Encapsulation multicouche de cellules par un dispositif de centrifugation

L’encapsulation de cellules dans des bio-polymères est un domaine en pleine expansion pour la bioproduction (maturation d’organoïdes ou sphéroïdes, criblage de médicaments, thérapies cellulaires et la bio-ingénierie). Cette thèse s’inscrit dans ces domaines d’application à travers l’encapsulation multicouche de cellules dans des biopolymères à large gamme de viscosité.
La couche interne (cœur) offre un environnement plus favorable à la maturation et survie des cellules ou organoïdes et la couche externe assure une protection (coque) mécanique et une barrière filtrante contre les agents pathogènes. Chargée d’agents biologiques sélectionnés, elle permet une interaction contrôlée avec les cellules du cœur de la capsule.
L’objectif de cette thèse est de développer une buse d’éjection innovante pour former des microcapsules multicouches à haute fréquence, par force centrifuge, en utilisant une centrifugeuse de laboratoire.
Cette nouvelle thèse s’inscrit dans la continuité d’une thèse terminée en 2023 qui a permis d’étudier, de caractériser en détails et de développer un modèle prédictif pour la génération de microcapsules monocouches uniquement par force centrifuge.
Les mécanismes de formation et d’éjection des capsules multicouches sont complexes. Ils font intervenir les propriétés rhéologiques du bio-polymère, la force centrifuge, la tension de surface et les interfaces. L’architecture de la buse d’éjection devra prendre en compte ces propriétés. Un premier volet de cette thèse sera de mieux comprendre les mécanismes de formation multicouche et d’éjection des microcapsules en fonction de la géométrie de la buse d’éjection sélectionné et ainsi pouvoir prédire et contrôler cette formation en fonction des propriétés rhéologiques du/des bio-polymère(s). Un second volet sera le développement d’un système automatisé permettant la production aseptique des capsules. Enfin, une validation biologique permettra de valider la technologie développée. Pour répondre aux objectifs de ce sujet d’étude, le candidat devra dans un premier temps mener une étude analytique et numérique, dessiner les buses d’éjection et s’appuyer sur le savoir-faire du laboratoire pour les fabriquer. Il fera des tests fluidiques sur des maquettes et optimiser le design afin de concevoir et tester un prototype de formation de microcapsules.
Le candidat doit avoir une formation en physique, en ingénierie et en mécanique des fluides avec un talent particulier pour les approches expérimentales. Une première expérience en microfluidique / biologie serait un atout.

Développement de nouvelles formulations d’antidotes à base de nanoparticules lipidiques de type bilosomes enrobés de chitosan avec ciblage actif, contre les intoxications par les neurotoxiques organophosphorés pour une administration par voie nasale

L’objectif de ce projet de thèse innovant est de mettre au point et valider l’efficacité biologique de nouvelles formulations incluant des réactivateurs originaux et brevetés (CNRS/IRBA). Ceux-ci présentent une activité à large spectre de l’acétylcholinestérase (AChE) inhibée par des Neurotoxiques OrganoPhosphorés (NOPs), d’où l’intérêt de développer des antidotes efficaces au niveau central, pour une administration nose-to-brain. Les nouvelles formulations à base de bilosomes conçues au CEA seront administrées par voie nasale, non invasive, ce qui pourrait permettre une délivrance cérébrale soit après passage dans la circulation systémique, soit par absorption au niveau de la zone olfactive. Cette dernière donne un accès direct au liquide céphalo-rachidien et au parenchyme cérébral, contournant ainsi la barrière hémato-encéphalique (BHE). L’approbation par les autorités de santé des traitements Nyxoïd (naloxone) et Valtoco (diazepam) montrent la pertinence des approches thérapeutiques par voie nasale pour faire face à des situations d’urgences (ex. overdose, épilepsie) chez de sujets pouvant être inconscients ou en détresse respiratoire. In fine, les innovations et la PI issues de ce projet pourraient intéresser la société OPGS Pharmaceuticals récemment créée, pour la valorisation des travaux, et éventuellement pour les étapes de développement précliniques (toxicité, sélectivité…) et de scale-up.
La thèse se déroulera à TOULOUSE.

Développement d’un modèle numérique d’imagerie par rayons x en contraste de phase et dark field

