Imagerie Biophotonique In Vivo (IBIV)

Thèmes de recherche

Responsable
Frédéric Pain : Maître de conférences Université Paris Sud, HDR

Membres permanents
Olivier Seksek : CR1 CNRS, section 16, HDR
Gaël Latour : Maître de conférences Université Paris Sud
Darine Abi Haidar : Maître de conférences Université Paris Diderot, HDR

Membres non permanents
Haleh Soleimanzad (doctorante)
Fanny Poulon ( doctorante)
Emilie Gontran (doctorante)
Ali Ibrahim ( post doctorant)

Ancien membres
David Sevrain (post doctorant)
Claire Lefort : ATER Université de Limoges
Hussein Hamzeh : Doctorant Université Paris Sud
Rémi Renaud : Doctorant université Paris Sud

Mots clés

Imagerie et spectroscopie optique, imagerie biphotonique, multimodalité, imagerie multispectrale, temps de vie de fluorescence, propriétés optiques des tissus, modèles cellulaires, rongeurs

Thème 1:Caractérisation de l’organisation du collagène par microscopie optique non-linéaire

Le collagène est un élément majeur de l’architecture des organes chez les mammifères (peau, cornée, tendon…). Cette protéine est synthétisée par les cellules sous forme de triples hélices qui, dans le cas des collagènes dits fibrillaires, s’assemblent in vivo spontanément en fibrilles. Or, en microscopie optique non-linéaire, la génération de second harmonique est une sonde des distributions non-centrosymétriques. En associant la polarimétrie à la détection de ces signaux, il est possible de déterminer précisément l’orientation et l’organisation des fibrilles de collagène (collaboration Laboratoire d’Optique et Biosciences - Ecole polytechnique).
Cette approche permet de caractériser l’organisation du collagène dans la cornée (cornées saines ou pathologiques) ou bien lors de cycles d’essais mécaniques équivalents à des variations de pressions intraoculaires.
Le parchemin, fabriqué à partir de peaux animales est un matériau très riche en collagène fibrillaire. Il émet donc de forts signaux SHG dont il est possible de tirer parti pour caractériser finement la structure et l’éventuel état de dégradation (collaboration Centre de Recherche sur la Conservation -Museum National d’Histoire Naturelle). Afin de pouvoir interpréter correctement les signaux collectés, la signature chimique infra-rouge nous donne une information complémentaire. Etant donné la taille caractéristique des fibrilles de collagène (quelques dizaines à quelques centaines de nanomètre), nous utilisons une technique de spectroscopie infrarouge à l’échelle nanométrique développée au Laboratoire de Chimie Physique – Univ. Paris-Sud.


Cartographie d’un parchemin du 17e siècle (photo de gauche © Laurianne Robinet/CRCC) par microscopie optique non linéaire. Sur une zone non altérée (image au centre), le collagène intact émet de forts signaux spécifiques dits de second harmonique (en vert) qui permettent de visualiser sa structure fibrillaire caractéristique. Quelques résidus épars (graisses, élastine…) émettent des signaux de fluorescence (en rouge). Une autre zone du même parchemin, après altération (image de droite), émet des signaux de fluorescence (en rouge) non structurés, caractéristiques de la gélatinisation du collagène.

Thème 2 : Migration cellulaire en 3D : méthodologie, imagerie et modélisation

Nous développons un modèle de culture cellulaire 3D sur hydrogel de polymères, permettant de mimer au plus près un tissu idéalisé avec ses interactions intercellulaires ou ses hétérogénéités éventuelles (densité locale, fibres…). Outre la caractérisation optique des types cellulaires/tissu, ce modèle 3D est également utilisé pour l’obtention de données (temporelles et spatiales) pour permettre de modéliser la croissance tumorale en collaboration avec l’équipe Modélisation des Systèmes Biologiques.

Thème 3 : Imagerie en champ large multimodale de l’activité cérébrale

Ce thème a été initié au laboratoire par la collaboration avec des Neurobiologistes intéressé par la cartographie des modules fonctionnels ( glomérules) du bulbe olfactif lors d’activation cérébrales sous différentes conditions. Les objectifs en biologie fondamentale concernent les mécanismes de l’activation cérébrale en lien avec les processus d’apprentissage ou la prise alimentaire. Nous avons développé un système multimodal de cartographie de l’activation cérébrale en champ large (environ 10 mm² qui s’appuie sur la cartographie séquentielle rapide des paramètres hémodynamiques ( réflectance multispectrale), du métabolisme énergétique cellulaire ( autofluorescence des flavoprotéines) et des variations de diffusions des tissus ( contraste lase speckle). Le modèle de choix est l’activation sensorielle du bulbe olfactif chez le rongeur pour l’étude de la plasticité cérébrale des relations entre codages spatiale et temporel ainsi que les relations nutrition /olfaction. Les dispositifs développés sont actuellement en cours d’évolution vers l’illumination structurée en champ large.


Dispositif pour l’imagerie multispectrale lors de activation sensorielle du bulbe olfactif


Bandes spectrales utilisée en imagerie d’autofluorescence et de réflectance intrinsèque et image correspondantes de la surface du bulbe olfactif à l’état basal

Thème 4 : Simulation et Méthodologie pour l’optogénétique


Thème 5 : Endomicroscopie optique non linéaire

L’efficacité de la chirurgie d’exérèse des tumeurs cérébrales reste limitée par le problème de la délimitation des berges de la lésion. Nous proposons dans ce contexte de renforcer, par des méthodes optiques, la qualité du geste opératoire en développant un endomicroscope non-linéaire multimodal qui combinera plusieurs contrastes : fluorescence non-linéaire, génération de la seconde harmonique (SHG), réflectance, durée de vie et analyse spectrale. Cet outil constituera le premier endomicroscope miniaturisé associant un large champ de vision à une résolution subcellulaire. Grâce à son architecture originale, il offrira un outil clinique attractif et innovant dans son domaine. Parallèlement au développement instrumental nous serons à la recherche de la signature optique discriminatoire de la cancérisation tissulaire et ce pour les différents contrastes évoqués. Ces données constitueront une banque de données tissulaires.

