Architecture d'un système de tomoscintigraphie préclinique
L’imagerie médicale est une source majeure d’innovations offrant un potentiel remarquable pour relever les nouveaux défis posés par la médecine de précision. En particulier les approches théranostiques, mêlant diagnostic et thérapie peuvent être personnalisées pour chaque patient.
Dans ce cadre, le CEA-Leti propose un sujet de thèse visant à développer un imageur tomoscintigraphique préclinique dédié, capable de fournir les performances requises pour le développement de nouveaux radiopharmaceutiques (spectrométrie, résolution spatiale et sensibilité élevée). Le laboratoire dispose en effet d’une expertise reconnue dans les détecteurs semi-conducteurs à base de CZT (Tellurure de Cadmium-Zinc) qui offrent une meilleure résolution spatiale et énergétique que les scintillateurs utilisés dans la plupart des systèmes actuels. Ces détecteurs ouvrent de nouvelles perspectives pour l’imagerie d’émission, telles que l'exploitation de l'imagerie Compton, l'imagerie multi-isotopique et le gain en contraste.
Le ou la candidate aura a prendre en charge :
1. L'étude de l'état de l'art en imagerie tomoscintigraphique préclinique pour participer à la spécification système et aider à définir une architecture de système.
2. La simulation de l'architecture par Monte-Carlo et l'optimisation des paramètres libres.
3. La conception et la fabrication d'un prototype avec l'aide de l'équipe d'ingénieurs.
4. Le test et la validation en imagerie, en utilisant les logiciels d'acquisition et reconstruction fournis par l'équipe.
Le doctorat se déroulera au sein d'un laboratoire d'instrumentation équipé en électroniques, détecteurs, mécaniques de motorisation, sources, logiciels d'acquisition, traitement et reconstruction. Le ou la doctorante collaborera avec le centre clinique et préclinique de l'hôpital d'Orsay pour conduire des tests d'imagerie sur fantômes et animaux.
Exploration non-invasive de la microstructure du cervelet par résonance magnétique
Pour mieux diagnostiquer et suivre l’évolution des maladies du cerveau, il est nécessaire de développer des “biopsies non-invasives”, afin d’accéder à l’état des types cellulaires constituant le tissu cérébral et sa composition, sans ouvrir la boîte crânienne. Les efforts de recherche en imagerie par résonance magnétique (IRM) visent à relever ce défi, mais ils manquent souvent de spécificité cellulaire à cause de la nature ubiquitaire de l’eau. La spectroscopie par résonance magnétique pondérée en diffusion (dMRS) mesure, dans une région donnée, la diffusion de molécules intracellulaires et partiellement spécifiques. Elle dessine une base solide pour accéder aux différents types cellulaires de manière non-invasive. Parmi les questions d’intérêt, séparer les contributions au signal des différents neurones du cervelet contribuerait à suivre et comprendre les troubles ataxiques et neurodéveloppementaux. Le cervelet ne représente que 10% du volume du cerveau, mais contient plus de la moitié de ses neurones, dont notamment les cellules de Purkinje, grandes et très complexes, et les cellules granulaires, petites et rondes, ayant des fonctions et un métabolisme très différents. Le projet de thèse a pour objectif de dissocier la contribution au signal de ces cellules grâce à des stratégies complémentaires: une approche classique de la dMRS augmentée d’une approche quantique, tout en confrontant ces développements à l’état de l’art des méthodes de l’IRM de la microstructure.
