Impression 4D d'hydrogels de polysaccharides biocompatibles pour des applications biomédicales
L'impression 3D de matériaux intelligents capables de réagir sous l'action d'un stimulus, est appelé "impression 4D" et présente un intérêt croissant pour le développement de dispositifs médicaux innovants. Plusieurs matériaux préparés à partir de polymères de synthèse ont été décrits dans la littérature, et présentent la capacité de changer de forme sous l'action d'un stimulus tel que la température, une source lumineuse, un champ magnétique ou une modification du pH.
Afin de de transposer ce concept au domaine biomédical, ce sujet de thèse vise le développement d'hydrogels biosourcés à partir de polysaccharides naturels biocompatibles, imprimables en 3D et sensibles à différents stimuli. Les hydrogels développés seront en particulier capables de se déformer sous l'action de 2 stimuli différents : (i) une modification de la température, ou (ii) l'application d'un faisceau lumineux dans le domaine du proche infrarouge, permettant l'activation du matériau tout en évitant la dégradation de tissus biologiques. Pour cela, les chaines de polysaccharides seront d'abord fonctionnalisées avec des groupements thermosensibles (i), et des nanoparticules biocompatibles et capables d'absorber la lumière infrarouge seront intégrées dans les matériaux.
Il s'agit d'un projet à l'interface entre chimie (synthèse de polymères, synthèse de nanoparticules), physico-chimie (formulation et caractérisation d'hydrogels photoréticulables), sciences des matériaux (impression 3D, essais mécaniques) et biologie (études de cytotoxicité). D'autre part, les données générées par le doctorant seront utilisées par des outils d'intelligence artificielle, qui permettront d'accélérer le développement des hydrogels visés.
Réseau de neurones sur variétés et applications dans le domaine de la Santé
Le sujet de la thèse porte sur l’apprentissage profond géométrique (geometric deep learning) et son utilisation dans diverses applications liées à la Santé.
La fusion de ces deux domaines (géométrie et IA) est au cœur de la thèse avec la conception de réseaux SPDnet qui mêlent à la fois les techniques d’apprentissage end-to-end et des opérations mathématiques sur la variété des matrices symétriques définies positives.
La mise au point de ces méthodes d’un point de vue mathématique et informatique ainsi que leur application sur des bases de données publiques en Electro-Encéphalographie (EEG) font partie des objectifs de cette thèse.
Les résultats attendus sont de démontrer la supériorité de ces méthodes sur les approches courantes en BCI (Brain computer Interface) et d’identifier les configurations optimales pour différentes applications médicales avec des données multicapteurs ou encore en traitement d’images.
Conception d’un nouveau microscope light-sheet pour le suivi temporel d’organoïdes sur puce
Nous proposons dans cette thèse de développer un système de microscopie de fluorescence light-sheet pour caractériser optiquement des organoïdes en 3D et en carte microfluidique. La thèse se concentrera sur la mise au point d’un light-sheet miniaturisé et multi longueur d’onde, qui marche directement dans un incubateur cellulaire et qui pourra être utilisé pour la visualisation et le suivi morphologique/fonctionnel d’objets 3D optiquement complexes et diffusants. Le début du travail sera de bien comprendre l’impact de la miniaturisation sur la mise en forme du faisceau d’excitation à différentes longueurs d’onde et sur la qualité des images. Ensuite, la mise en forme du faisceau d’excitation pour aller le plus profondément possible dans l’échantillon biologique d’intérêt sera évaluée. Le système sera ensuite caractérisé en incubateur pour le suivi temporel des organoïdes sur puce et la caractérisation du système biologique vivant. Nous nous concentrerons principalement sur deux échantillons : des organoïdes pancréatiques en puce microfluidique et des organoïdes de cerveau en 3D. L’objectif sera de réaliser une imagerie pour permettre, en collaboration avec les biologistes, un suivi temporel de marqueurs spécifiques en fluorescence directement dans un incubateur cellulaire. Ce travail nous permettra de proposer des pistes d’intégration de fonctions optiques à l’intérieur d’une carte microfluidique pour le suivi 3D morphologique et fonctionnelle d’organoïdes sur puces.
