De la paillasse au chevet : Transformer les laboratoires de R&D grâce à l'automatisation

May 15, 2023

Depuis des siècles, les scientifiques ont peiné dans les laboratoires tout en étant entourés d'un ensemble d'instruments en constante évolution. Dans les années 1990, l'introduction d'appareils d'automatisation de paillasse a conduit à une explosion de productivité et de découverte, renforcée par la mise en réseau informatisée rendue possible dans les années 2000 et 2010. Pour la plupart des sociétés pharmaceutiques, c'est là que se trouve aujourd'hui le laboratoire de R&D, étonnamment équipé de centrifugeuses et de stations de manipulation de liquides qui ont contribué à des découvertes vitales pour l'avancement de la santé. Mais la plupart des laboratoires restent à court d'automatisation, de miniaturisation et d'intégration avancées qui peuvent permettre aux scientifiques d'atteindre les limites de ce qui est possible.

Les dirigeants de l'industrie pharmaceutique se demandent peut-être : « Où vont tous ces dollars consacrés à la recherche ? » Les fortes augmentations des dépenses de R&D n'ont assuré que des gains moyens : aux États-Unis, les dépenses de R&D ont doublé pour atteindre 80 milliards de dollars en 2019, contre 40 milliards de dollars en 2001, mais le nombre de nouveaux médicaments développés au cours de la même période n'a augmenté que de manière marginale (figure 1).

Paradoxalement, une part importante de l'augmentation des budgets de R&D a été absorbée par la hausse des coûts de main-d'œuvre, tandis que les pénuries de compétences ont limité la capacité globale.

La réduction du temps entre la paillasse de laboratoire et le chevet du patient est très prometteuse. D'après notre expérience, les sociétés pharmaceutiques ont le potentiel de mettre des médicaments sur le marché plus de 500 jours plus rapidement et de réduire les coûts de développement de 25 % en mettant en œuvre un ensemble complet de leviers, y compris, et surtout, l'automatisation. Des percées critiques dans les technologies d'orchestration de laboratoire, de robotique et de manipulation des liquides offrent désormais une trajectoire de sortie de ces pressions conflictuelles, présentant l'automatisation des laboratoires comme une priorité stratégique et générant une vague de partenariats industriels, d'investissements accélérés et d'avancées.

L'automatisation n'est pas une solution miracle ou une solution unique, mais une automatisation complète peut apporter de nombreux avantages aux laboratoires de R&D (voir l'encadré "La différence entre un laboratoire de R&D manuel et un laboratoire entièrement automatisé"). Plus précisément, il a un potentiel important pour contribuer à l'amélioration de tous les KPI principaux du laboratoire, notamment :

Quelques qualités essentielles distinguent les laboratoires de R&D manuels des laboratoires automatisés.

Les processus courants dans les laboratoires statu quo qui restent la norme en R&D pharmaceutique sont inefficaces et laissent beaucoup de place à l'amélioration :

D'autre part, la future vision automatisée des opérations de R&D de pointe utilise des processus beaucoup plus efficaces :

Aujourd'hui, une confluence de percées techniques, une intégration et une compatibilité croissantes des technologies et des progrès dans la prise en charge des systèmes numériques ont rendu l'exploration des options d'automatisation à la fois plus accessible et plus urgente. Étant donné que l'automatisation ne peut réussir que si elle est adoptée et intégrée dans les processus scientifiques, l'expérience et les besoins des scientifiques impliqués devraient guider la prise de décision. Le reste de cet article passe en revue quatre priorités pour un déploiement réussi de l'automatisation dans la R&D pharmaceutique, qui contribuent toutes aux KPI des laboratoires.

Les processus de R&D sont progressivement passés de l'utilisation de flacons uniques à des plaques de microtitrage à haut débit qui permettent aux scientifiques de mener 96, 384, voire 1 536 expériences en parallèle. En plus d'augmenter le débit jusqu'à 100 fois, ces plaques peuvent réduire le volume d'échantillons et de réactifs nécessaires jusqu'à 90 %, augmentant ainsi le nombre d'expériences possibles à partir d'échantillons de patients limités. Ils permettent également une manipulation plus précise des matériaux, ce qui accélère les processus biologiques et permet de reproduire les mêmes résultats ailleurs.

Le maximum de 384 puits, qui était basé sur les limites physiques de la technologie de manipulation des liquides basée sur la pointe, a également été dépassé. Les percées récentes dans la manipulation acoustique des liquides laissent présager des formats complètement nouveaux, tels que les puces à gouttelettes, qui sont des lames de verre avec des gouttelettes individuelles au lieu de puits. Ceux-ci permettent à des dizaines de milliers de réactions de se produire en parallèle. D'autres technologies révolutionnaires, telles que la microfluidique des gouttelettes dans le cadre d'un laboratoire sur puce, ouvrent la voie à des expériences séquentielles à grande vitesse.

La partie physiquement visible de l'automatisation des laboratoires ne serait pas possible sans la numérisation et l'automatisation correspondantes des enregistrements. Les systèmes d'archivage numérique, tels que les systèmes de gestion des informations de laboratoire (LIMS) ou les cahiers de laboratoire électroniques (ELN), équipés de générateurs de flux de travail conviviaux, sont désormais un élément indispensable de l'infrastructure de laboratoire moderne. Ils gagnent du temps dans la préparation des dossiers de test et la rédaction des résultats de test sur papier, ainsi que dans la vérification des dossiers manuscrits par des pairs pour s'assurer qu'il n'y a pas d'erreurs. Les systèmes d'archivage numérique ont également permis une meilleure gestion des flux de travail, créant des structures de recherche adaptables et flexibles, ce qui est une exigence fondamentale à mesure que la recherche évolue en fonction de ses résultats.

