ICGex, une plateforme de génomique unique en France

Amber Anirah
22/11/2019
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Développer une plateforme de séquençage haut-débit et les infrastructures nécessaires pour mener de vastes projets de recherche à visée clinique était au cœur du projet EQUIPEX ICGex imaginé en 2010. Un projet stratégique qui devait permettre à la communauté scientifique et médicale d’accéder aux données issues du génome.
Manipulation NGS platform
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La plateforme de séquençage appelée Next Generation Sequencing ou NGS a connu un essor majeur depuis 2011 grâce à l’obtention d’un financement EQUIPEX "Investissements d’avenir" baptisé ICGex pour Institut Curie Génomique d’excellence et dirigé par Olivier Delattre, directeur de l’unité Inserm U830. Son objectif ? Promouvoir l’intégration de données génomiques dans des programmes de recherche à grande échelle sur le cancer, en vue d’applications médicales innovantes.

Concrètement, cette subvention a non seulement permis d’acheter des séquenceurs de dernière génération et d’équiper un laboratoire entier au sein de l’Etablissement hospitalier de l’Institut Curie mais également mettre en place les infrastructures permettant d’optimiser, fluidifier et sécuriser les échanges bidirectionnels de matériel biologique et d’information entre les chercheurs, les plateformes d’analyse et les praticiens.

Au final les chercheurs de l’Institut Curie ont pu très rapidement développer d’ambitieux programmes de recherche et ICGex permet aujourd’hui aux équipes de cliniciens et de chercheurs de disposer des toutes dernières techniques de séquençage.

 

Les trois grands axes du projet :
1. le développement du séquençage haut débit et de l’analyse bioinformatique
2. l’automatisation du Centre de Ressources Biologiques (CRB) et la gestion des aspects éthiques
3. le management des données incluant l’infrastructure informatique et l’intégration des données cliniques et biologiques

Les piliers du projet ICGex

Le séquençage haut-débit, un levier contre le cancer

8 ans après le démarrage du projet ICGex il est désormais établi que le séquençage haut débit est un outil essentiel de la lutte contre le cancer. En effet, pour combattre les cancers les plus résistants, il faut s’intéresser, non seulement à l’organe ou au tissu dans lequel il se développe, mais également aux types de mutations qui le caractérisent. Ainsi, les traitements les plus innovants, thérapies ciblées et immunothérapies principalement, reposent sur des altérations moléculaires, retrouvées chez un petit nombre de patients, parfois communes à des cancers de localisations variées. Les thérapies sont donc de plus en plus segmentées. Les données de génomique permettent d’orienter le traitement des patients mais également dans le cadre de la recherche de mieux comprendre les processus tumoraux et d’accélérer l’innovation thérapeutique. En huit ans le séquençage haut débit s’est imposé dans les pratiques et l’Institut Curie, par le biais de son EQUIPEX, a activement participé à cette montée en puissance.

ICGex : un fort impact institutionnel, national et international

Depuis l’acquisition des 1ers séquenceurs en 2011, la demande en séquençage n’a cessé de croitre. Au final le bilan au niveau institutionnel est un succès : au travers de très nombreux projets de recherche, de multiples collaborations sont nées, créant auprès des cliniciens et des chercheurs une culture approfondie du NGS. Au total, avec le soutien de Sergio Roman Roman, Directeur du département de recherche translationnel, ce sont 5 appels d’offres pour des projets de séquençage qui ont été lancés à l’Institut Curie entre 2012 et 2018, ce sont 89 projets qui ont été financés par ICGex pour un montant de 3,4 millions d’euros. Mais encore 143 publications (IF moyen de 33,09 pour les 10 premiers papiers) et 3 essais cliniques.

89 projets qui ont été financés par ICGex pour un montant de 3,4 millions d’euros

Exemple marquant, dès 2015, l’Institut Curie est pionnier dans le séquençage des données à grande échelle avec la publication dans le prestigieux journal The Lancet Oncology de l’essai clinique SHIVA, 1er essai au monde de phase II randomisé de médecine de précision, mené par Christophe Le Tourneau (Le Tourneau et al. Lancet Oncol. 2015).

Grâce à cet essai novateur des RCP moléculaires ont pu être ouvertes en routine clinique à l’Institut Curie dès 2014. Ces Réunions de Concertation Pluridisciplinaires aujourd’hui largement établies à l’hôpital ont pour objectif d’examiner le profil moléculaire de tumeurs de patients lorsque des métastases sont apparues, afin de leur proposer une thérapie ciblée adaptée.

Au niveau national, l’expertise développée par les équipes de l’Institut Curie a été déterminante pour la création de la plateforme nationale de séquençage SeqOIA dans le cadre du projet France médecine génomique 2025. De nombreux acteurs de l’EQUIPEX ICGex ont participé au développement de cette plateforme nationale.