Mise en forme de fronts d'onde optiques pour la photobiomodulation - Application aux maladies neurodégénératives
La photobiomodulation consiste à utiliser la lumière, le plus souvent dans la gamme visible/proche-infrarouge, pour traiter ou ralentir l’évolution d‘une pathologie. Dans le cas de la maladie de Parkinson, une maladie neurodégénérative sans traitement curatif à ce jour, la zone du cerveau responsable des symptômes se situe au niveau du mésencéphale, une région profonde du cerveau, ce qui nécessite d’implanter un dispositif médical optique par des techniques neurochirurgicales. A Clinatec, plusieurs patients ont été récemment implantés avec un tel dispositif, faisant suite à de nombreuses années de recherche précliniques ayant montré le potentiel de la technique. A ce jour la propagation des photons dans les tissus cérébraux est dominée par la diffusion, avec pour conséquence un rendement faible et une stimulation optique de zones non-souhaitées. L’objectif est de contraindre le mécanisme de diffusion en jouant sur le front d’onde optique, avec une visée clinique intracérébrale.
Il s’agit d’une technique publiée en 2007 par Vellekoop, qui consiste à moduler l’amplitude et la phase d’une source lumineuse cohérente pour prendre en compte la diffusion des photons et ainsi parvenir à focaliser la lumière dans ou derrière les tissus. Le but final est de n’éclairer que la zone souhaitée du cerveau. Les travaux de thèse associeront des développements expérimentaux et fondamentaux en optique, notamment sur la mise au point de la boucle de rétroaction (mesure de l’onde photoacoustique générée par des pulses lumineux), mais aussi en simulation numérique. La thèse aura lieu sur le site du CEA LETI, à Grenoble, entre l’institut Clinatec et le Département d’Optronique du LETI et sera dirigée par un laboratoire universitaire spécialiste du domaine (le LiPhy).
Stratégie de capture multi-cibles pour des analyses en microsystème
La recherche de bio marqueurs et de pathogènes dans des échantillons biologiques est généralement limitée par la préparation de ces échantillons après qu’ils aient été recueillis. De plus la phase de détection, lorsqu’elle repose sur une réaction de capture anticorps-antigène, au sein des biocapteurs peut être difficile à optimiser. Si l’approche qui consiste à fonctionnaliser une paroi pour capturer des molécules ou des particules en écoulement dans un micro canal paraît simple au premier regard, les résultats ne sont pas toujours à la hauteur des attentes. D’un côté, la capture des molécules est un problème de convection-diffusion ; d’un autre côté, la capture des particules en écoulement doit également prendre en compte les distributions de pression sur celles-ci. Ainsi le sujet de thèse proposé s’inscrit dans un projet d’étude de la capture et la concentration de tout type de cible biologique et biochimique au sein de microsystèmes fluidiques pour dégager des critères de dimensionnement optimaux de ceux-ci.
Le projet de thèse explorera, pour commencer, les modèles de capture de cibles biochimiques et biologiques au sein d’un écoulement en micro-canal. L’objectif de cette tâche est de préciser les conditions optimales et communes à la capture de toutes les cibles d’intérêts. Parmi toutes les configurations possibles, le maintien de billes fonctionnalisées dispersées en volume par un champ adéquat sera privilégié car attendu comme optimal. Cette configuration fera l’objet, dans la thèse, d’une attention particulière d’autant qu’elle se prête à une mise en œuvre microfluidique originale notamment dans l’étude d’organoïdes sur puces pour capturer, concentrer et suivre leurs sécrétions.
