûres. Par exemple, des algorithmes basés sur l'IA, combinés à des données cliniques antérieures, ont permis aux chercheurs de concevoir et de superviser des essais cliniques de grande ampleur avec des modèles prédictifs en temps réel sur l'incidence de la COVID-19. Repoussant les limites au-delà des portes du laboratoire, les stratégies de gestion des connaissances et les modèles d'IA ont permis de parvenir à la prédiction des stocks et à la surveillance de la chaîne d'approvisionnement en rationalisant le développement, la distribution et l'accessibilité des vaccins.

Des fondations de données robustes et des outils cognitifs déployés tout au long de sa chaîne d'approvisionnement ont permis à Prizer de prendre une longueur d'avance dès le départ dans la course aux vaccins contre la COVID-19. De la sélection initiale des candidats médicaments à la surveillance du traitement, le pouvoir des outils cognitifs dans l'accélération du développement des médicaments a été prouvé. Toutefois, les prédictions de l'IA n'atteignent pleinement leur potentiel que si elles sont correctement établies à partir de jeux de données propres, organisés et protégés. Pour lancer ou optimiser l'IA dans les flux de travail de la R&D dans le secteur pharmaceutique, il faut d'abord évaluer la qualité de vos données et de votre infrastructure de gestion des connaissances.

Numérisation et sécurité des données : Protection des informations exclusives, de la confidentialité des patients et de l'intégrité des recherches

Au cours de longues phases de recherche de médicaments et d'essais cliniques, l'industrie pharmaceutique a accès à des procédés de fabrication essentiels et à des informations sur la santé des patients. Ces données sont précieuses pour les concurrents et les individus malveillants. Compte tenu de la croissance des cyberattaques (près d'une toutes les 39 secondes) et des usurpations d'identité dans le monde médical (35 % en 2019), la mise en place de stratégies de sécurité robustes dans l'industrie pharmaceutique est devenue cruciale.

Des rapports définissent les laboratoires pharmaceutiques comme des cibles de choix pour les cybercriminels et 53 % des violations de la confidentialité résultent d'activités malveillantes. Les informations confidentielles sont réparties dans différents services, sur différentes plateformes et dans différents logiciels : dans ces conditions, il est difficile aux laboratoires de garantir la protection des données et un environnement sécurisé. La mise en place d'une interface de gestion des connaissances à l'échelle de l'entreprise peut assurer un contrôle d'accès strict des utilisateurs tout en éliminant les violations de données. Des plateformes collaboratives dans le cloud, disposant de canaux sécurisés sur lesquels chercheurs et cliniciens peuvent partager en toute sécurité des informations sensibles et éviter les risques de corruption des appareils, deviennent plus courantes dans l'industrie pharmaceutique. Toutefois, la transition des solutions héritées sous forme de silos dans les locaux vers des plateformes dans le cloud ou des versions hybrides personnalisées est complexe et lente à effectuer. Pour rationaliser la transition vers des écosystèmes de gestion des connaissances mis à jour tout en protégeant les données, les laboratoires pharmaceutiques devraient se tourner vers des partenaires de la transformation numérique possédant une bonne connaissance de leur domaine.

La transformation numérique dans le secteur pharmaceutique

La numérisation pourrait transformer radicalement l'industrie pharmaceutique, permettant une meilleure gestion des connaissances, une innovation accélérée et une sécurité renforcée des données, tout en réduisant les délais de mise sur le marché des médicaments. Toutefois, une stratégie de transformation numérique mal conçue peut aboutir à un gaspillage des ressources et à un risque accru.

Alors que la transformation numérique continue à évoluer dans le secteur pharmaceutique, les technologies numériques et les outils cognitifs trouvent leur place dans tous les aspects de l'industrie, permettant un développement plus rapide de médicaments et des options de traitement étendues à un nombre croissant de pathologies. La transformation numérique s'efforce d'apporter des solutions de santé innovantes de manière durable, responsable et accessible.

Pour en savoir plus sur la transformation numérique et la gestion des données, consultez nos études de cas avec CAS Services personnalisés^SM.