Microscopie de fluctuations pour l’imagerie fonctionnelle d’organoïdes
La microscopie à contraste de phase et la microscopie de fluorescence sont les deux piliers de l’imagerie biologique moderne. Le contraste de phase révèle la morphologie de l’échantillon, tandis que le marquage fluorescent apporte la spécificité au processus d’intérêt. Dans les deux cas l’image est la valeur moyenne du signal mesuré. Dans cette thèse il est proposé de s’intéresser non pas à la valeur moyenne, mais aux fluctuations observées en contraste de phase. Ce nouveau contraste sera appelé imagerie de fluctuations. Les fluctuations proviennent des phénomènes de transport actif et passif caractérisant la machinerie cellulaire, et on peut penser que le niveau de fluctuations est corrélé à l’activité cellulaire. L’objectif de la thèse est de détecter les fluctuations en contraste de phase, de les quantifier et de les relier à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique à un processus d’intérêt. L’objet d’étude sera l’activation des lymphocytes qui est un paramètre critique pour la surveillance du rejet chez certains patients atteints de diabète de type 1 ayant subi une greffe d’îlots de Langerhans. L’imagerie de fluctuation permettrait un suivi sans marquage, simplifiant le protocole de surveillance. Le travail attendu est (i) l’optimisation d’un microscope à contraste de phase pour détecter les fluctuations, (ii) l’analyse de séquences d’images pour les quantifier, et (iii) la mise en œuvre de la méthode développée sur divers modèles biologiques dont certains seront des organes de pancréas sur puce. Cette thèse à la frontière entre instrumentation, biophysique et biologie s’adresse à un(e) étudiant(e) avec une formation en optique, physique ou équivalent, avec de bonnes connaissances en traitement d’images et un fort intérêt pour les applications en biologie-santé.
L'infertilité est un problème croissant dans tous les pays développés. Les méthodes standard de diagnostic de la stérilité masculine examinent la concentration, la mobilité et les anomalies morphologiques des spermatozoïdes individuels. Cependant, 40% des cas d'infertilité masculine reste inexpliqué avec les outils de diagnostic standard.
Dans cette thèse, nous explorerons la possibilité de déterminer les causes de l'infertilité masculine à partir de l'analyse détaillée des trajectoires 3D et de la morphologie des spermatozoïdes nageant librement dans un environnement imitant les conditions de l'appareil reproducteur féminin. Pour cette tâche difficile, nous développerons un microscope spécialisé basé sur l'holographie pour l'imagerie rapide et le suivi des spermatozoïdes individuels. Outre les méthodes numériques classiques, nous utiliserons des algorithmes d'intelligence artificielle pour améliorer la qualité de l'imagerie et pour analyser les données multidimensionnelles.
Tout au long du projet, nous collaborerons étroitement avec un institut de recherche médicale (CHU/IAB) spécialisé dans les technologies de reproduction assistée (ART). Nous examinerons des échantillons de patients réels afin de développer un nouvel outil pour le diagnostic de l'infertilité masculine.
Imagerie de contraste de phase différentiel à base de capteur d'image
La bioproduction de médicament est en plein essor et consiste à faire produire par des cellules les molécules d’intérêt. Pour cela, un suivit de la culture et de l’état des cellules est nécessaire. L’imagerie de phase quantitative par holographie est une méthode optique sans marquage qui a déjà démontré sa capacité à mesure la concentration et la viabilité des cellules cultivées. Toutefois l’implémentation de cette technique dans un bioréacteur se confronte à plusieurs difficultés liées à la forte concentration des cellules. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles méthodes d’imagerie de phase quantitative comme l’imagerie par contraste de phase différentiel. L’objectif de la thèse est de développer cette technique avec l’utilisation d’un capteur d’image particulier dont un prototype a été réalisé au CEA-LETI. Le doctorant utilisera ce nouveau capteur et développera les algorithmes de reconstruction et de traitement d’images. Il identifiera également les points limitant du prototype actuel et définira les spécifications d’un second prototype qui sera réalisé au CEA-LETI. Enfin il se projettera dans la réalisation d’une sonde in-line, plongée dans le bioréacteur.
Jonctions Tunnel Magnétiques aux limites
L'électronique de spin, grâce au degré de liberté supplémentaire apporté par le spin de l'électron, permet de déployer une physique du magnétisme à petite échelle très riche, mais également d'apporter des solutions technologiques de ruptures dans le domaine de la microélectronique (stockage, mémoire, logique...) ainsi que pour la mesure du champ magnétique.
Dans le domaine des sciences du vivant et de la santé, des dispositifs à base de magnétorésistance géante (GMR) ont fait la démonstration de la possibilité de mesurer à échelle locale les champs très faibles produits par les cellules excitables (Caruso et al, Neuron 2017, Klein et al, Journal of Neurophysiology 2025).
La mesure de l'information contenue dans la composante magnétique associée aux courants neuronaux (ou magnétophysiologie) peut en principe donner un descriptif du paysage neuronal dynamique, directionnel et différentiant. Elle pourrait ouvrir la voie à de nouvelles modalités dans les implants, grâce à leur immunité à la gliose et à leur longévité.