Depuis 2013, le CEA List (Université Paris Saclay), développe des méthodes d’imagerie par rayons X en contraste de phase, notamment par interférométrie à décalage multi latéral. En complément de l’information en absorption, le déphasage des rayons X apporte un contraste et une sensibilité supplémentaire sur l’image, notamment pour les matériaux de faible numéro atomique ou peu dense.
Diverses techniques ont été mises au point pour générer un contraste de phase, basées notamment sur l’ajout d’un modulateur d’intensité aléatoire ou régulier (grille d’interférence). En outre, l'imagerie dark field est apparue comme un signal complémentaire précieux en imagerie par contraste de phase. Le signal de dark field provient de la diffusion aux petits angles de structure fines de l'échantillon. Le signal dark field a notamment prouvé sa capacité à dévoiler des caractéristiques de l'échantillon qui restent invisibles par des moyens conventionnels. Il peut, par exemple, révéler les propriétés microstructurelles du poumon dans les cas de maladie pulmonaires obstructives chroniques.
La poursuite de ces développements passe par la mise en œuvre d’un modèle numérique produisant des images suffisamment précises et représentatives d’un système expérimental.
Le but de la thèse est le développement d’un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de contraste de phase et de diffusion, notamment en s’abstenant d’une hypothèse classique de modélisation qui est la considération d’un objet infiniment fin (projected thickness). La non prise en compte de cette hypothèse sera à traiter pour pouvoir aller vers une imagerie de phase sur objet épais (par exemple un thorax). En règle générale, la modélisation d’une imagerie en contraste de phase s'appuie sur une description ondulatoire. En revanche, les phénomènes de diffusion sont habituellement simulés à l'aide d'une description particulaire, souvent en utilisant des techniques Monte Carlo. Dans cette étude, le développement d’un modèle combiné sera produit et validé expérimentalement.
La thèse s’effectuera au CEA List à Saclay dans un environnement comportant de fortes compétences numériques et expérimentales.

Technologie pour la fécondation in vitro : plateforme microfluidique d'accueil et de caractérisation non invasive d’embryons

L'infertilité touche 17,5% des couples en âge de procréer. Les techniques de Procréation Médicalement Assistée (PMA), telles que la fécondation in vitro (FIV), sont des procédures couteuses et complexes qui nécessitent du matériel de pointe et une main d’œuvre hautement qualifiée. Les manipulations successives des embryons sont sources de stress pouvant impacter la qualité et la viabilité des embryons. Mais les anomalies de développement et les fausses couches sont principalement causées par les anomalies chromosomiques de nombre ou aneuploïdies. Celles-ci peuvent être détectées par le diagnostic pré-implantatoire des aneuploïdies (DPI-A) suivi du séquençage haut-débit (NGS). Cependant, le DPI-A reste complexe et invasif, avec la biopsie embryonnaire, pouvant avoir des implications sur le développement de l’embryon.
La problématique à laquelle le doctorant devra répondre est la suivante : peut-on concevoir une alternative technologique permettant à la fois la culture automatisée d'embryons issus de fécondation in vitro (FIV) et leur sélection par des méthodes non invasives ? Le projet se focalisera sur l'automatisation des manipulations embryonnaires en minimisant le stress mécanique, ainsi que sur l'extraction du milieu extra-embryonnaire pour l'analyse des ADN circulants.
Les résultats escomptés incluent une plateforme microfluidique automatisée permettant la manipulation des embryons sans intervention humaine, l'extraction du milieu extra-embryonnaire pour l'analyse des aneuploïdies par séquençage, et la construction des bases de programme pour les technologies microfluidiques appliquées à la FIV.

Protection par revêtements autodécontaminants contre la biocontamination des surfaces

Le projet PROBIO-ES proposé s’intègre dans la thématique de défense prioritaire « biologie, santé, NRBC » et notamment les sous-thèmes protection et décontamination. Il a pour but de développer des surfaces autodécontaminantes pour plusieurs applications terrestres et notamment NRBC, mais également spatiales. Le projet a d’ailleurs été présélectionné par le CNES pour l’attribution d’une 1/2 allocation de thèse. En effet, dans le contexte des vols habités vers des destinations éloignées telles que l'orbite terrestre basse, la Lune et éventuellement Mars, la contamination biologique représente une menace significative pour la santé de l'équipage et la préservation des équipements spatiaux. La microflore transportée par l'équipage dans les habitats clos constitue une préoccupation inévitable, accentuée par les périodes prolongées d'isolement et de dépendance des systèmes de support de vie en boucle fermée. Outre les risques pour la santé des astronautes, la biocontamination peut endommager les équipements critiques à bord des vaisseaux spatiaux. Les micro-organismes, exposés à l'environnement spatial, peuvent développer une résistance et muter, transformant les microbes bénins en agents pathogènes. Afin d'atténuer ces risques, des mesures efficaces, telles que des systèmes de filtration et des surfaces autodécontaminantes limitant la prolifération bactérienne, doivent être mises en place. L'expérience MATISS (2016-2024) a exploré l'utilisation de revêtements hydrophobes pour réduire la biocontamination à bord de l'ISS, mais des améliorations sont nécessaires. Cette thèse collaborative entre le SyMMES et le CEA-Leti à Grenoble vise à développer des couches antimicrobiennes durables sans substances nocives, utilisant une nouvelle méthode de dépôt par plasma atmosphérique froid, adaptée aux grandes surfaces. Le projet PROBIO-ES est donc complètement en adéquation avec les axes prioritaires de la thématique « biologie, santé, NRBC » de l’appel à projet AID 2024.

