In vivo in situ cell metabolism monitoring using multiphoton excited intrinsic fluorescence lifetime imaging through a double clad optical fiber.

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
In vivo in situ cell metabolism monitoring using multiphoton excited intrinsic fluorescence lifetime imaging through a double clad optical fiber.
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Biologie, médecine, sant
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Département Photonique de XLIM, projet Biophotonique.
Date Limite de candidature : 15/05/2014
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Présentation de l’équipe de recherche
Responsables: Prof. Frédéric Louradour (XLIM-Photonique) et Dr. Rod O’ Connor (titulaire de la chaire Santé du LABEX-SIGMALIM – biophotonique – biophysique).

Co-encadrements: Guillaume Ducourthial (chercheur doctorant, photonique, XLIM), Dr. Tigran Mansuryan (chercheur postdoctorant, photonique, XLIM) et Dr. Julien Brevier (enseignant-chercheur, biophotonique, biophysique, XLIM), Dr. Sylvia Bardet-Coste (chercheur postdoctorant, biologie, LABEX-SIGMALIM).

Résumé de la thèse en français
L’étude d’une pathologie et la recherche d’un moyen thérapeutique associé passent par le suivi du métabolisme cellulaire in vivo in situ. Celui-ci dépend des concentrations de certains constituants intracellulaires fondamentaux dont notamment le NADH. Cette molécule se cache au sein de la cellule dans un mélange complexe parmi un grand nombre d’autres constituants moléculaires (flavines, porphyrines, etc. …) ayant des signatures spectro-fluorimétriques très voisines. Afin de cibler spécifiquement le NADH nous utiliserons dans ce projet la mesure de durée de vie de fluorescence (FLIM = fluorescence lifetime imaging microscopy) par excitation multiphotonique. Il a été montré qu’une configuration évoluée du FLIM, dite «FLIM PHASOR», permet en effet d’accéder à la composition d’un mélange complexe de substances fluorescences 1]. Jusqu’à ce jour le suivi du métabolisme cellulaire à l’aide de cette technique innovante a eu lieu uniquement sur cultures cellulaires et tissulaires in vitro. L’objectif de la thèse est de démontrer que le suivi du métabolisme cellulaire par la technique FLIM PHASOR est également possible in vivo in situ au sein d’un organisme vivant par voie endoscopique. Pour cela nous proposons de combiner le microscope multiphotonique miniature qui a été développé récemment à XLIM (ANR Invivo-ONL, Physicancer, soutiens région Limousin) à un détecteur optique spécifique fonctionnant en régime de comptage de photons résolu en temps. La thèse comprend d’une part des développements instrumentaux (optimisations de la fibre optique endoscopique à double gaine et de la micro-optique associée, mise au point du traitement du signal «FLIM PHASOR», validation sur fantômes in vitro). Dans un deuxième temps il s’agira de démontrer l’efficacité du dispositif dans un contexte biologique réel. Cette étude aura un cadre thérapeutique en lien avec l’électrothérapie du cancer à l’aide d’impulsions électromagnétiques brèves qui est un axe de recherche prioritaire du LABEX SIGMALIM.Ces développements instrumentaux seront également directement applicables à la thermométrie intracellulaire à haute résolution [2] qui constitue un autre sujet fondamental de la biologie moderne.

[1] “Phasor approach to fluorescence lifetime microscopy distinguishes different metabolic states of germ cells in a live tissue”, C. Stingari et al., PNAS, 108, 33, pp. 13582–13587 (2011).
[2] “Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy”, K. Okabe et al., Nature Communications,
DOI: 10.1038/ncomms1714 (2012).

Résumé de la thèse en anglais
The accurate study of pathology and the quest for new therapeutic tools requires the monitoring of cellular metabolism in vivo in situ. Cellular metabolism can be measured through the fluorescence of intrinsic intracellular substrates such as NADH. The fluorescence of this molecule is hidden inside a complex mixture comprising several other components (flavins, porphyrins, etc. …) having similar spectrofluorimetric signatures. In order to specifically target NADH we intend to make use of fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) under multiphotonic (MP) excitation. Indeed it has been demonstrated that an advanced version of FLIM, named “PHASOR FLIM” [1], is able to discriminate NADH among the other cellular intrinsic fluorophores. Up to now cellular metabolism monitoring via FLIM PHASOR has been applied only to cellular and tissular cultures in vitro. The aim of the present project is to demonstrate that it is also applicable in vivo in situ inside a living organism in an endoscopic manner. We propose combining the multiphotonic imaging miniature probe recently developed at XLIM (ANR Invivo-ONL, Physicancer, Region Limousin) to a dedicated detector operating in the time-resolved photon-counting regime. The M2 research stage and the thesis will first consist of instrumental developments (double-clad endoscopic optical fiber and micro-optics optimizations, “PHASOR FLIM” signal processing, validation with artificial phantoms in vitro). During a second step the efficiency of the device will be tested in a real biological context in vivo in situ. It could be applied to the monitoring of an innovative cancer electrotherapy involving ultrashort electromagnetic pulses which is a priority of SIGMALIM LABEX. It could also be applied to in vivo in situ cellular thermometry high resolution mapping [2] which is another fundamental issue of modern biology.