Ainsi par exemple, le projet MAPPYACTS initié à la plateforme ICGex et porté par Birgit Georger (PI, Institut Gustave Roussy) et Gudrun Schleiermacher (co-PI, Institut Curie) sert actuellement de pilote pour la partie cancérologie du projet France Médecine Génomique. Ce projet visant à établir la caractérisation moléculaire de cancers pédiatriques en rechute a été présenté par Birgit Georger au congrès annuel de l’ASCO et par Gudrun Schleiermacher au congrès annuel de l’AACR 2019.

La plateforme ICGex : du « sur-mesure » pour les projets de recherche

La plateforme de séquençage ICGex pilotée par Sylvain Baulande est accessible aux chercheurs de l’Institut Curie mais également au-delà. Son point fort ? Depuis son démarrage elle s’adapte aux besoins des utilisateurs pour leur proposer des techniques les plus pertinentes pour répondre aux questions scientifiques qu’ils se posent. La plateforme se distingue au sein de la cancérologie française par la diversité des applications qu’elle propose et sa versatilité. Aujourd’hui, elle offre une expertise très large sur les applications usuelles utiles en recherche fondamentale et clinique tout en s’investissant dans le développement de nouvelles stratégies de séquençage "cutting edge" comme le séquençage de cellule unique ou encore l’analyse de longs fragments (voir encadré). Fort de son appartenance à des réseaux nationaux (France Génomique) et internationaux (Core4Life) d’excellence, la plateforme contribue aux développements technologiques de pointe au cœur des innovations génomiques de demain.

Parmi les 4 plateformes françaises équipées, en juillet 2019, d’un séquenceur Sequel System Pacific Biosciences pour le séquençage de longs fragments, ICGex était la seule à avoir une valence clinique alors que cette technologie pourrait à relativement court terme permettre de résoudre des problématiques de soin complexes, telles que l’analyse de réarrangements génomiques, de transcrits non conventionnels ou encore l’intégration de séquences virales au sein du génome.

Plateforme NGS : des applications diverses

  • Identification des variations génétiques (génomes, exomes et régions d’intérêt)
  • Etude du transcriptome sur populations ou en cellules uniques
  • Caractérisation de l’épigénome (méthylation et marques d’histones)
  • Séquençage de 3ème génération basé sur les longs fragments (long read sequencing)

Des équipements à la pointe

  • NovaSeq 6000, (séquenceur ultra haut débit d’Illumina)
  • Sequel System (PacBio) : séquenceur  de 3ème génération basé sur une technologie d’analyse de molécules uniques en temps réels qui ouvre de nouvelles applications : RNAseq pleine longueur, séquençage de génomes complets et ciblés [haplotypage, régions complexes, variations structurales…], identification de modifications de l’ADN [méthylation])
  • Chromium System (10xGenomics) : analyse génomique sur cellules uniques (RNAseq et variations génomiques en nombres de copies)
  • Séquenceurs Illumina petit et moyen débit : MiSeq x 2 (2013 et 2015), HiSeq2500 (2012), HiSeq2000 (2013-2018)

 

Facteur clef de succès : un duo d’experts sur le séquençage et les analyses bioinformatiques

Un des points forts du projet ICGex est d’avoir su créer un duo de choc pour prendre en charge les aspects de séquençage et d’analyses bioinformatiques. Ce binôme incarné respectivement par Sylvain Baulande et Virginie Bernard a joué un rôle crucial pour le développement des projets. Leur collaboration très étroite sur ces deux volets essentiels a constitué une force importante pour garantir efficacité et fluidité, de la conception des projets à l’analyse des résultats et aider à leur interprétation, avec un suivi personnalisé proposé aux biologistes et cliniciens.

Ce modèle a été repris en 2017 par l’Ensemble hospitalier de l’Institut Curie qui s’est doté d’équipements NGS de routine clinique. Virginie Bernard a alors rejoint cette nouvelle plateforme pour diriger l’équipe de bioinformatique hospitalière en lien avec Emmanuel Barillot, directeur de l’unité Inserm U900.

Gestion des données, un maitre mot : anticipation

Le séquençage haut débit génère une masse de données très importante. Anticiper cette difficulté dès le début du projet a permis la prise en compte de manière cohérente et simultanée de tous les besoins dont la rénovation des locaux, l’acquisition de serveurs de calculs plus denses, l’acquisition d’un entrepôt de stockage et le recrutement du personnel nécessaire à la mise en œuvre des projets.

Cette conception évolutive imaginée par Jean-Gabriel Dick et Philippe Rizand au début du projet a ensuite bénéficié d’une synergie entre plusieurs projets institutionnels. Finalement l’infrastructure informatique a pu être développée bien au-delà des objectifs et de la durée de l’EQUIPEX.

Vers une automatisation complète du CRB

Si la gestion des données en sortie de séquenceur peut s’avérer complexe dès lors que l’on travaille sur des projets d’envergure, la manipulation des échantillons en amont de la plateforme peut se révéler tout aussi problématique. Pour résoudre cette question et ne pas risquer une embolisation en amont de la plateforme de séquençage, le projet ICGex  tenait compte de ces contraintes dès sa création en 2011.

