Les carcinomes épidermoïdes de la tête et du cou (CETC) sont la septième cause de cancer dans le monde. En situation de récidive et/ou métastatique, le pronostic des patients est sombre avec une médiane de survie d’une année en l’absence de traitement. Le cetuximab, un anticorps monoclonal ciblant l’EGFR, est la seule thérapie ciblée approuvée dont l’efficacité en monothérapie reste marginale en l’absence de biomarqueurs disponibles.Les altérations (épi)génétiques qui s’accumulent diversement dans les cellules malignes génèrent des sous-clones évoluant dans des niches géographiques distinctes (à l'origine d'une hétérogénéité intra-tumorale spatiale), et dont l’importance relative évolue au cours du temps sous la pression de sélection naturelle et thérapeutique (à l'origine d'une hétérogénéité intra-tumorale temporale). Les études disponibles dans les CETC s’accordent sur l’omniprésence d’une hétérogénéité génétique intra-tumorale, dont l’importance semble corréler à une diminution de la survie globale et à une augmentation du risque d’évolution métastatique. Ces données, établies majoritairement sur l’analyse d’une seule biopsie, sous-estiment la part d’hétérogénéité spatiale et temporale d’une tumeur.Les objectifs de cette thèse étaient les suivants : (i) caractériser l’hétérogénéité génétique spatiale des CETC localisés et non prétraités, (ii) caractériser l’hétérogénéité temporale qui émerge dans des tumeurs opérées au cours de la récidive représentée par l’ADN tumoral circulant (ctDNA), ainsi que l'hétérogénéité temporale qui émerge sous afatinib, un inhibiteur de tyrosine kinase pan-HER, (iii) préciser la valeur pronostique de l’hétérogénéité génétique intra-tumorale dans les CETC localisés et opérables.Nous avons validé la faisabilité d'un séquençage multirégional du génome et du transcriptome d’une tumeur primitive, guidé par l’annotation spatiale de ses régions histologiquement peu et bien différenciées. Un score d’hétérogénéité intra-tumorale pathologique était calculé pour chaque patient, corrélant significativement à des profils d’expression différentielle de gènes impliqués dans les voies de signalisation de la jonction cellulaire. Nous avons rapporté une hétérogénéité génomique chez 37% des patients suivis pour un CETC localisé et opéré à visée curative. Nous montrons que la présence d’une hétérogénéité spatiale a des implications théranostiques puisque 32% d'entre eux auraient bénéficié d’une thérapie ciblée différente suivant la région tumorale biopsiée.L’analyse comparée des génomes des tumeurs primitives réséquées et des ctDNA prélevés de façon répétée a conforté l’existence d’une hétérogénéité spatiale chez 14% des patients suivis pour un CETC initialement localisé, et a montré l’émergence de nouvelles mutations au cours de la récidive dans 43% des cas. Les mutations détectées dans le plasma et impliquées dans l’hétérogénéité intra-tumorale étaient pour la plupart actionnables, suggérant l’applicabilité du ctDNA à la médecine de précision. Nous montrons que le ctDNA est un biomarqueur de maladie résiduelle minimale, dont la détection postopératoire corrèle à une augmentations du risque de récidive.Nos travaux ont identifié des biomarqueurs pharmacodynamiques de l’activité de l’afatinib, administré en préopératoire dans des CETC localisés. Ces biomarqueurs étaient définis au niveau cellulaire par des changements de la composition du micro-environnement tumoral en lymphocytes B, et au niveau moléculaire par l’activité de la voie de signalisation NF-kB.En définitive, les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont permis de caractériser l’importance de l’hétérogénéité génétique qui existe dans des CETC localisés et opérés, qui émerge durant la progression tumorale et sous traitement, d'en appréhender l'impact en termes de médecine de précision et d’en préciser les déterminants moléculaires et cellulaires, concourants à l’identification de nouveaux biomarqueurs tissulaires et circulants.