Thèse Développement d'Une Plateforme Pharmacovolatilomique In Vitro du Modèle d'Exploration Physiopathologique au Dispositif de Diagnostic Clinique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health École doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants Laboratoire de recherche : Infection et inflammation Direction de la thèse : Stanislas GRASSIN-DELYLE ORCID 0000000157474432 Début de la thèse : 2027-01-04 Date limite de candidature : 2026-12-01T23:59:59 Le sepsis cause environ 11 millions de décès par an, et chaque heure de retard dans l'instauration d'une antibiothérapie adaptée augmente la mortalité d'environ 8%. Or, les méthodes diagnostiques fondées sur la culture microbiologique nécessitent 24 à 72 heures pour identifier le pathogène et son profil de sensibilité aux antibiotiques. La volatilomique, analyse des composés organiques volatils (COV), constitue une approche diagnostique prometteuse. Notre équipe a ainsi identifié dans l'air expiré des signatures volatiles de la COVID-19, d'autres pathologies pulmonaires ou de la réponse aux médicaments. Toutefois, la volatilomique conventionnelle se heurte à une forte variabilité inter-individuelle et à un chevauchement des signatures entre pathologies, qui limitent sa spécificité ; en outre, l'origine cellulaire et métabolique des COV détectés reste mal décrite.
Cette thèse propose deux stratégies complémentaires pour résoudre ces limites : (i) le recours à des modèles cellulaires in vitro contrôlés, permettant d'isoler l'origine biologique des COV en s'affranchissant des facteurs confondants cliniques ; (ii) la pharmacovolatilomique induite, qui exploite des sondes moléculaires exogènes activées spécifiquement par des enzymes de pathogènes et libérant un traceur volatil marqué.
L'objectif est de développer, au sein de l'IHU SEPSIS, une plateforme à deux modules. Le module d'exploration physiopathologique repose sur la culture de cellules épithéliales en interface air-liquide (ALI), exposées à des agents pathogènes ou pharmacologiques, avec prélèvement des COV de l'espace de tête sur tubes de désorption thermique ou analyse directe par spectrométrie de masse en temps réel. Le module de diagnostic biologique repose sur un système automatisé d'incubation d'échantillons sanguins en présence de sondes moléculaires ; la détection en temps réel des traceurs volatils libérés doit permettre d'établir rapidement la présence de bactéries, leur espèce et leur phénotype de sensibilité aux antibiotiques. Ces modules partagent des verrous technologiques communs (bruit de fond, humidité, température, matériaux, collecte des COV, automatisation), dont la résolution permettra de mettre en place une plateforme de volatilomique capable de caractériser avec sensibilité et spécificité les altérations métaboliques associées à l'infection et à la réponse thérapeutique, du modèle cellulaire jusqu'au dispositif diagnostique translationnel adapté au sepsis.
Les travaux s'articulent autour de quatre objectifs spécifiques : (1) consolider la caractérisation et l'optimisation d'un prototype existant du module d'exploration (robustesse, reproductibilité, marqueurs cellulaires) ; (2) l'appliquer à des modèles de co-culture cellules humaines-pathogènes et à des modèles pharmacologiques pour identifier des biomarqueurs de l'infection et de la réponse aux médicaments ; (3) concevoir, construire et qualifier le module diagnostique couplé à la spectrométrie de masse en temps réel, et valider la détection des sondes marquées synthétisées par les partenaires ; (4) valider ce module sur des modèles expérimentaux d'infection sanguine, puis sur des échantillons cliniques de patients septiques, afin d'identifier des signatures spécifiques des pathogènes et de leurs profils de résistance.
Des résultats préliminaires soutiennent la faisabilité : un premier prototype a permis d'identifier des COV émis par des cellules épithéliales pulmonaires en ALI et leurs variations après exposition à des agents pro-inflammatoires ou pharmacologiques. Par ailleurs, des sondes antibiotique-traceur ont été synthétisées, une fois activées par des enzymes leur traceur a pu être détecté. Une preuve de concept préclinique a aussi été obtenue dans un modèle murin. À terme, ce projet vise à transformer la compréhension et le diagnostic du sepsis, à réduire sa morbimortalité et le mésusage des antibiotiques, avec des retombées possibles pour d'autres pathologies et domaines applicatifs. - Un besoin diagnostique dans les infections sévères

Le sepsis constitue l'une des principales causes de mortalité évitable dans le monde, avec environ 11 millions de décès annuels et une augmentation de la mortalité d'environ 8 % par heure de traitement antibiotique retardé. Les méthodes diagnostiques actuelles, reposant sur la culture microbiologique, nécessitent généralement 24 à 72 heures pour identifier l'agent pathogène et son profil de sensibilité aux antibiotiques, un délai incompatible avec la fenêtre thérapeutique de 6 heures recommandée pour l'instauration d'une antibiothérapie adaptée.