Alors que les consommateurs modifient leur régime alimentaire pour des raisons personnelles et de santé et qu'on assiste à une poussée sociétale en faveur de pratiques alimentaires plus durables, les viandes végétales connaissent un essor de popularité depuis quelques années. Les innovations dans ce secteur continuent à améliorer la qualité des alternatives à la viande et à produire plus d'options que jamais, ce qui produit un marché diversifié et concurrentiel.

Dans la mesure où la durabilité des viandes d'origine végétale est l'un des pilotes majeurs de l'intérêt du public pour ces produits, les consommateurs recherchent des alternatives qu'ils pourraient utiliser pour réduire leur consommation de viande et leur impact environnemental sans renoncer à consommer leurs aliments favoris. Comment les fabricants peuvent-ils proposer un produit durable de qualité répondant aux attentes élevées de leurs consommateurs en termes de saveur et de texture ?

Quelle est la durabilité des alternatives d'origine végétale ?

Les impacts négatifs de l'industrie de l'élevage sur l'environnement sont documentés et compris depuis longtemps. Les émissions causées par le bétail et par l'industrie elle-même représentent environ 15 % de la totalité des gaz à effet de serre dans le monde. On prévoit une augmentation de 9 % de ces émissions d'ici à 2031, de sorte que les solutions permettant de réduire la demande de viande sont plus essentielles que jamais.

Les innovations concernant les viandes d'origine végétale constituent l'une de ces solutions. En ce qui concerne les émissions de carbone à elles seules, elles sont jusqu'à 120 fois plus sobres en carbone que les produits à base de viande. Une étude récente réalisée en 2021 indique que les boulettes de viande d'origine végétale produisent un effet 77 % moindre sur le changement climatique que les boulettes de viande, grâce à une réduction de l'utilisation de terres et d'eau, de l'eutrophisation et de l'acidification.

La principale critique envers la durabilité des viandes d'origine végétale souligne que les produits alternatifs à la viande pourraient ne pas être aussi durable qu'une alimentation composée d'aliments complets strictement végétaux. Même si l'on peut comprendre ce débat, les alternatives à la viande offrent aux amateurs de viande un changement de comportement plus réalisable que le passage à une alimentation strictement végétarienne et leur permettent d'effectuer plus facilement la transition vers une solution durable.

Faire le changement

Malgré les nombreuses préoccupations au sujet de la crise climatique et la compréhension de l'impact environnemental de l'élevage, de nombreux consommateurs ont encore des difficultés à éliminer la viande de leur alimentation. Bien souvent, le désir d'adopter un mode de vie plus durable ne suffit pas pour déclencher le changement de comportement consistant à consommer moins, voire plus du tout, de viande. Les substituts de viande d'origine végétale offrent le moyen le plus facile de franchir ce pas.

En développant des produits végétaux dont la saveur et la texture sont similaires à celles des produits animaux, les innovateurs peuvent offrir aux consommateurs l'occasion de profiter du meilleur des deux mondes. Les fabricants doivent impérativement cibler ce public flexitarien, car les substituts à la viande sont très recherchés par les consommateurs qui ne souhaitent pas passer directement à un régime végétarien. Une enquête de l'université de Bath a révélé que 90 % des consommateurs de viandes et de laitages d'origine végétale incluent toujours la viande dans leur alimentation.

Les consommateurs apprécient l'idée selon laquelle ils pourraient améliorer leur durabilité en remplaçant certains de leurs aliments à base de viande par des alternatives d'origine végétale. Mais est-ce vraiment le cas ? Les recherches ont prouvé que oui. Bien qu'ils soient limités et réalisables, ces changements peuvent avoir un impact considérable sur l'environnement. Une étude a révélé que le remplacement de 5 % seulement de la consommation de viande en Allemagne par des protéines de pois pouvait réduire les émissions de gaz à effet de serre de 8 millions de tonnes par an.

Ainsi, les fabricants ouvrent vraiment la voie vers un avenir plus vert, plus accessible pour la plupart des consommateurs. En continuant à innover et à améliorer la durabilité de leurs produits, les fabricants pourraient aider les consommateurs à atteindre leurs objectifs en termes d'environnement et continuer à encourager l'investissement dans la durabilité des viandes d'origine végétale.