Le verrou actuel est la très petite amplitude du signal produit (<1nT) qui nécessite de moyenner le signal pour le détecter.
Les magnéto-résistances tunnel (TMR), dans lesquelles est mesuré un courant tunnel polarisé en spin, présentent des performances de sensibilité de plus d'un ordre de grandeur par rapport au GMR. Elles présentent cependant actuellement un niveau de bruit à basse fréquence trop élevée pour en tirer tout le bénéfice, notamment dans le cadre de la mesure de signaux biologiques.
L'objectif de cette thèse est de repousser les limites actuelles des TMR, en réduisant le bruit à basse fréquence, pour les positionner comme capteurs de rupture pour la mesure de signaux très faibles, et pour leur potentiel d'amplificateur de petits signaux.
Pour atteindre cet objectif, une première voie reposant sur l'exploration des matériaux composant la jonction tunnel, en particulier ceux de la couche magnétique dite libre, ou sur l'amélioration de la cristallinité de la barrière tunnel, sera déployée. Une seconde voie, consistant à étudier les propriétés intrinsèques du bruit à basse fréquence, en particulier dans des limites jusque-là inexplorées, en très basses températures où les mécanismes intrinsèques sont atteints, permettra de guider les solutions les plus prometteuses.
Enfin, les structures et approches les plus avancées sur l'état de l'art ainsi obtenues seront intégrées à des dispositifs permettant d'une part d'avoir des briques de base pour au delà de l'état de l'art et offrant de nouvelles possibilité pour les applications de l'électronique de spin. D'autre part, ces éléments seront intégrés à des systèmes pour la cartographie en 2D (voire 3D) de l'activité d'un système biologique global (réseau neuronal) et d’évaluer les capacités pour des cas cliniques (comme l’épilepsie ou la réhabilitation motrice).
Il est à noter que ces TMR améliorées pourront avoir d’autres applications dans les domaines d’instrumentation physique, de contrôle non destructif ou d’imagerie magnétique.
Développement d’un système d’analyse par nanopore solide intégré
L’identification d’objets biologiques d’intérêt (ADN, ARN, protéines…) est rarement possible sur le terrain car elle demande des équipements encombrants, sensibles et/ou basés sur des consommables spécifiques difficiles d’accès ou de conservation. Pour se libérer de ces contraintes nous souhaitons développer une plateforme basée sur la technologie des nanopores solides qui pourrait s’adapter à de nombreux analytes de manière portable et agnostique.
On obtient un nanopore en perçant un trou nanométrique dans une membrane ultrafine de diélectrique grâce à un faisceau d’électrons par exemple. En exposant chaque face de cette membrane à un électrolyte et en appliquant une différence de potentiel de part et d’autre du pore on peut y faire passer un courant ionique mesurable. Quand une particule vient à passer à travers le pore elle modifie ce courant ionique ce qui nous donne des indications sur sa taille, sa charge, sa conformation.
Pour obtenir des résultats fiables avec cette technique il faut pouvoir contrôler chaque élément intervenant dans l’obtention du signal : le diélectrique et le nanopore ; le circuit électronique d’acquisition de ces signaux ; le circuit d’intégration fluidique et le programme d’interprétation des traces de courant. En partant du système le plus simple possible, le candidat devra faire avancer ces différentes thématiques, dans le cadre du séquençage de protéines, en s’appuyant sur les expertises au sein du Leti comme du laboratoire du Lambe.
Développement d’un nano-coating zwitterionique bifonctionnel pour les aptacapteurs – un nouveau linker pour sondes biologiques qui supprime les adsorptions non-spécifiques
Le domaine du développement des biocapteurs se heurte régulièrement à la problématique des signaux non-spécifiques. L’apparition de ces signaux limite bien souvent les performances des biocapteurs et complique in-fine les transferts industriels. Le synoptique de fonctionnalisation pour les biocapteurs se résume généralement en trois étapes, i) fonctionnalisation du transducteur avec une molécule linker, ii) immobilisation d’une sonde biologique (anticorps, aptamères, oligonucléotides…) grâce au linker, iii) traitement avec l’entité de blocage des interactions non-spécifiques. La littérature regorge de solutions qui font la part belle au blocage de ces interactions non-spécifiques avec différents types d’entités chimiques ou biologiques : protéines (BSA, caséine…), polymères (PEG, PVP) ou petites molécules (éthanolamine, hexylamine...).