Prélèvement transcutané de biomarqueurs gazeux

La progression de la médecine ambulatoire nécessite le développement de dispositifs médicaux portés sur la personne. Les gaz exhalés comme les gaz transcutanés sont connus pour véhiculer des biomarqueurs représentatifs de pathologies dont le suivi en médecine ambulatoire serait un réel outil de diagnostic et de monitoring. Cependant le suivi en continu des gaz exhalés est inapproprié aux activités de la vie quotidienne, contrairement au suivi des gaz transcutanés qui pourrait être effectué discrètement sans perte de mobilité, par exemple avec un dispositif placé sur l’avant- bras. Par ailleurs mis à part le dioxygène et le dioxyde de carbone, la plupart des biomarqueurs présents dans les gaz transcutanés sont en concentrations très faibles, ils sont donc difficilement détectables. Une façon de contourner cette faible concentration est de réaliser une étape de pré-concentration, c’est-à-dire d’accumuler au cours du temps, et donc de concentrer, suffisamment de molécules pour qu’elles soient plus facilement détectables et mesurables.
L’objectif de cette thèse est donc de développer et d’optimiser un dispositif de prélèvement avec une pré-concentration des gaz transcutanés. Les travaux consisteront notamment à modéliser les échanges gazeux entre la peau et le dispositif afin d’optimiser l’efficacité de la pré-concentration. Le modèle sera confronté aux résultats expérimentaux obtenus avec le prototype développé et l’utilisation de moyens analytiques commerciaux.
Ce sujet requiert une personne très motivée avec des compétences en modélisation et en instrumentation. Des compétences en conception mécanique de dispositifs médicaux seraient un plus.

Dispositif de Monitoring du liquide interstitiel couplant microaiguilles creuses et microfluidique capillaire

Le liquide interstitiel (ISF) est le fluide qui occupe l'espace entre les capillaires sanguins et les cellules. L’ISF est constitué principalement d’eau, sels, sucres, hormones, neurotransmetteurs, CO2 et acides gras. Il est particulièrement intéressant puisqu’il est décrit comme un filtrat du plasma mais plus accessible que le sang pour un suivi en continu. Le monitoring en continu de l’ISF est visé par exemple pour le suivi du cortisol (marqueur du stress, dont le rythme circadien rend le suivi en continu très intéressant), les hormones sexuelles (PMA) ainsi que d'autres biomarqueurs permettant le suivi de l'état de santé d'un patient. L’objectif de cette thèse est de réaliser un dispositif porté de prélèvement de l'ISF, qui co-intègre des microaiguilles creuses biocompatibles voir résorbables et une partie microfluidique capillaire. A terme, ce type de système sera combinable avec différents types de capteurs en sortie de fluidique pour différentes applications telles que le monitoring du rythme circadien du cortisol pour le suivi du stress et du stress post-traumatique. Trois verrous et points de vigilance devront être abordés dans cette thèse : (a) Un des verrous principaux réside dans la gestion des très faibles débits en microfluidique passive (débits de l’ordre du nL/min), (b)Technologiquement, le procédé de fabrication des microaiguilles creuses résorbables avec une gestion fine de l’état de surface de l’intérieur du canal (pour favoriser la capillarité) sera également un axe important de l’étude, (c) Enfin, le procédé sera évalué et amélioré au regard de l’éco-circularité.

Développement de dispositifs médicaux innovants à partir de nouveaux dérivés de polyhydroxyalcanoates (PHA) bactériens

Pour relever les futurs défis des dispositifs médicaux (DM) portés ou implantés, moins invasifs, et toujours plus personnalisés et efficaces, il est nécessaire de disposer d'une large gamme de matériaux biocompatibles présentant diverses propriétés mécaniques. Ces biomatériaux doivent de préférence être d'origine biologique et mis en œuvre dans des conditions douces (si possible dans l'eau) afin de réduire le risque de libération de sous-produits toxiques. La biodégradabilité des matériaux est une autre caractéristique clé à maîtriser pour le développement de prothèses et de dispositifs dont la durée de vie doit être adaptée à leur utilisation. Dans ce contexte, l’ANR PHAMOUS a pour objectif de démontrer le très fort potentiel des polyhydroxyalcanoates (PHA) bactériens, pour concevoir des DM innovants. Dans ce cadre, le doctorant aura tout d’abord en charge la modification chimique de différents PHA, afin d’améliorer leur solubilité en phase aqueuse (e.g. groupements PEG pendants), apporter des groupements photoréticulables (e.g. méthacrylates) ainsi que des fonctions spécifiques (peptides) pour augmenter l’adhésion cellulaire et les propriétés antimicrobiennes. Le doctorant utilisera ensuite les différents PHA fonctionnalisés pour développer deux démonstrateurs mis en œuvre par deux procédés différents. Des PHA photoréticulables et solubles dans des solvants verts, seront formulés pour fabriquer un prototype de stent bronchique, par des procédés d’impression 3D de « vat polymerization ». En parallèle, l’électrofilage des PHA permettra de développer des membranes micro-structurées et poreuses.

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.

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.

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