Choisir une protéine végétale

Le choix des protéines végétales est au cœur du développement de tout nouveau produit de substitution à la viande. Les sources de protéines peuvent affecter la saveur et la texture du produit, sa valeur nutritionnelle et sa durabilité, trois domaines dans lesquels les fabricants se doivent de séduire leurs consommateurs. Compte tenu de la croissance considérable de la demande des consommateurs, la valeur du marché des protéines végétales devrait atteindre 162 milliards de dollars d'ici à 2030. Cette industrie de grande ampleur se compose aujourd'hui de toute une série de sources parmi lesquelles les innovateurs peuvent choisir, certaines plus établies que d'autres, les sources actuelles et futures comprenant :

Déjà établis	Soja Froment Pois
Prometteurs (pour lesquels on prévoit une base de consommateurs établie dans 1 à 3 ans)	Maïs Riz Pois chiche
En développement (pour lesquels on prévoit une base de consommateurs établie dans 3 à 5 ans)	Champignons Colza
Options futures (pour lesquelles on prévoit une base de consommateurs établie dans plus de 5 ans)	Algues Alternatives cellulaires

Le soja, le froment et les protéines de pois sont des sources de protéines qui présentent certains avantages : ils sont économiques, largement disponibles et possèdent une valeur nutritionnelle élevée, c'est pourquoi ils furent les premiers adoptés dans cette industrie. En s'appuyant sur ces avantages, la nouvelle vague de sources de protéines, parmi lesquelles le maïs, le riz, les pois chiches, les champignons et le colza, offre des fonctionnalités accrues pour le développement de produits. Ainsi, les développeurs bénéficient d'un meilleur contrôle pour créer des produits possédant la saveur et la texture qu'attendent les consommateurs.

Si l'on regarde encore plus loin, les options futures, telles que les algues et les alternatives cellulaires pourraient devenir les sources de protéines les plus durables. Même si les consommateurs doivent encore modifier leur comportement vis-à-vis de ces protéines, celles-ci sont hautement renouvelables et leur impact sur l'environnement est minime, ce qui pourrait permettre de créer des viandes d'origine végétale extrêmement durables.

L'avenir de la durabilité des viandes d'origine végétale

Les alternatives végétales à la viande ont un rôle considérable à jouer dans l'avenir de la durabilité alimentaire. Pour permettre aux carnivores de réduire leur consommation de produits d'origine animale sans avoir à transformer leurs habitudes alimentaires, des alternatives à la viande peuvent inciter bien plus de personnes à réduire leur consommation de viande tout en ayant un impact considérable sur l'environnement.

Cette transformation de l'environnement repose sur le développement par les entreprises de produits attrayants qui reproduisent de la manière la plus fidèle possible la saveur, la texture et l'aspect de la viande.Tandis que la recherche progresse avec des sources de protéines végétales plus durables, la viande d'origine végétale devrait continuer à gagner en popularité. Pour en savoir plus sur l'agriculture durable et sur les nouvelles approches dans le secteur des engrais qui permettront de réduire les émissions de carbone, lisez notre article récent consacré à l'agriculture durable.

La chimie verte commence par des catalyseurs verts, mais quelles sont les dernières nouveautés dans ce domaine émergent ? Les catalyseurs sont indispensables dans de nombreux secteurs, disciplines et laboratoires de R&D, et notre dernière synthèse identifie les nouvelles opportunités, les défis et les innovations. Dans de multiples domaines, de l'énergie à l'agriculture, en passant par les produits pharmaceutiques et plus encore, il pourrait s'agir d'un composant essentiel pour améliorer les indicateurs de durabilité.

La charge mondiale croissante du cancer

La charge du cancer et de la mortalité associée augmente rapidement dans le monde entier, sous l'effet du vieillissement de la population et des changements en termes de prévalence et de répartition des principaux facteurs de risque du cancer. On prévoit que 28,4 millions de cas de cancer seront diagnostiqués en 2040, soit une hausse de 47 % par rapport à 2020.

