Développement d'une plate-forme de criblage thérapeutique pour les pathologies intestinales grâce à un colon-sur-puce // Development of a therapeutic screening platform for intestinal pathologies using a colon-on-a-chip

Cette thèse sera réalisée dans le cadre d'un projet prioritaire du programme national PEPR MED-OOC (https://www.pepr-medooc.fr/).

L'épithélium intestinal constitue l'une des principales interfaces entre l'environnement extérieur et notre milieu intérieur. Il forme une barrière dynamique permettant l'absorption des nutriments et l'exclusion des composés nocifs de la lumière, tout en assurant le prélèvement d'antigènes dans le tube digestif. Cette capacité à filtrer les éléments absorbés tout en protégeant contre les substances nocives définit la fonction de barrière intestinale (IBF). L'IBF est altérée dans les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI), ainsi que dans certains cancers. Les MICI se caractérisent par une inflammation chronique et une régénération intestinale altérée, entraînant une cicatrisation incomplète. Si l'inflammation peut être traitée par des anti-inflammatoires, aucun traitement actuel ne permet la restauration complète de l'épithélium avec toutes ses fonctions. Les cellules souches intestinales (ISC), situées dans les cryptes, assurent le renouvellement rapide (en une semaine) de la muqueuse intestinale. Dans les MICI, leurs capacités régénératives sont altérées. Malgré de nombreux travaux, les mécanismes régissant la régénération des ISC humaines restent partiellement élucidés.

Les organoïdes intestinaux 3D permettent de modéliser l'épithélium intestinal et d'étudier la capacité des ISC à reformer un tissu fonctionnel. Cependant, cultivés dans un Matrigel™, ils ne reproduisent pas fidèlement la topologie du côlon et limitent l'accès au compartiment luminal. Des modèles in vitro plus avancés, tels que les organes-sur-puce, sont donc nécessaires. Ceux-ci permettent de contrôler des paramètres comme la topologie tissulaire, la rigidité ou les flux de nutriments, afin d'étudier l'interface lumière/épithélium et les effets de l'architecture sur le comportement cellulaire. Le colon-sur-puce humain est une technologie innovante offrant une alternative aux modèles animaux en reproduisant la physiologie humaine à l'échelle cellulaire. Ces dispositifs surmontent les limites des cultures cellulaires 2D classiques en recréant une organisation 3D et des signaux microenvironnementaux pertinents. Contrairement aux modèles animaux, ils sont adaptables au criblage à haut contenu ou haut débit, utile pour le développement préclinique de médicaments.

Nous avons récemment breveté un colon-sur-puce offrant un contrôle dynamique des compartiments luminal et basal via l'injection de milieux, médicaments, colorants, anticorps, microbiote, etc., permettant la création de gradients et l'analyse en temps réel du flux sortant (pH, O₂, lactate…) via spectrométrie de masse. Nous avons conçu la chambre microfluidique hébergeant l'échafaudage de gel, fonctionnalisé l'hydrogel avec du collagène I, et établi les conditions pour cultiver organoïdes et fibroblastes du côlon humain en 2D. Ce dispositif, ensemencé avec des organoïdes dérivés de patients et des fibroblastes (sains et MICI), constitue un outil innovant et puissant pour étudier la régénération intestinale humaine. Il permettra aussi d'analyser les facteurs impactant l'épithélium du côlon dans les MICI : IBF, interaction avec le microbiote, effets des nutriments, contaminants ou polluants, ainsi que le criblage de médicaments.
Objectifs :
1. Optimisation du colon MPS humain.
2. Validation de l'établissement des cultures tissulaires.
3. Criblage de médicaments sur tissus sains et MICI.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

This thesis will be carried out as part of a priority project of the national PEPR MED-OOC program (https://www.pepr-medooc.fr/).

The intestinal epithelium constitutes one of the main interfaces between the external environment and our internal environment. It forms a dynamic barrier allowing the absorption of nutrients and the exclusion of harmful compounds from the lumen, while ensuring the uptake of antigens in the digestive tract. This ability to filter absorbed elements while protecting against harmful substances defines the intestinal barrier function (IBF). The IBF is impaired in inflammatory bowel disease (IBD), as well as in certain cancers. IBD is characterized by chronic inflammation and impaired intestinal regeneration, leading to incomplete healing. While inflammation can be treated with anti-inflammatory drugs, no current treatment allows the complete restoration of the epithelium and all its functions. Intestinal stem cells (ISCs), located in the crypts, ensure the rapid renewal (within one week) of the intestinal mucosa. In IBD, their regenerative capacities are impaired. Despite extensive research, the mechanisms governing the regeneration of human ISCs remain partially elucidated.

3D intestinal organoids make it possible to model the intestinal epithelium and study the ability of ISCs to reform functional tissue. However, when cultured in Matrigel™, they do not faithfully reproduce the topology of the colon and limit access to the luminal compartment. More advanced in vitro models, such as organs-on-chips, are therefore required. These allow for the control of parameters such as tissue topology, stiffness, and nutrient flow, in order to study the lumen/epithelium interface and the effects of architecture on cellular behavior. The human colon-on-chip is an innovative technology offering an alternative to animal models by reproducing human physiology at the cellular level. These devices overcome the limitations of conventional 2D cell cultures by recreating 3D organization and relevant microenvironmental signals. Unlike animal models, they are adaptable to high-content or high-throughput screening, useful for preclinical drug development.

We recently patented a colon-on-a-chip offering dynamic control of the luminal and basal compartments via the injection of media, drugs, dyes, antibodies, microbiota, etc., enabling the creation of gradients and real-time analysis of outflow (pH, O₂, lactate, etc.) via mass spectrometry. We designed the microfluidic chamber housing the gel scaffold, functionalized the hydrogel with collagen I, and established the conditions for culturing human colon organoids and fibroblasts in 2D. This device, seeded with patient-derived organoids and fibroblasts (healthy and IBD), constitutes an innovative and powerful tool for studying human intestinal regeneration. It will also allow for the analysis of factors impacting the colonic epithelium in IBD: IBF, interaction with the microbiota, effects of nutrients, contaminants, or pollutants, as well as drug screening.
Objectives:
1. Optimization of human colon MPS.
2. Validation of tissue culture establishment.
3. Drug screening in healthy tissues and IBD.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/11/2025
WEB : https://www.pepr-medooc.fr/projet/technologie-pour-lingenierie-des-microenvironnements-et-limagerie-pour-les-organes-sur-puce/

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Toulouse

151 BSB - Biologie, Santé, Biotechnologies

Le/la candidat(e) doit avoir un intérêt particulier pour les domaines des cellules souches, de la régénération tissulaire et la bio-ingénierie. Il/elle doit avoir validé un Master 2 Recherche avec Mention dans les domaines de la biologie cellulaire, la biochimie, la physiopathologie, la bioingénierie ou la biophysique. Idéalement, il/elle posséderait également des connaissances en culture primaire de cellules humaines, cultures en 3, analyses transcriptionnelles, biomatériaux, microfluidique et analyse d'images. Il/elle est motivé.e, organisé.e, rigoureux/se, autonome, possède un excellent esprit d'équipe et aime le travail d'équipe.
The candidate must have a particular interest in the fields of stem cells, tissue regeneration and bioengineering. He/she must have completed a Master 2 Research with Honors in the fields of cell biology, biochemistry, pathophysiology, bioengineering or biophysics. Ideally, he/she would also have knowledge in primary culture of human cells, 3-way cultures, transcriptional analyses, biomaterials, microfluidics and image analysis. He/she is motivated, organized, rigorous, autonomous, has an excellent team spirit and enjoys teamwork.