Soutenance le 21 juin 2010 à 10h30 à l’Université Paris Descartes, Salle des Thèses, Bâtiment Jacob 5è étage. 45, rue des Saints-Pères Paris 6ème (Métro ligne 4, St Germain des Prés)

Résumé :

Cette thèse s’inscrit dans un contexte en plein essor : celui des biotechnologies appliquées au diagnostic et aux thérapies géniques. Elle s’attaque aux verrous posés par les technologies émergentes d’analyse des interactions moléculaires à base de biocapteurs à haut débit. Ces méthodes suscitent un intérêt grandissant car, contrairement aux expériences en point final, elles permettent d’acquérir des mesures en continu et d’étudier plusieurs interactions moléculaires en parallèle. Parmi ces méthodes à haut débit, deux s’avèrent très prometteuses : celle en fluorescence, exploitant une technique éprouvée en biologie à travers un marquage des cibles par un fluorophore, et celle en résonance des plasmons de surface (SPR), ne nécessitant pas d’étiquetage moléculaire.

L’enjeu concerne notamment l’analyse des données images produites par ces biocapteurs, données qui sont spatio-temporelles. Il s’agit de développer les modélisations et algorithmes rapides capables d’extraire et de caractériser le signal utile spécifique à chaque interaction moléculaire enregistrée à la surface de chaque sonde, déposée sur le biocapteur. La difficulté réside ici dans la complexité des phénomènes physiques et biologiques qui s’expriment au travers de l’accroche des cibles sur les sondes. Pour un système SPR, l’état de l’art montre que cet enjeu reste ouvert pour la recherche scientifique.

Cette thèse s’attaque aux verrous actuels en développant une approche automatique originale pour l’analyse des images d’interactions moléculaires à haut débit, applicable aussi bien aux biopuces en fluorescence qu’en SPR. A partir d’études expérimentales, des caractéristiques communes aux différents types de données à haut débit obtenues par les techniques émergentes ciblées ont dressé un ensemble d’hypothèses aboutissant à un modèle mathématique décrivant ces acquisitions. Ce modèle a permis ensuite la synthèse d’un ensemble étendu de simulations sur lequel s’est appuyé le développement d’une méthode générique d’analyse des interactions moléculaires. Le schéma automatique proposé combine de façon originale opérateurs géodésiques 2D et 3D, contraintes de classification et comportement physique afin de résoudre les points clé d’une telle analyse.

La méthode générique est ensuite couplée au protocole expérimental spécifique à chacune des méthodes à haut débit étudiées. Ce couplage implique plusieurs phases de calibrage et un filtrage spatio-temporel du bruit optoélectronique contenu dans les images, et fournit au final une technologie complète d’analyse des données acquises en SPR et en fluorescence.

Le protocole complet d’analyse des données à haut débit qui en résulte a été évalué qualitativement et quantitativement sur un ensemble de données, aussi bien synthétiques qu’expérimentales. Dans un premier temps, la méthode générique a été testée sur les données simulées contenant différentes configurations d’interactions et de conditions expérimentales. Dans un deuxième temps, la méthodologie globale d’analyse définie pour les techniques en SPR et en fluorescence a été confrontée à des données expérimentales obtenues lors des études.

Les résultats obtenus lors de ces expériences, virtuelles ou réelles, confirment nos attentes concernant la sensibilité de détection des systèmes à haut débit, même à faible concentration de cibles. Les caractéristiques des interactions étudiées ainsi estimées ont été comparées à celles obtenues par des méthodes de référence en biologie, ou à des valeurs théoriques. Les résultats sont en accord, validant de fait l’utilisation des techniques à haut débit pour l’analyse des interactions moléculaires, ainsi que la méthodologie développée pour l’exploitation de ce type de données.

Cette étude ouvre donc des perspectives nouvelles sur l’utilisation de ces technologies aussi bien dans le cadre de la recherche en biologie, que dans un contexte clinique d’aide au diagnostic ou de thérapie génique.

Mots-clés : interaction moléculaire, haut débit, temps réel, fluorescence, plasmon de surface, filtrage, segmentation d’image, constante d’affinité, température de fusion.