Le cancer du sein chez la femme dépasse maintenant le cancer du poumon en termes de nombre de cancers diagnostiqués, et on estime que 2,3 millions de nouveaux cas seront détectés en 2020 (11,7 %), suivi par les cancers du poumon (11,4 %), colorectal (10 %), de la prostate (7,3 %) et de l'estomac (5,6 %). Les immunothérapies, telles que les inhibiteurs des points de contrôle, constituent un progrès essentiel dans le traitement du cancer. Malgré cette avancée, l'immunothérapie n'est pas une panacée contre tous les cancers. Tous les types de tumeur ne réagissent pas aux agents immunothérapeutiques et les mécanismes de résistance peuvent aboutir à une évasion immunitaire et à une croissance de la tumeur.

Même si aucun vaccin à ARNm contre le cancer n'est actuellement approuvé par la Food and Drug Administration aux États-Unis, la désignation de thérapie révolutionnaire a été accordée à un vaccin expérimental, le mRNA-4157-P201 (Moderna) combiné à l'inhibiteur de point de contrôle pembrolizumab (Merck) comme traitement adjuvant contre le mélanome à haut risque à la suite d'une résection complète. Depuis le succès des vaccins à ARNm contre la COVID-19, les chercheurs sont convaincus que la technologie des vaccins à ARNm peut être exploitée pour traiter les cellules cancéreuses. Cela dit, pourrions-nous être proches d'une intégration des traitements à ARNm dans le paysage des traitements contre le cancer ?

La boucle est bouclée : vaccins à ARNm et cancer

Beaucoup de gens pensent que les vaccins à ARNm contre la COVID-19 ont été développés du jour au lendemain. Toutefois, la conception, la fabrication et les tests rapides de ces vaccins n'auraient pas été possibles sans des années de recherche qui avaient permis de jeter les bases des vaccins contre la grippe, le cytomégalovirus et le Zika.

En 1995, une recherche déterminante a démontré qu'une injection intramusculaire d'antigènes carcinoembryonnaires codant l'ARN nu pouvait provoquer des réactions des anticorps spécifiques aux antigènes chez la souris. L'année suivante, une étude distincte a démontré que l'injection de cellules dendritiques transfectées avec ARNm chez des souris porteuses de tumeur induisaient des réponses des lymphocytes T et inhibaient la croissance de ces tumeurs. Ces travaux ont ouvert la voie à de nombreuses études au sujet de la faisabilité, de l'efficacité et de l'innocuité des technologies à base d'ARNm. Toutefois, jusqu'à une époque récente, l'immunogénicité innée et une administration in vivo inefficace limitaient les vaccins et les applications thérapeutiques de l'ARNm. Les chercheurs se heurtaient à un obstacle majeur : comment administrer l'ARNm à l'endroit voulu ? Une séquence d'ARNm injectée dans l'organisme sans aucune forme de protection aurait été considérée comme une substance étrangère et détruite.

Le développement rapide des vaccins à ARNm pour traiter le nouveau coronavirus, ou SARS-CoV-2, a contribué à faire passer l'utilisation des vaccins à ARNm du laboratoire au patient. Par exemple, les vaccins Pfizer-BioNTech et Moderna ont démonté l'efficacité de l'utilisation de nanoparticules lipidiques (NPL) pour administrer l'ARNm dans les cellules ciblées. Fin 2019, stimulé par l'épidémie de SARS-CoV-2, le volume de la littérature publiée et des demandes de brevet liées à des traitements par ARNm a rapidement augmenté dans le monde entier. Après 2020, le nombre d'articles publiés a rapidement augmenté, atteignant 3 361 articles en 2021 et près de 5 000 en 2022. Le nombre de demandes de brevet a poursuivi sa trajectoire ascendante après 2020, atteignant 382 en 2021 ; il est estimé à 522 en 2022 (figure 1).

Le succès des vaccins à ARNm contre la COVID-19 a révélé le potentiel de la plateforme ARNm non seulement contre d'autres maladies infectieuses, mais aussi contre les cancers. Dans la mesure où les informations révélées par les études sur les virus pourraient influer sur les travaux sur les vaccins contre le cancer, il semble que la boucle soit bouclée.