[1] “Phasor approach to fluorescence lifetime microscopy distinguishes different metabolic states of germ cells in a live tissue”, C. Stingari et al., PNAS, 108, 33, pp. 13582–13587 (2011).
[2] “Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy”, K. Okabe et al., Nature Communications,
DOI: 10.1038/ncomms1714 (2012).

Description complète du sujet de thèse
The accurate study of pathology and the quest for new therapeutic tools requires the monitoring of cellular metabolism in vivo in situ. Cellular metabolism can be measured through the fluorescence of intrinsic intracellular substrates such as NADH. The fluorescence of this molecule is hidden inside a complex mixture comprising several other components (flavins, porphyrins, etc. …) having similar spectrofluorimetric signatures. In order to specifically target NADH we intend to make use of fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) under multiphotonic (MP) excitation. Indeed it has been demonstrated that an advanced version of FLIM, named “PHASOR FLIM” [1], is able to discriminate NADH among the other cellular intrinsic fluorophores. Up to now cellular metabolism monitoring via FLIM PHASOR has been applied only to cellular and tissular cultures in vitro. The aim of the present project is to demonstrate that it is also applicable in vivo in situ inside a living organism in an endoscopic manner. We propose combining the multiphotonic imaging miniature probe recently developed at XLIM (ANR Invivo-ONL, Physicancer, Region Limousin) to a dedicated detector operating in the time-resolved photon-counting regime. The M2 research stage and the thesis will first consist of instrumental developments (double-clad endoscopic optical fiber and micro-optics optimizations, “PHASOR FLIM” signal processing, validation with artificial phantoms in vitro). During a second step the efficiency of the device will be tested in a real biological context in vivo in situ. It could be applied to the monitoring of an innovative cancer electrotherapy involving ultrashort electromagnetic pulses which is a priority of SIGMALIM LABEX. It could also be applied to in vivo in situ cellular thermometry high resolution mapping [2] which is another fundamental issue of modern biology.

[1] “Phasor approach to fluorescence lifetime microscopy distinguishes different metabolic states of germ cells in a live tissue”, C. Stingari et al., PNAS, 108, 33, pp. 13582–13587 (2011).
[2] “Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy”, K. Okabe et al., Nature Communications,
DOI: 10.1038/ncomms1714 (2012).

Objectifs scientifiques de la thèse
– mise au point d’un instrument innovant pour la biologie et pour la médecine.
– contributions à l’étude et à la mise au point d’outils de diagnostic dans le cadre du développement d’une nouvelle thérapie contre le cancer.

Compétences à l’issue de la thèse
– pluridisciplinarité/transversalité physique/biologie
– connaissance concernant la conception et la mise au point d’un instrument optique de pointe pour la biologie et la médecine
– connaissance dans l’analyse de données issues d’expériences ayant trait au métabolisme cellulaire
– forte autonomie
– valorisation des résultats au travers de publications écrites et orales, internationales et nationales

Mots clés (séparés par des virgules)
Photonic, biophotonic, cell, fluorescence, FLIM, fiber, multiphoton, microscopy, endomicroscopy, cancer therapy, metabolism, thermometry.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Physique, photonique, sciences de l’ingénieur. Expérimentateur. Des connaissances en biophysique, en biologie et dans le secteur du biomédical seront particulièrement appréciées.

Modalité de dépôt des candidatures
Envoi d’un CV et d’une lettre de motivation: louradour@xlim.fr and rodney.oconnor@xlim.fr
Puis contacts téléphoniques (sollicités par les directeurs de thèse).
Et enfin visite à XLIM (obligatoire pour validation finale candidature).

Directeur de thèse
Prof. F. Louradour

Adresse mail du directeur de thèse : [louradour@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 06 74 09 66 56

Co-directeur de thèse
Dr. Rod O’Connor (HDR)
Adresse mail du co-directeur de thèse : rodney.oconnor@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 45 67 17
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : OUI

Action transverse concernée et justification
Département Photonique / Chaire Santé du LABEX SIGMALIM, Rod O’Connor étant titulaire de la Chaire Santé du LABEX SIGMALIM.

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