Le Centre de Ressources Biologiques de l’Institut Curie, piloté par Odette Mariani sous la direction de Xavier Sastre puis Anne Vincent Salomon, s’est ainsi doté d’équipements de stockage novateurs en 2013. Le stockage des spécimens peut désormais être effectué dans des unités automatisées robotisées réfrigérées à -80°c permettant un gain de place, une optimisation du rangement, un gain de temps et une meilleure qualité de stockage liée à l’absence de variation de température au sein de l’enceinte. Très prochainement ces unités seront reliées au système de gestion d’information (LIMS) du laboratoire, pour évoluer vers une automatisation complète du système de gestion des échantillons.

Des équipements pour automatiser le CRB

  • Une application pour le dépôt des demandes d’échantillons
  • Un robot pour l’extraction de l’ADN, l’ARN et des protéines
  • Un robot pour l’aliquotage des échantillons
  • Des unités de stockage à -80°C automatisées

 

L’interopérabilité des données cliniques et biologiques, un enjeu de société

Il est désormais clairement établi que le partage des données cliniques et biologiques sera la pierre angulaire des découvertes des décennies à venir. Cette question a été adressée dans le cadre du projet ICGex dès son dossier de candidature en 2011.

En 2012 Alain Livartowski, oncologue médicale, s’est emparé de cette question. Il a été rejoint en 2013 par Julien Guérin, chef de projet informatique. Ensemble, ils ont jeté les bases d'une offre de services innovante et évolutive permettant aujourd’hui une meilleure exploitation des données du système d’information institutionnel. Ces premiers travaux ont conduit l’Institut Curie à réfléchir à une nouvelle gouvernance pour ses données, c’est pourquoi une Direction des Données a vu le jour en 2016, pilotée par Xosé Fernandez et regroupant 12 personnes à l’automne 2019.

Leurs actions ont également eu une portée nationale, notamment via leur participation aux projets OSIRIS et ConSoRe (portés respectivement par l’INCa et UNICANCER ) et internationale via les projets européens BigMedilytics et PEVOdata.

En savoir plus sur OSIRIS et ConSoRe :

  • OSIRIS (GrOupe inter-SIRIC sur le paRtage et l’Intégration des donnéeS clinico-biologiques en cancérologie) est un projet regroupant les centres SIRIC (Site de Recherche Intégré en Cancérologie) labellisés par l’INCa. Alors que le partage des données est un enjeu majeur pour la recherche, notamment en vue du développement des nouveaux algorithmes d’intelligence artificielle qui réclament des volumes de données extrêmement importants pour leur apprentissage, ce projet a permis de définir un modèle de référence pour le partage des données en cancérologie. Basé sur une représentation temporelle de la maladie cancéreuse, ce modèle propose un set minimal d’items (environ 130) décrivant à la fois les aspects cliniques mais aussi biologiques.
  • ConSoRe est un moteur de recherche basé sur l’interprétation des comptes-rendus médicaux et de certaines sources de données structurées comme le PMSI ou les données de chimiothérapie permettant la constitution rapide de cohorte de patients.

Grâce à cet outil, déployé dans de nombreux Centres de Lutte Contre le Cancer (CLCC), les médecins ou chercheurs peuvent se connecter, faire une requête dans le cadre d’un projet de recherche en interrogeant des entrepôts fédérés au sein des différents centres et accéder plus rapidement aux données correspondantes. Ce sont parfois plusieurs semaines de travail qui sont gagnées, évitant la relecture manuelle d’un trop grand nombre de dossiers. En savoir plus sur ConSoRe.

Les objectifs :

  1. Structurer et intégrer des données hétérogènes
  2. Assurer la qualité et la traçabilité des données
  3. Explorer et analyser le patrimoine de données

Pas d’exploitation des données sans consentement du patient

Le séquençage du génome est une source importante de connaissances mais cette technologie pose des questions éthiques majeures : la fiabilité des analyses, la communication autour des informations recueillies et des résultats de la recherche (données incidentes, retour vers les apparentés, confidentialité des données générées, stockées et manipulées …).

Pour répondre à ces enjeux, un groupe de réflexion appelé ELSA (pour Ethical Legal Social Aspects) coordonné par Dominique Stoppa-Lyonnet a été créé à l’initiation du projet ICGex avec pour objectif d’étudier les questions éthiques, légales et sociales en lien avec ce type de recherches. Dans ce contexte, le groupe a participé à la mise en place d’un livret d'information à destination des patients pour l’obtention d’un consentement générique à la recherche et en particulier aux études génétiques. Ce livret d’information et cette demande de consentement ont récemment évolués, suite au nouveau règlement général européen sur la protection des données (RGPD). L’équipe ICGex a été fortement impliquée.