Recrutement du système immunitaire — comment fonctionnent les vaccins à ARNm contre le cancer

Les applications des vaccins à ARNm contre le cancer sont nombreuses, et les chercheurs étudient plusieurs stratégies d'immunothérapie contre le cancer :

• Présentation d'antigènes : les vaccins à ARNm envoient des antigènes contre le cancer vers des cellules présentatrices d'antigènes (CPA) pour la présentation des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe I et II.
• Fonction adjuvante : l'ARNm stimule l'activation immunitaire en se liant à des récepteurs de reconnaissance de motifs exprimés par les CPA.
• Récepteurs antigéniques : l'ARNm introduit dans les lymphocytes des récepteurs antigéniques comme les récepteurs d'antigène chimérique (RAC) et les récepteurs des lymphocytes T.
• Production de protéines : l'ARNm permet l'expression de protéines immunomodulatrices, y compris des récepteurs de type toll, les récepteurs de chimiokines, les ligands de costimulation, les cytokines, les chimiokines et différents formats d'anticorps monoclonaux dans divers sous-ensembles de cellules.

Les traitements anticancéreux à ARNm sont-ils à notre portée ?

Des laboratoires tels que Genentech, CureVac et Moderna développent actuellement des vaccins à ARNm avec codage des néo-épitopes aptes à susciter des réponses immunitaires contre des tumeurs ciblées. Des dizaines d'essais cliniques sont en cours pour tester des vaccins à ARNm soit en tant que monothérapies, soit dans le cadre d'un traitement combiné chez des personnes atteintes de différents types de cancer, notamment le cancer du pancréas, le cancer colorectal et le mélanome. Plusieurs candidats-vaccins en cours d'essai de phase 2 démontrent une efficacité favorable contre le mélanome, le cancer du poumon non à petites cellules et le cancer de la prostate (tableau 1).

Tableau 1. Vaccins à ARNm dans les essais cliniques contre le cancer (phase 2 et au-delà)

Vaccin	CAS Numéro de Registre®	Indication thérapeutique	Antigène	Laboratoire
Cevumeran autogène	2365453-34-3	Mélanome ; cancer colorectal	Néo-antigènes spécifiques au patient	BioNTech
ARNm 4157	2741858-84-2	Mélanome	Jusqu'à 34 néo-antigènes	Moderna
BNT 113	2882951-85-9	Carcinome épidermoïde de la tête et du cou PV16+	Antigènes tumoraux dérivés de l'HPV16 (oncoprotéines E6 et E7)	BioNTech
CV 9202	1665299-76-2	Cancer du poumon non à petites cellules	NY-ESO-1, MAGE C1, MAGE C2, TPBG (5T4), survivin, MUC1	CureVac
CV 9103	2882951-83-7	Cancer de la prostate	Mélange de quatre antigènes associés au cancer de la prostate	CureVac
SW 1115C3	2882951-82-6	Cancer du poumon non à petites cellules ; cancer de l'œsophage	Néo-antigènes spécifiques au patient	Stemirna Therapeutics
BNT 111	2755828-88-5	Mélanome	Mélange de quatre antigènes associés au mélanome	BioNTech

Alors que les vaccins à ARNm contre le cancer suscitent de plus en plus d'intérêt parmi les chercheurs, l'essentiel de la recherche en oncologie s'est historiquement concentré sur les traitements à ARNm, avec une grande diversité de candidats-traitements qui sont entrés en phase de développement clinique (tableau 2), notamment :

• TriMix-MEL (eTheRNA Immunotherapies), mélange de trois ARNm qui activent des cellules immunitaires essentielles contre le cancer.
• Un traitement à ARNm (BioNTech) codant un anticorps monoclonal qui cible la claudine 18, une protéine exprimée dans de multiples cancers.
• Un ARNm encapsulé dans des NPL (MedImmune LLC) administré par injection intratumorale, visant à favoriser la production locale d'interleukine-12 (IL-12) et à induire une immunité anti-tumorale.

