Nouvel outil de diagnostic rapide pour la septicémie : biopuce microfluidique pour la détection multicible par amplification isotherme
Le sepsis est l’une des principales causes de mortalité dans le monde qui résulte généralement d’une infection bactérienne mais peut être aussi causé par des virus, des champignons ou des parasites. Un diagnostic rapide est essentiel pour une prise en charge efficace et augmenter les chances de survie du patient. Il existe des solutions commerciales de détection d’acides nucléiques par qPCR capable de détecter plusieurs cibles. Cependant ces techniques sont limitées par le nombre de canaux de fluorescence disponible sur l’instrument ou par le nombre de chambre de lecture. Ces techniques d’amorces LAMP (amplification isotherme en temps réel) spécifiques sur un support solide tel que le COC ou le verre.
Les résultats attendus sont l’élaboration d’une biopuce permettant de détecter en temps réel et en quelques minutes fragmentent l’échantillon pour pouvoir être multiplexe, ce qui conduit à une perte de sensibilité.
Pour répondre à la question : comment détecter plusieurs cibles sans perdre en sensibilité ? Le doctorant devra réaliser dans une unique chambre réactionnelle, une détection multiplexe par régionalisation plusieurs ADN cibles, comprenant : le design et le choix des amorces, l’immobilisation des amorces par fonctionnalisation de surface, l’intégration en carte micro fluidique et le traitement des données pour la détection par fluorescence de sondes spécifiques des cibles.
Cette innovation technologique, permettra au doctorant d’acquérir de solides compétences dans divers domaines tels que la biologie moléculaire, la fonctionnalisation de surface, la modélisation et la simulation tout en s’inscrivant dans une équipe pluridisciplinaire.
Suivi en ligne des procédés de bio-production par imagerie holographique 3D
La culture des cellules adhérentes sur microcarriers (MCs) 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 sur MCs en temps quasi-réel, avec des algorithmes avancés pour la reconstruction et l’analyse d’images. Ce système sera intégré dans des bioréacteurs en ligne, testant sa précision et sa 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.
Sperm 3D - Outil de diagnostic de l'infertilité masculine utilisant l'holographie pour l'imagerie et le suivi en 3D
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, un cas d'infertilité masculine sur cinq 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 modernes 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.
Détection d'oeufs de parasites par imagerie sans lentilles grand champ assistée par intelligence artificielle
Dans la plupart des cycles parasitaires, la phase libre passe par un stade d'œuf, qui est libéré par l'hôte dans l'environnement via une matrice fécale complexe, qui présente des concentrations d'œufs très variables et souvent faibles. La méthode de détection classique repose sur l’observation microscopique de ces œufs, ce qui implique une préparation fastidieuse et longue de l'échantillon pour concentrer les œufs, avec des valeurs de sensibilité très variables. Cette détection est cruciale car une fois dispersés, les œufs contaminent l'environnement et les denrées alimentaires, entraînant des cas de zoonoses parasitaires chez l'homme.
La détection dans les matrices environnementales et alimentaires est encore plus complexe que pour les matières fécales en raison du très faible nombre d'œufs présents : 1 à 10 par échantillon dans la grande majorité des cas. La thèse vise à développer un système d'imagerie sans lentille grand champ, qui permettra de compter et d'identifier des œufs de parasites dans des matrices complexes, tout en augmentant la sensibilité. Cela permettra d'automatiser la détection, ouvrant ainsi des perspectives d'investigation sur un plus grand nombre d’échantillons, pour une meilleure veille sanitaire.
Diagnostic précoce du sepsis à l’aide d’une biopuce à base de capteurs GMR
Le sepsis, réponse immunitaire extrême et dérégulée face à une infection qui se propage alors dans le sang, peut entraîner un dysfonctionnement d’organes pouvant conduire à la mort du patient (11 millions de morts dans le monde chaque année). La biopuce brevetée à base de capteurs GMR (Giant MagnetoResistance) que nous avons développée présente un réel potentiel pour une détection précoce des agents pathogènes impliqués dans le sepsis ou des biomarqueurs de la maladie, présents en très faible quantité dans le sang, sans étape de culture. L’approche innovante que nous proposons est transversale car basée sur l’utilisation de nanoparticules magnétiques (NPM), fonctionnalisées par des anticorps monoclonaux produits au laboratoire LERI, dirigés contre les objets biologiques cibles (cellules bactéries levures etc..) qui sont détectées un à un dynamiquement et de manière simultanée par les capteurs GMR disposés de part et d’autre d’un canal microfluidique dans lequel ils circulent. La preuve de concept de cette biopuce a été obtenue sur un modèle de cellules myélomateuses murines. Nous avons pu atteindre une sensibilité et une spécificité avec ce modèle qui rend notre technique très compétitive par rapport aux tests Point-of-Care existants. Il est cependant nécessaire de valider ces résultats sur des agents pathogènes.