Les configurations typiques de R&D pharmaceutique consistent en des dizaines d'appareils différents, souvent de différents fournisseurs. Cela signifie que le personnel de recherche a dû relier manuellement les interfaces des appareils, par exemple en déplaçant les plaques entre les appareils ou en saisissant les résultats de mesure obtenus d'un appareil dans un autre. En plus de consacrer un temps considérable à la surveillance et à la configuration des appareils, ce processus a nécessité la planification d'horaires quotidiens en fonction des durées d'exécution des appareils.

La pénurie de personnel de recherche limitant le débit, la résolution de ce pontage manuel a été au cœur des préoccupations dans le monde de la technologie de laboratoire. Plus important encore, la réduction de la charge de travail des scientifiques au sein de la boucle d'équipement crée la possibilité d'une automatisation 24 heures sur 24 et éteinte sans personnel de nuit. Une telle utilisation 24 heures sur 24 du même équipement pourrait potentiellement tripler le débit.

Par conséquent, cette intégration des normes de données et de la communication des appareils est en train de changer la donne dans la technologie de laboratoire, car les principaux fournisseurs de logiciels proposent des plates-formes logicielles d'orchestration de laboratoire ou de planification des appareils. Le nouveau logiciel fournit des pilotes pour une variété de matériel de laboratoire ainsi que des services de conseil ou d'ingénierie pour connecter le matériel d'une manière indépendante du fournisseur, offrant ainsi une solution d'automatisation globale.

Avec des données connectées à des tableaux de bord centraux, les nouveaux systèmes automatisés relient chaque appareil à des systèmes d'analyse partagés qui, associés à de nouvelles capacités d'analyse avancée et d'apprentissage automatique, peuvent accélérer les résultats. Les gains peuvent inclure l'optimisation des processus scientifiques, par exemple, en décidant quel réactif à l'étape A a conduit à certains résultats à l'étape D, ou des informations sur l'efficacité opérationnelle, comme pourquoi l'utilisation d'un appareil spécifique est inférieure à la moyenne à certains moments. Une telle surveillance, correction et identification des modèles permet d'optimiser et d'étendre l'ensemble du processus de découverte (pièce 2).

Alors que plusieurs acteurs explorent le potentiel de transformation de leurs processus de laboratoire de R&D grâce à l'automatisation, nous voyons une approche en cinq étapes pour parvenir à une automatisation de laboratoire de pointe.

Le nombre de fournisseurs de matériel, qui ont joué un rôle central dans les progrès de la technologie de laboratoire, a plus que doublé, passant de 93 à 206 au cours des 15 dernières années, alimenté par la demande et les barrières à l'entrée relativement faibles de l'industrie.1 Analyse McKinsey de l'automatisation des laboratoires sur Crunchbase, octobre 2021-mars 2022. Le potentiel considérablement amélioré des technologies de laboratoire qui émergent actuellement a suscité des investissements et une attention accrus, y compris de nouveaux partenariats entre les sociétés pharmaceutiques et les fournisseurs pour accélérer les nouvelles applications (voir l'encadré "Approcher des transformations réussies de l'automatisation des laboratoires"). Les deux dernières années seulement ont vu plus d'une douzaine d'annonces de partenariats entre des sociétés pharmaceutiques et des start-ups lançant des projets sur des solutions d'automatisation.2 Analyse McKinsey des rapports des médias. Pour des exemples, voir "Codex DNA signe un accord de collaboration et de licence d'accès anticipé avec Pfizer pour développer davantage la nouvelle technologie de synthèse d'ADN enzymatique de CodexDNA pour une utilisation par Pfizer dans sa recherche et développement de vaccins et de biothérapies à base d'ARNm", GlobeNewswire, 10 janvier 2022 ; et "Eli Lilly and Company en collaboration avec Strateos, Inc. lancent un laboratoire de cloud robotique télécommandé", Eli Lilly and Company, 9 janvier 2020.

Alors que la technologie de laboratoire s'impose comme un levier stratégique à haut rendement, les chercheurs des laboratoires pharmaceutiques sont de plus en plus directement impliqués dans l'identification et la spécification des innovations de laboratoire prioritaires. Cette participation accélère davantage l'applicabilité, la pertinence et l'opportunité des gains technologiques.

Les percées dans la manipulation acoustique des liquides et l'orchestration de laboratoire ont placé l'automatisation de laboratoire au premier plan en offrant un plus grand succès de R&D dans des temps de cycle beaucoup plus courts. Dans le même temps, la disponibilité de nouvelles plateformes technologiques, telles que les plateformes d'ARNm et de vecteurs viraux utilisées dans le développement à grande vitesse de vaccins contre le COVID-19, accélère encore les capacités d'innovation de l'industrie pharmaceutique. Ces développements contribuent à alimenter l'impératif d'automatisation de l'industrie des technologies de laboratoire.

Rita Cardosoest consultant au bureau de McKinsey à Lisbonne,Christian Kinscherest associé du bureau de Düsseldorf,Tobie Ruofest consultant au bureau de Cologne,Ahsan Saïdest un associé du bureau de Munich,Ulf Schraderest un associé principal du bureau de Hambourg, etJulius Seitterest consultant au bureau de Berlin.