Thèse Suivi et Diagnostic Électrique de Sphéroïdes Cancéreux en Biopuce H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies Direction de la thèse : Emile MARTINCIC ORCID 0000000082511300 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 La caractérisation de cellules isolées ou assemblées en structure 3D de type sphéroïdes, et le suivi de leur évolution et/ou modifications au cours du temps, peut être obtenue par des mesures de paramètres électriques grâce à la mise en oeuvre d'une puce microfluidique appareillée.
Les caractéristiques électriques des cellules peuvent être obtenues par le biais d'une mesure d'impédance. De plus, l'application de champ électrique sur une cellule peut amener à la déformation de cette dernière (électrodéformation [Engelhardt, 1988]), et permettre ainsi l'obtention d'une signature mécanique (stress/ déformation). Une cellule soumise à un champ électrique tournant est entraînée en rotation avec une vitesse qui dépend de la composition de sa membrane et de son contenu intracellulaire [Lin, 2018, Trainito, 2015, Trainito, 2019]. En variant la pulsation électrique de ce champ, on obtient un spectre d'électrorotation, qui dépend étroitement des propriétés diélectriques de la cellule [Arnold, 1988]. La convergence de ce spectre expérimental vers le modèle théorique établi par la théorie des milieux complexes de Maxwell-Garnett [Garnett, 1904], permet d'estimer la permittivité, la conductivité et la quantité des différents composés cellulaires.
L'équipe de l'ENS Paris-Saclay a pu montrer pour la première fois que cette technique de l'électrorotation permet de caractériser le degré d'invasivité de cellules cancéreuses [Trainito, 2019 ; Nguyen Mai, 2020]. L'étude des spectres d'électrorotation a permis de montrer que (i) la capacité membranaire et (ii) les conductivités membranaire et intracellulaire augmentent pour les cellules les plus invasives (lignée cellulaire MOSE, mouse ovarian surface epithelial). Le niveau d'invasivité des cellules est également corrélé à leur rigidité [Swaminathan, 2011].
Le département MNBF du C2N développe des dispositifs originaux ou uniques destinés à la culture d'organes sur puce (organoïdes, organes sur puces ou sphéroïdes). Les précédents travaux ([Ugrinic, 2023]) menés en collaboration avec l'IGPS-Nanomed ont permis de réaliser et tester une puce de culture pionnière et de valider la pertinence de l'approche. Au sein de l'équipe Nanomed de l'IGPS, les modèles de culture cellulaire en 3D sont couramment utilisés comme outil de criblage prédictif préclinique. Grâce à ces sphéroïdes, composés d'un ou de plusieurs types cellulaires, il est possible d'étudier la capacité des nanomédicaments à traverser les barrières biologiques présentes dans la tumeur et dans son microenvironnement, ainsi qu'à délivrer efficacement l'agent thérapeutique aux cellules cibles ([Lazzari, Gianpiero, 2018, Pautu, Vincent, 2021, Bidan, Nadège, 2022]).
Dans le projet de thèse (36 mois), l'objectif est de mener des caractérisations électriques et éventuellement mécaniques (électrorotation), en pseudo-continu durant la culture d'un sphéroïde tumoral (en monoculture de cellules cancéreuses ou en co-culture avec des cellules du microenvironnement telles que les fibroblastes et/ou les macrophages). Les applications visées relèvent du domaine de la santé, et concernent en particulier la détermination des propriétés cancéreuses de cellules eucaryotes avec l'objectif de mieux comprendre le développement et la progression de la pathologie ainsi que les interactions entre les cellules cancéreuses et leur microenvironnement.
Les essais précliniques, c'est-à-dire les études qui permettent de tester l'efficacité et la toxicité d'un médicament, sont principalement réalisés sur des animaux. Cependant, ces études parviennent très imparfaitement à prédire les résultats des essais cliniques chez l'homme : moins de 8% des études animales réussies pour des thérapies contre le cancer aboutissent à des essais cliniques sur l'homme [Chen-2023].
Pour résoudre ce problème de transposition et répondre aux préoccupations éthiques grandissantes liées à l'expérimentation animale, des modèles de cultures cellulaires in vitro, qui consistent à faire croître les cellules en dehors de leur milieu naturel, ont été développés. Les premiers modèlesde cultures réalisés en 2D et permettant de reproduire a minima le microenvironnement des cellules [Edmond-2013], sont bien
maîtrisées.
Cependant, les cultures 2D ne permettent pas de rendre compte de l'organisation spatiale des cellules obtenue in-vivo. Ces considérations ont conduit au développement de modèles de cultures en 3D qui offrent
une meilleure représentation de la complexité spatiale des cellules vivantes. L'influence de cette organisation 3D revêt un caractère primordial notamment dans le cas des tumeurs, voire dans la perspective de culture d'organes viables.
Les premières cultures 3D ont été obtenues par la réalisation de puces de culture comportant plusieurs compartiments permettant la coculture de différents types cellulaires. De plus, le suivi des cultures d'organoîdes est actuellement réalisé par microscopie optique mais pourrait avantageusement être complété par des mesures électriques/électroniques des propriétés de l'organoïde comme de son environnement. Une puce de culture instrumentée serait une avancée majeure pour la recherche biologique
sur les organes sur puce/organoïdes. Objectifs scientifiques (fabrication) :
- Conception et réalisation d'une puce de culture instrumentée de sphéroïdes cancéreux
- Intégration d'un capteurs in-situ pour le suivi et la caractérisation
Objectifs qualitatifs :
- amélioration des conditions de culture de sphéroïdes
- amélioration des conditions de suivi de la culture de sphéroïdes
- développement d'un outil de suivi non invasif en temps réel
Objectifs scientifiques (long terme) :
- études fondamentales sur les effets des nanomédicaments (ou autres) sur les dynamiques de croissance ou de résorption des tumeurs
- identfication des meilleurs agents thérapeutiques permettant de passer outre les barrières biologiques qui limitent l'exposition des tumeurs aux traitements.
Durant la première année de thèse, une puce de culture dédiée spécifiquement aux expériences envisagées sera conçue et fabriquée. Une attention particulière sera apportée aux technologies de fabrication qui devront permettre une fabrication en petite série des dispositifs de culture. En parallèle, l'instrumentation de mesure électrique/électronique sera développée et mise en place. La seconde année sera dédiée à la culture des sphéroïdes (dont plusieurs protocoles de fabrication ont été déjà optimisés) qui seront introduits dans la puce et au suivi régulier de leurs propriétés électriques (impédance).
Le fonctionnement du dispositif sera validé avec la culture de sphéroïdes pancréatiques. Nous bénéficions pour ce projet des collaborations établies avec les laboratoires de biologie capables de fournir ces sphéroïdes. Les propriétés des sphéroïdes obtenus seront qualifiées à l'aide des mesures obtenues avec les capteurs intégrés, en comparaison avec des immunomarquages.
Enfin, au cours de la troisième année, de nouveaux paramètres électriques, dépendants des conditions physiologiques du sphéroïde, seront évalués par la méthode d'électrorotation.

Le projet est fortement interdiciplinaire et demande un esprit ouvert.
Les Masters étant spécialisés, de nombreux profils peuvent convenir.
Le profil recherché est celui d'un étudiant de M2 ayant un passé en sciences et une expérience en nano/microtechnologies, physique ou éventuellement biologie capable de travailler à l'interface de ces spécialités.