Thèse Modélisation des Dystrophies Musculaires par des Organoïdes Musculaires et des Readouts Fonctionnels H/F

Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health

Établissement : Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health
École doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
Laboratoire de recherche : Approches génétiques intégrées et nouvelles thérapies pour les maladies rares
Direction de la thèse : Sonia ALBINI ORCID 0000000195021004
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-23T23:59:59

Les dystrophies musculaires progressives (DM) constituent un groupe hétérogène de maladies génétiques dues à des mutations affectant des protéines essentielles à la structure, à la stabilité ou à la fonction du muscle. Elles se caractérisent par une faiblesse musculaire progressive et s'accompagnent fréquemment d'atteintes cardiaques. La sévérité et l'évolution de la maladie varient considérablement non seulement selon le gène muté, mais aussi entre patients porteurs de mutations différentes au sein d'un même gène, reflétant des relations génotype-phénotype complexes et l'implication de multiples mécanismes pathologiques secondaires. Cette hétérogénéité complique la modélisation de la maladie et le développement de thérapies efficaces, soulignant la nécessité de systèmes expérimentaux humains prédictifs. La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), la forme pédiatrique la plus fréquente et la plus sévère (1/5000 garçons), constitue une maladie de référence pour le développement thérapeutique. Causée par l'absence de dystrophine, la DMD a fait l'objet d'importants efforts de thérapie génique. Bien que l'administration de variants raccourcis de la dystrophine par vecteurs AAV ait montré des résultats prometteurs chez l'animal, les bénéfices cliniques chez les patients restent partiels. Cette discordance met en évidence les limites des modèles précliniques actuels et la nécessité de systèmes humains capables de reproduire la complexité de la maladie et les réponses thérapeutiques. La progression de la DMD est en grande partie liée aux conséquences secondaires de la perte de dystrophine, incluant dégénérescence musculaire, perturbations métaboliques, inflammation chronique et fibrose, suggérant que le ciblage de ces voies dysrégulées pourrait améliorer l'efficacité thérapeutique. La modélisation de maladies humaines in vitro à l'aide d'organoïdes 3D représente une approche puissante pour relever ces défis. Notre équipe a développé une plateforme de MYOrganoïdes humains basée sur des cellules musculaires dérivées d'iPSC de patients, combinées à des fibroblastes, permettant une meilleure architecture tissulaire, une maturation fonctionnelle accrue et un environnement musculaire régulé par la matrice extracellulaire. Ce système reproduit des caractéristiques clés des dystrophies musculaires, notamment des déficits fonctionnels et un remodelage profibrotique, et permet une évaluation fonctionnelle dans un contexte humain contrôlé. Des analyses transcriptomiques ont révélé des dysfonctionnements supplémentaires, tels que des altérations de la gestion du calcium, du métabolisme énergétique et de la mécanotransduction, qui ne sont pas corrigés par la thérapie génique par microdystrophine.Un atout majeur de cette approche est son applicabilité à d'autres dystrophies musculaires présentant une forte hétérogénéité génétique, comme les titinopathies. Celles-ci sont causées par des mutations du gène TTN codant la titine, une protéine clé du sarcomère. De nombreux variants TTN demeurent de signification pathogène incertaine, rendant leur interprétation clinique difficile. Les organoïdes musculaires offrent une plateforme évolutive pour étudier la pathogénicité des variants et établir des corrélations génotype-phénotype.Par ailleurs, plusieurs dystrophies musculaires comportent une atteinte cardiaque majeure, souvent sous forme de cardiomyopathies, ayant un impact critique sur le pronostic. Le développement de modèles d'organoïdes cardiaques complémentaires permettra d'étudier en parallèle les phénotypes musculaires et cardiaques et d'explorer des mécanismes communs ou spécifiques aux tissus. Ce projet de doctorat vise à développer et exploiter des modèles d'organoïdes musculaires et cardiaques humains afin d'étudier les dystrophies musculaires, de définir des readouts fonctionnels robustes et d'évaluer les mécanismes pathologiques et les réponses thérapeutiques.

