Institut des
NanoSciences de Paris
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Vers une biopsie optique

La propagation de la lumière dans les tissus biologiques est un problème complexe traité, en général, de manière très approximative à partir de coefficients de diffusion et d’absorption macroscopiques ne prenant pas en compte la structure réelle de ces tissus. Ces approches et les méthodes optiques associées sont insuffisantes pour espérer réaliser un diagnostic fiable de cancérisation d’un tissu épithélial par voie optique. L’équipe a donc cherché à aborder le problème du diagnostic précoce de la dysplasie des organes creux par voie optique non invasive en corrélant une méthode expérimentale et une modélisation originales de la diffusion de la lumière par les tissus.

L’élément discriminant principal, du point de vue morphologique, entre tissus sains et tissus cancéreux est la taille du noyau des cellules cancéreuses (double de celle des cellules saines) et la position de ces cellules dans l’épaisseur de l’épithélium, sachant que les noyaux sont les principaux diffuseurs de la lumière. Sur le plan expérimental, l’idée a été de multiplier les informations en combinant mesures spectrales (fonction de la longueur d’onde), mesures spatiales (fonction de l’angle de diffusion de la lumière) et mesures de l’état de polarisation de la lumière diffusée par le tissu. Sur le plan théorique, il s’est agi de développer un modèle prenant en compte finement la structure stratifiée de ces tissus, la taille des noyaux et les indices optiques et calculant la répartition spatiale et l’état de polarisation (ou de dépolarisation) des flux diffusés. C’est ce qui a été fait dans le cadre de la thèse de Clémence Bordier1 avec la mise au point d’une résolution de l’équation de transfert radiatif sous sa forme vectorielle (polarisation), par la méthode des ordonnées discrètes (N flux de Stokes spatiaux) et son insertion dans un modèle multicouche2.

Ce modèle a été validé numériquement puis expérimentalement sur des milieux école : lait3, puis intralipides qui sont des suspensions graisseuses couramment utilisées comme « fantômes » des milieux biologiques. Les mesures spectrales, spatiales, avec polarisation ont été réalisées sur un goniospectrophotomètre construit dans l’équipe. On a ainsi pu mettre en évidence, dans les intralipides, grâce à l’information polarisation, une stratification de deux populations de taille différente de diffuseurs qui a été confirmée par des mesures d’imagerie polarimétrique. Les études ont été poursuivies sur des tissus de culture qui ont permis de discriminer les tissus épithéliaux contenant des cellules avec noyaux de différentes tailles à partir des contrastes de polarisation rectiligne entre les flux ayant conservé l’état de polarisation initiale et les flux dépolarisés.

A l’aide de ces outils de modélisation, nous pouvons maintenant simuler assez précisément « l’évolution optique » d’un processus de cancérisation (voir schéma) depuis la croissance des premières cellules tumorales au niveau de la membrane basale jusqu’à l’envahissement total de l’épithélium qui précède la migration des cellules à travers la membrane (cancer invasif). Le différentiel des polarisations circulaires, cette fois-ci, entre flux ayant conservé la polarisation circulaire initiale (droite ou gauche, notés dd ou gg) et flux ayant été dépolarisés (notés dg ou gd), représenté par les courbes de la figure, en fonction de l’angle de diffusion, montre que l’on devrait pouvoir être discriminant, encore plus aisément qu’avec les polarisations rectilignes, à partir de la mesure des flux diffusés depuis la direction de rétrodiffusion jusqu’à 60 ou 70° de cette direction. Ces résultats nous rendent confiants dans le développement de cette méthode pour le diagnostic précoce du cancer par voie optique.

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Il nous reste maintenant à poursuivre cette étude sur des échantillons d’épithéliums ex-vivo puis, si les résultats sont positifs, à développer un dispositif expérimental pour l’étude clinique in-vivo, dans le cadre de nos collaborations avec le BioMoCeTi à l’UPMC et le Centre anti-cancéreux A.Vautrin à Nancy.

C. Bordier , C. Andraud, E. Charron, J. Lafait