Tableau 2. Produits thérapeutiques à ARNm en cours d'essai clinique contre le cancer

Nom du médicament à ARNm	CAS Numéro de registre	Indication thérapeutique	Laboratoire
TriMix-MEL ; ECL-006 ; E011-MEL	2877674-59-2	Mélanome	eTheRNA Immunotherapies
BioNTech-1 ; BNT 141 ; BNT-141 ; BNT141	2877707-22-5	Tumeurs solides	BioNTech
BNT-142 ; BNT142	2877707-34-9	Tumeurs solides	BioNTech
BNT-151 ; BNT151	2877709-82-3	Tumeurs solides	BioNTech
BNT 152 ; BNT152	2877709-92-5	Tumeurs solides	BioNTech
BNT 153 ; BNT153	2877709-93-6	Tumeurs solides	BioNTech
MEDI1191 ; MEDI-1191	2877712-03-1	Tumeurs solides	Moderna
mRNA-2752	2878461-50-6	Tumeurs solides	Moderna
SAR-441000	2879301-17-2	Tumeurs solides	Sanofi,  BioNTech
SQZ-eAPC-HPV	2879306-51-9	VPH et tumeurs solides	SQZ Biotechnologies

Transformer les vaccins à ARNm contre le cancer en réalité

Nous avons réalisé de gros progrès dans la technologie d'ARNm contre le cancer au cours des dernières années, mais certains obstacles fondamentaux subsistent. Tout d'abord, les vaccins à ARNm contre le cancer ont besoin de systèmes spécifiques de conditionnement et d'administration avec une affinité appropriée pour le tissu/l'organe ciblé. Les chercheurs évaluent actuellement des approches visant à faciliter cela, y compris l'association de fractions ciblant les organes et d'oligonucléotides. Même si les NPL sont les véhicules les plus étudiés pour administrer l'ARNm, leur application clinique a été entravée par des problèmes de cytotoxicité et par leur temps de circulation relativement court. En conséquence, d'autres systèmes d'administration intelligente (par ex. les exosomes) sont en cours d'évaluation pour améliorer la biodisponibilité, le chargement et la libération de la charge d'ARNm.

L'administration efficace de la charge d'ARNm ne suffit pas. Pour garantir une efficacité maximale, les chercheurs étudient des approches visant à renforcer l'expression des protéines in vivo. Toutes les parties de l'ARNm - le cap, les régions 5' et 3', le cadre de lecture ouvert et la queue polyadénylée - peuvent être optimisées pour augmenter l'expression des protéines. Des nucléosides chimiquement modifiés semblent prometteurs dans ce domaine.

Outre la quantité d'expression des protéines, un défi majeur des vaccins à ARNm concerne la période relativement courte de la production de protéines, qui nécessite des administrations répétées. On étudie des ARNm auto-amplificateurs et circulaires en tant que stratégies pour prolonger la durée de vie de l'ARN et augmenter la production totale de protéines.

Même s'il reste beaucoup à faire, les vaccins à ARNm constituent une option clinique polyvalente pour traiter différents types de cancer lorsqu'ils sont utilisés seuls ou en association avec des options thérapeutiques existantes, comme les inhibiteurs des points de contrôle. Alors que nous anticipons la mise sur le marché des premiers traitements à ARNm, il sera intéressant d'explorer les résultats des nombreuses stratégies innovantes visant à lutter contre la charge mondiale du cancer.

Pour en savoir plus sur les vaccins et les traitements à ARNm, lisez notre article révisé par les pairs publié dans ACS Pharmacology and Translational Science.

 

 

En collaboration avec l'université de Westlake à Hangzhou en Chine, ce rapport CAS Insights présente le paysage émergent des hydrogels, des antimicrobiens, des nanoparticules lipidiques, des exosomes et plus encore, qui redéfinissent l'avenir des biomatériaux interagissant avec les systèmes biologiques. Ce rapport identifie de nouvelles opportunités, des tendances émergentes et les défis majeurs qui attendent les nombreuses industries et disciplines concernées par les biomatériaux. Pour en savoir plus, lisez notre rapport détaillé ci-dessous.