Progressive muscular dystrophies (MDs) are a heterogeneous group of inherited disorders resulting from mutations in genes encoding for proteins essential for muscle structure, stability, or function. MDs are characterized by progressive skeletal muscle weakness and, in many cases, cardiac involvement. Disease severity and progression not only vary widely based on the gene mutated but also between patients carrying different mutation within the same gene, reflecting complex genotype-phenotype relationships and the contribution of multiple downstream pathological mechanisms. This heterogeneity complicates both disease modeling and the development of effective therapies, highlighting the need for predictive human experimental systems.
Duchenne muscular dystrophy (DMD), the most common and severe pediatric MD (1:5,000 boys), represents a reference disease for therapeutic development. Caused by the absence of dystrophin, DMD has been the focus of extensive gene therapy efforts. Although AAV-mediated delivery of shortened dystrophin variants has shown promising results in animal models, clinical outcomes in patients remain partial. This discrepancy underscores the limitations of current preclinical models and the need for human-relevant systems capable of capturing disease complexity and therapeutic responses. Importantly, disease progression is driven by the detrimental consequences of dystrophin loss, including muscle degeneration, metabolic perturbation, chronic inflammation, and fibrosis, which rapidly exacerbate disease severity. Consequently, targeting downstream dysregulated pathways may be an efficient strategy to enhance therapeutic outcomes.
Human in vitro disease modeling using 3D organoid systems offers a powerful approach to address these challenges. Our group has recently developed a human MYOrganoid platform based on patient-derived iPSC muscle cells combined with fibroblasts, enabling improved tissue architecture, functional maturation, and replication of an extracellular matrix regulated-muscle environment. The system reproduces key hallmarks of muscular dystrophies, including impaired muscle function and profibrotic remodeling, and allow functional evaluation of disease phenotypes in a controlled human context. Importantly, previous transcriptomic analysis showed that DMD MYOrganoids reproduce additional disease-related dysfunctions-such as calcium handling, energy metabolism, and mechanotransduction-that are not corrected by uDys gene therapy. Future work will refine these models to better understand their role in DMD pathogenesis and guide targeted therapeutic strategies.
A major strength of this approach is its applicability beyond DMD to other muscular dystrophies whose current challenge relies on variants heterogeneity, such as titinopathies. Titinopathies are caused by mutations in TTN, encoding titin, a central structural protein of the sarcomere involved in muscle elasticity and stability. Many TTN variants identified in patients remain of uncertain pathogenicity, making clinical interpretation challenging. Generating animal models for each variant is unrealistic, and muscle organoids could provide a scalable system to assess variant pathogenicity and investigate genotype-phenotype correlations.
In addition, several muscular dystrophies present a significant cardiac component, often in the form of dilated or restrictive cardiomyopathies that critically impact patient prognosis. Developing complementary cardiac organoid models will allow the PhD student to investigate muscle and cardiac phenotypes in parallel and to explore shared or tissue-specific disease mechanisms.
This PhD project aims to develop and apply human muscle and cardiac organoid models to study muscular dystrophies, define robust functional readouts, and evaluate disease mechanisms and therapeutic responses in a human-relevant system. The project will provide interdisciplinary training at the interface of stem cell biology, muscle physiology, disease modeling, and translational research.

PhD Project Objectives and Work Plan
Objective 1 - Establishment and Validation of Functional Readouts
Objective 2 - Modeling of Muscular Dystrophies and Therapeutic Response
Objective 3 - Analysis of Variant Pathogenicity and Genotype-Phenotype Correlations
Objective 4 - Extension to Cardiac Organoid Models

Objective 1 - Establishment and Validation of Functional Readouts
The student will define and optimize quantitative functional readouts that are essential both for validating dystrophic organoid models and for assessing therapeutic efficacy. These readouts will include:
-Muscle contractile performance
-Calcium handling
-Mechanotransduction and tissue stiffness
These parameters will be evaluated across control and dystrophic myorganoids to establish disease-specific functional signatures. In particular, we will employ optogenetics, through an established collaboration, to monitor calcium dysregulation. This approach uses light-sensitive proteins to control or monitor cellular activity with high precision, allowing stimulation of contractions and real-time tracking of calcium dynamics, thereby enabling rapid testing. As for muscle stiffness, Atomic force microscopy (AFM) will be used to calculate the elastic modulus of organoids.
Objective 2 - Modeling of Muscular Dystrophies and Therapeutic Response
Using validated readouts, the student will characterize pathological dysregulation in myorganoid models of DMD and selected non-DMD muscular dystrophies. The impact of gene therapy approaches and pharmacological modulation of downstream pathways will be assessed, supported by transcriptomic analyses.
Objective 3 - Analysis of Variant Pathogenicity and Genotype-Phenotype Correlations
The student will exploit the organoid platform to investigate the functional consequences of selected genetic variants, with a particular focus on TTN variants of uncertain significance, contributing to improved interpretation of genetic data. The feasibility of this objective is ensured by collaboration with a clinician who provided us with TTN patient cells.
Objective 4 - Extension to Cardiac Organoid Models
For dystrophies associated with cardiomyopathy, the student will participate in the development and functional analysis of cardiac organoids to assess cardiac-specific dysfunctions and therapeutic responses.