Le laboratoire recherche pour ce projet un(e) étudiant(e) motivé(e) par un travail expérimental en microfluidique sous-tendu par une compréhension fine des phénomènes physiques en jeu. En complément une connaissance des tests classiques de biologie moléculaire et des tests immunologiques sera appréciée. Des compétences en simulation numérique sont également un atout pour candidater au sujet proposé.
Optimisation de détecteurs de rayonnement gamma pour l’imagerie médicale. Tomographie par émission de positrons temps de vol
La tomographie par émission de positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale nucléaire largement utilisée en oncologie et en neurobiologie. La désintégration du traceur radioactif émet des positrons, qui s'annihilent en deux photons de 511 keV. Ces photons sont détectées en coïncidence et utilisées pour reconstituer la distribution de l'activité du traceur dans le corps du patient.
Nous vous proposons de contribuer au développement d’une technologie ambitieuse et brevetée : ClearMind.
Vous travaillerez dans un laboratoire d’instrumentation avancé dans un environnement de physique des particules.
Il s’agira d’abord d’optimiser les « composants » des détecteurs ClearMind, pour parvenir à des performances nominales. Nous travaillerons sur les cristaux scintillants, les interfaces optiques, les couches photo- électriques et les photo-détecteurs rapides associés, les électroniques de lectures.
Il s’agira ensuite de caractériser les performances des détecteurs prototypes sur nos bancs de mesure en développement continu. Les données acquises seront interprétées au moyen de logiciels d’analyse « maison » écris en langage C++ et/ou Python.
Il s’agira enfin de modéliser le fonctionnement physique de nos détecteurs au moyen de logiciels de
simulation Monté-Carlo (logi- ciels Geant4/Gate)) et de confronter nos simulations à nos résultats sur bancs de mesure. Un effort particulier sera consacré au développement de cristaux scintillants ultra rapides dans le contexte d’une collaboration européenne.
Matériaux poreux intégrés dans des dispositifs pour l’analyse glycomique en milieu hospitalier.
La glycomique consiste à identifier les oligosaccharides (OS) présents dans un fluide biologique en tant que source de biomarqueurs en vue de diagnostiquer diverses pathologies (cancers, maladie d’Alzheimer, etc.). Pour étudier ces OS, la préparation d’échantillon comporte 2 phases clés, le clivage enzymatique (coupure de la liaison entre les OS et les protéines) suivi d’une purification et extraction (séparation des OS et des protéines). Cependant, les matériaux actuellement utilisés dans les protocoles imposent de nombreuses étapes manuelles et chronophages, incompatibles avec une analyse à haut débit.
Dans ce contexte, le LEDNA, laboratoire spécialisée dans le domaine des matériaux a récemment développé un procédé sol-gel de fabrication de Monolithes à Porosité Hiérarchisée (HPMs) dans des dispositifs miniaturisés. Ces matériaux ont permis d’obtenir une preuve de concept démontrant leur intérêt pour la seconde étape de l’analyse glycomique, i.e. la purification et l’extraction des oligosaccharides. Le LEDNA souhaite désormais améliorer la première étape correspondant à la coupure enzymatique devenue limitante dans le processus d’analyse glycomique. La fonctionnalisation de matériaux poreux, notamment d’HPMs avec de l’enzyme rendrait ainsi possible une préparation d’échantillon simple en à peine quelques heures avec une unique étape.
L’objectif de cette thèse est donc de montrer que l’utilisation de matériaux poreux présentant une fonction double, catalytique et de filtration, appliqués à la préparation d’échantillons pour l’analyse glycomique constitue un moyen pertinent pour simplifier et accélérer l’analyse glycomique, ainsi que de les employer dans des études en lien avec le milieu hospitalier afin d’identifier de nouveaux biomarqueurs de pathologies.