Pour autant, une approche alternative de fonctionnalisation avec un linker offrant à la fois la capacité d’immobiliser des sondes biologiques, tout en assurant le blocage des interactions non-spécifiques représente une piste innovante pour le développement de biocapteurs.
Ce projet de thèse consiste à explorer le design et la fonctionnalisation de surface avec un nano-coating bifonctionnel répondant à cette approche. Concernant le blocage, les polymères zwitterioniques seront au coeur du développement. En effet, de nombreux travaux démontrent leur capacité à réduire drastiquement les interactions des milieux biologiques complexes avec les surfaces qui en sont pourvues. Par ailleurs, il est possible d’exploiter les fonctions chimiques de certains types de zwitterions pour immobiliser à la demande des sondes biologiques. Après avoir optimisé leur activité en phase homogène, des aptamères seront immobilisés sur des transducteurs silicium (QCM-d et puce photonique) par l’intermédiaire du nano-coating zwitterionique bifonctionnel. L’objectif de la thèse est d’obtenir une preuve de concept d’un biocapteur fonctionnalisé avec ce linker qui assure la réduction des signaux non-spécifiques tout en assurant la détection spécifique de la cible envisagée (modèle Tyrosinamide) dans des milieux modèles et complexes issus du biomédical, tels que le sérum ou le plasma.
Mesure optique intradermique via des microaiguilles instrumentées
Le cortisol, joue un rôle central dans la régulation du cycle circadien et dans de nombreux processus physiologiques essentiels tels que le métabolisme énergétique et la réponse immunitaire. La surveillance conventionnelle du cortisol repose sur des prélèvements sanguins ou salivaires ponctuels, qui ne reflètent pas fidèlement la dynamique temporelle de sa sécrétion. Il devient donc nécessaire de développer des approches innovantes permettant une mesure continue, peu invasive et fiable de la concentration de cortisol chez les patients.
Le projet doctoral vise à développer une instrumentation originale optique couplée à des microaiguilles fonctionnalisées avec des aptamères fluorescents pour le suivi de cortisol intradermique, de manière continue, minimalement invasive et sans prélèvement. Dans ce cadre, le doctorant aura pour mission de concevoir et de dimensionner les futures microaiguilles optiques destinées à la détection du cortisol. De mettre en place des dispositifs expérimentaux nécessaires à la caractérisation des microaiguilles optiques fabriquées au sein du département et de tester les performances des microaiguilles dans un environnement représentatif. Enfin, le doctorant développera une méthodologie complète de traitement et d’analyse des données afin d’identifier les paramètres clés permettant d’établir un lien quantitatif entre les signaux collectés et la concentration en cortisol. L’ensemble de ces travaux contribuera à la mise au point d’un dispositif de mesure innovant basé sur les technologies de rupture d’émission et de détection optiques disponibles au CEA-LETI, combinant précision, sensibilité, compacité et donc compatibilité avec une utilisation in vivo.
Suivi en ligne des procédés de bio-production par imagerie holographique 3D
La culture des cellules adhérentes est un moyen prometteur pour différentes applications en bioproduction, comme la fabrication et l'administration de biomédicaments, la médecine régénérative, ou le suivi de la différenciation cellulaire. Cependant, elle pose des défis majeurs pour l’analyse des cellules sans affecter l’intégrité du substrat. L’imagerie holographique sans lentille se présente comme une solution prometteuse, capable de capturer des images de cellules sur un grand champ de vue sans aucune étape biochimique supplémentaire.
Cette thèse propose de développer un système d’imagerie holographique 3D pour le suivi des cellules adhérentes en temps quasi-réel, avec des algorithmes avancés pour la reconstruction et l’analyse d’images. Le système testé en terme de précision et robustesse sur des cultures biologiques variées. L’utilisation de l’apprentissage profond permettra la segmentation et l'analyse des cellules en temps quasi-réel, facilitant ainsi le suivi des dynamiques cellulaires. Ce projet innovant promet d'optimiser les procédés biologiques en offrant une vision non invasive des échantillons multicellulaires en 3D, avec des applications potentielles comme le suivi d’organes-sur-puce et de systèmes cellulaires complexes.