Au cours de la thèse, deux objectifs seront définis. Dans la continuité de la thèse actuelle, Le premier objectif de l’étudiant au LNO sera d’adapter la biopuce (capteurs, microfluidique et traitement des signaux) afin qu’elle soit sensible et rapide pour la détection de bactéries et de levures impliqués dans le sepsis dans des échantillons sanguins. Au LERI, il devra optimiser le marquage magnétique des bactéries et des levures dans cette matrice clinique au moyen de NPM commerciales fonctionnalisées par un ou plusieurs anticorps dirigés contre la cible. Cette étape de la thèse se déroulera en étroite collaboration avec le Service de Bactériologie et Hygiène de l’hôpital Béclère (également membre de l’IHU) qui préconisera et fournira des souches de bactéries et levures pertinentes à détecter, ainsi que des échantillons cliniques. Une des biopuces GMR sera installée à l'Hôpital Béclère pour des mesures en conditions réelles. Le second objectif consistera à essayer de quantifier la diminution de l’expression monocytaire des molécules mHLA-DR qui est un indicateur de l’état d’immunosuppression du sepsis associé à un risque infectieux et une mortalité majorés.
Détection micro-onde champ proche en milieux hétérogènes
Cette thèse porte sur le développement de techniques de détection en champ proche par micro-ondes pour des applications en biomédecine, agronomie et géophysique. L'objectif principal est de concevoir des algorithmes peu complexes qui résolvent efficacement des problèmes inverses liés à la caractérisation et à la détection des propriétés diélectriques avec diverses distributions géométriques dans des milieux hétérogènes.
Le candidat commencera par effectuer une revue complète des méthodes existantes de détection radar et de traitement du signal avancé. Un modèle physique précis de la propagation des micro-ondes en champ proche sera élaboré, servant de base à de nouvelles méthodes de détection basées sur le concept de tomographie itérative pilotée par la physique. L'objectif final est de formuler des algorithmes efficaces, adaptés aux applications en temps réel, et de les valider par une mise en œuvre expérimentale. À cette fin, un prototype évolutif sera développé, passant de milieux 2D à des scénarios 3D plus complexes.
Ce projet interdisciplinaire combine la modélisation physique, le développement d'algorithmes et l'expérimentation pratique. Il offre l'opportunité de faire progresser le domaine de l'imagerie par micro-ondes, avec des implications majeures pour les applications biomédicales et environnementales.
Développement d’une plateforme microfluidique bioanalytique pour quantifier la bio distribution cellulaire d’un médicament
Le mode d'action d’un médicament, ainsi que son efficacité, sont corrélés non seulement à sa capacité à s’accumuler au niveau des tissus pathologiques ciblés, à savoir sa bio distribution tissulaire, mais également à atteindre spécifiquement sa cible moléculaire au sein des cellules. Une accumulation non spécifique d’un médicament dans ces cellules peut être à l’origine d’effets non-désirés, par exemple des effets secondaires lors de chimiothérapies. En d’autres termes, évaluer l’efficacité, la spécificité et l’absence de toxicité d’un médicament nécessite de déterminer précisément et de façon quantitative sa bio distribution cellulaire. Devenus incontournable en oncologie, les conjugués anticorps-médicaments (ADC) permettent une thérapie vectorisée afin de cibler préférentiellement au sein d’une tumeur un sous-ensemble de cellules tumorales exprimant l’antigène reconnu par l’anticorps.
Ces ADC ciblent des cellules tumorales spécifiques exprimant un antigène particulier, limitant ainsi la toxicité pour les tissus sains. Le marquage radioactif des médicaments (3H, 14C) est une méthode clé pour quantifier leur accumulation dans les cellules tumorales et non tumorales, afin d’évaluer la précision du ciblage et éviter les effets secondaires indésirables. Cependant, la détection des faibles émissions de tritium nécessite de nouvelles solutions technologiques. Le projet propose le développement d'une plateforme microfluidique innovante permettant de détecter et quantifier ces isotopes dans des cellules uniques. Cette approche permettra de mieux documenter la distribution des ADC dans des tissus hétérogènes et d’affiner les stratégies thérapeutiques.