Le projet de recherche consistera à élaborer un dispositif intégrant des matériaux poreux présentant une fonction catalytique et de filtration. Pour ce faire, plusieurs aspects seront traités, allant de la synthèse et de la mise en forme de ces matériaux jusqu’à leur caractérisation de leurs propriétés texturales et physico-chimique. Un travail important sera porté sur l’immobilisation de l’enzyme. Le(s) prototype(s) les plus prometteurs seront évaluées dans un protocole d’analyse glycomique en vérifiant l’obtention de profils oligosaccharidiques de biofluides humain (plasma, lait). Les caractérisations physico-chimiques seront l’occasion de pratiquer des techniques variées (MEB, MET, etc.) ou encore la caractérisation des paramètres de porosité (adsorption d’azote, porosimètre Hg). L’analyse des oligosaccharides sera réalisée par spectrométrie de masse à haute résolution (essentiellement MALDI-TOF).
Pour ce projet de thèse pluridisciplinaire, nous recherchons un(e) étudiant(e) chimiste ou physico-chimiste, intéressé(e) par la chimie des matériaux et motivé(e) par les applications de la recherche fondamentale dans le domaine des nouvelles technologies pour la santé. La thèse sera effectuée dans deux laboratoires, le LEDNA pour la partie matériaux et le LI-MS pour l’utilisation des matériaux en analyse glycomique. L’activité de recherche sera menée dans le centre de recherche de Saclay (91).
Développement de lits granulaires denses et fluidisés dans des canaux microfluidiques pour des applications dans la santé
Le problème de santé publique majeure qu'est la septicémie nécessite des technologies en rupture pour poser un diagnostic ultra-rapide. Les lits granulaires denses et fluidisés sont des systèmes idéaux pour les processus d'échange liquide-solide ou gaz/solide. Ils sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur rapport surface/volume élevé. Au cours de cette dernière décennie, la microfluidique associée aux laboratoires sur puce a permis de faire de nombreuse avancées notamment dans le cas de la préparation d'échantillon biologique. Nous proposons de développer une plateforme microfluidique polyvente qui permettra de créer de tels lits denses et fluidisés. Nous travaillerons dans un premier temps sur l’incorporation de membranes dans les microcanaux en nous appuyant sur le savoir-faire breveté et développé au laboratoire. Ensuite nous étudierons et caractériserons les lits granulaires pour finalement les tester sur la détection de bactéries dans des échantillons biologiques. Ce travail se fera en collaboration avec nos partenaires physiciens du LEDNA et biologistes du LERI du CEA Saclay.
Conception d’empreinte moléculaire à base d’aptamères pour le diagnostic des maladies neurodégénératives.
Le projet de thèse consiste à développer un nouveau type de diagnostique capable de détecter la signature d’une forme de protéine pathologique. Le but est de pouvoir améliorer le diagnostic des patients souffrant de protéinopathies neurodégénératives distinctes dues à l’agrégation des protéines alpha-synucléine et tau, notamment les maladies de Parkinson ou d'Alzheimer. Ce projet s'appuie sur l'expertise de notre équipe dans la technologie des aptamères (ligands à base d'acides nucléiques) et la production d’agrégats structuralement distincts d’alpha-synucléine et tau dont nous avons démontré qu’ils peuvent induire l’apparition de différentes formes de synucleinopathies et de tauopathies. Au cours de cette thèse, différentes banques d'aptamères seront évaluées contre plusieurs polymorphes de fibre de protéines retrouvées dans différentes maladies. Ces aptamères seront ensuite utilisés pour concevoir un test diagnostique selon un procédé que nous avons récemment breveté (AptaFOOT-Seq). L’étudiant devra avoir un gout prononce´ pour la recherche biomédicale et notamment par les aspects moléculaires de la biologie. Cette thèse lui permettra une formation approfondie en synthèse et purification d’ARN et de protéines, en évolution moléculaire dirigée, en PCR quantitative (qPCR et droplet PCR), en séquençage a` haut-de´bit, en analyse bio-informatique et en biochimie structurale. L’aboutissement de la thèse est d’obtenir des résultats valorisables en termes de propriété´ intellectuelle et de permettre a` l’étudiant d’envisager une carrie`re dans un environnement acade´mique ou industriel.