- La volatilomique, une approche innovante dans les maladies infectieuses
Notre équipe a développé une expertise en volatilomique, l'analyse des composés organiques volatils (COV). L'air exhalé contient des centaines de COV, métabolites volatils issus du métabolisme endogène de l'hôte, de l'activité microbienne ou de l'environnement. Grâce à des méthodes de spectrométrie de masse en temps réel ou hors ligne, nous avons identifié dans l'air expiré de patients des signatures volatiles de la COVID-19, d'autres infections et pathologies pulmonaires, ou de la réponse aux médicaments. Cependant, la volatilomique conventionnelle, reposant sur la détection de COV endogènes, se heurte à une variabilité inter-individuelle importante et à un chevauchement des signatures entre pathologies, limitant sa spécificité clinique. De plus, l'origine cellulaire et métabolique des COV détectés dans l'air expiré des patients reste très mal décrite.
Deux stratégies complémentaires peuvent être mises en oeuvre pour explorer ces aspects : (i) le recours à des modèles cellulaires in vitro contrôlés, permettant d'isoler l'origine biologique exacte des COV en s'affranchissant des facteurs confondants cliniques ; et (ii) le recours à la « pharmacovolatilomique induite », exploitant des sondes moléculaires exogènes, activées spécifiquement par des enzymes pathogènes et libérant un traceur volatil marqué. Ces deux aspects sont au coeur du projet de doctorat.
Les objectifs de cette thèse sont de développer, au sein de l'IHU SEPSIS, une plateforme multifonction composée d'un module d'exploration physiopathologique adapté à la découverte de biomarqueurs du sepsis et de la réponse aux médicaments, et d'un module diagnostique.

Module d'exploration physiopathologique :
Le module d'exploration physiopathologique in vitro reposera sur la culture de cellules épithéliales en interface air-liquide (ALI) et leur exposition à des agents pathogènes et pharmacologiques, associées soit au prélèvement actif des COV émis dans l'espace de tête sur tubes de désorption (pour analyse ultérieure par spectrométrie de masse hors ligne), soit à l'analyse directe par spectrométrie de masse en temps réel.

Module de diagnostic biologique :
Le module diagnostique reposera sur une approche pharmacovolatilomique innovante, exploitant un système automatisé d'incubation des fluides biologiques en présence de sondes moléculaires libérant des traceurs volatils marqués en présence des pathogènes d'intérêt ciblés. Le signal de ces traceurs, détecté en temps réel dans l'espace de tête d'échantillons sanguins, permettra de déterminer simultanément et rapidement la présence de bactéries, leur espèce et leur phénotype de sensibilité aux antibiotiques.

Le/la candidat(e) sera titulaire, ou en cours d'obtention, d'un Master 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en biotechnologies, chimie analytique ou biologie. Le projet est interdisciplinaire, à l'interface entre ingénierie instrumentale, chimie analytique et biologie. Nous recherchons donc un profil curieux et proactif, capable de s'approprier des compétences complémentaires à sa formation initiale.

Compétences scientifiques et techniques attendues :
Goût prononcé pour le développement instrumental et le prototypage : conception de dispositifs, contrôle de paramètres physiques, automatisation. Des notions d'électronique ou de programmation (Arduino, Raspberry Pi) seraient un atout.
Intérêt marqué pour la chimie analytique et la spectrométrie de masse. Une première expérience en GC-MS, désorption thermique ou spectrométrie de masse en temps réel serait appréciée.
Bases en biologie cellulaire et microbiologie, avec une expérience de la culture cellulaire. Une connaissance de la culture en ALI serait un plus.

Qualités personnelles :
Autonomie, esprit d'initiative et capacité à résoudre des problèmes techniques.
Rigueur expérimentale et sens de l'organisation, indispensables à la reproductibilité des protocoles.
Aptitude au travail en équipe dans un environnement multi-sites (laboratoire universitaire, plateforme hospitalière...) et au dialogue avec des interlocuteurs de disciplines variées : chimistes, microbiologistes, cliniciens, data scientists.
Intérêt pour la recherche translationnelle et les applications cliniques, notamment la manipulation d'échantillons biologiques humains.
Bonnes capacités de communication écrite et orale en français et en anglais scientifique.

• Arduino
• Programmation
• Anglais
• Travail en équipe
• Autonomie
• Pro-activité
• Spectrométrie de masse
• Français
• Sens de l’organisation
• Chimie