Au niveau du développement de l’instrument, nous avons mis en place un endoscope non linéaire capable d’acheminer des impulsions extrêmement courtes et de mesurer la réponse spectrale et la durée de vie de la fluorescence.

Montage expérimental

A ce jour, nous sommes en mesure d’acheminer des impulsions ultra brèves (40 fs) à la sortie de 5 m d’une fibre endomicroscopique, customisée en collaboration avec le laboratoire PhLAM, avec et sans lentille GRIN miniaturisée. Ces valeurs représentent des améliorations significatives comparativement à ce qui a été précédemment rapporté en imagerie endoscopique non linéaire, qui jusqu'ici était limitée à des impulsions de l’ordre de la picoseconde.

(a) Délivrance du mode fondamental de la lumière après réglage de la collimation à la sortie de la première fibre. (b)  durée d'impulsion dans la sortie de la fibre PhLAM DCF obtenu en ajustant la durée d'impulsion de la cavité laser à 300 fs et 100fs. (c) durée d'impulsion optimale obtenue sans GRIN et avec GRIN 1 et GRIN 2. (d) caractérisation spectrale de la sortie de la cavité laser et de la fibre PhLAM DCF. Pour ces mesures, la longueur d'ondes et la puissance en sortie utilisée étaient, respectivement, 800 nm et 20 mW.

Concernant la banque de données tissulaires, nous sommes capables de discriminer les grades de méningiomes de manière qualitative et quantitative. Au niveau imagerie, différentes structures ont été imagées et confrontées aux résultats obtenus par marquage histologique. Les analyses spectrales nous ont permis de suivre la fluorescence de différentes molécules endogènes liées au métabolisme, comme le NADH et les flavines ainsi que les lipopigments, les porphyrines et les chlorines. Une différence en termes de signal d’émission a également été observée entre les gliomes de grade I et de grade II. En complément, des mesures spectroscopiques nous avons procédé à des mesures de la durée de vie de la fluorescence. Nous avons mesuré des durées de vie spécifiques et ainsi certaines molécules se sont révélées être de puissants indicateurs de la cancérisation tissulaire.



(A) Correspondance entre la vue macroscopique d'un échantillon de méningiome, la superposition entre l’imagerie 2PF & SHG et l’histopathologie. L'image supérieure gauche montre la vue macroscopique de l'échantillon de méningiome. (B) L'image en bas à gauche montre la superposition de 2PF (signal de fluorescence rouge) et la SHG (signal vert). Correspondance entre les images obtenues par marquage à l’Hématoxyline Eosine (H&E), les images de la fluorescence et de la génération de la seconde harmonique : amas de collagène (a. e.), pasmmomes (b. f), fibres de collagène (c.g) et vaisseaux (d.h.). La barre d’échelle équivaut à 100 µm.

Après validation de l’efficacité de cette fibre sous excitation non linéaire, et dans la perspective du développement d’un outil multimodal, l’analyse de l’efficacité d’excitation dans le visible de cette fibre s’est imposée. Nous avons mené avec cette fibre une étude de la mesure de la spectroscopie et de la durée de vie de la fluorescence sous excitation dans le visible (405 et 375 nm). Cette étude a porté sur des biopsies humaines fraichement prélevées et divisées en trois groupes : contrôle, glioblastome et métastase. Cette fibre a permis de collecter la fluorescence endogène avec un bon rendement et d’enregistrer une réponse spécifique pour chaque nature tissulaire. La mesure de la durée de vie de la fluorescence a mis en évidence des différences pour chaque molécule et pour chaque type de tissu.

Prix, récompenses et valorisation


Publications

  • F. Poulon, H. Mehidine, M. Juchaux, P. Varlet, B. Devaux, J. Pallud, D. Abi Haidar, Optical properties, spectral and lifetime measurements of central nervous system tumors in humans, Scientific Reports, SREP-17-34393A (2017)
  • M. Zanello, J. Pallud, S. Jacqueline, A. Augias, P. Varlet, B. Devaux, O. Nielsen, D. Abi Haidar and P. Charlier, Endogenous fluorescence analysis: preliminary study revealing the potential of this non-invasive method to study mummified samples, International Journal of Osteoarchaeology, doi:10.1002/oa.2583 (2017)
  • Latour G., Robinet L., Dazzi A., Portier F., Deniset-Besseau A., Shcanne-Klein M.-C., "Correlative nonlinear optical microscopy and infrared nanoscopy reveals collagen degradation in altered parchments" (2016). Scientific Reports 6, 26344
  • Y Ibraheem, O Seksek, S Gil, Y Prezado, J Sulé-Suso, et Martínez-Rovira. (2016) « Study of the Biochemical Effects Induced by X-Ray Irradiations in Combination with Gadolinium Nanoparticles in F98 Glioma Cells : First FTIR Studies at the Emira Laboratory of the SESAME Synchrotron ». The Analyst 141 (7) : 2238‑49
  • Zanello, Marc, Fanny Poulon, Pascale Varlet, Fabrice Chretien, Felipe Andreiuolo, Mélanie Pages, Ali Ibrahim, et al. (2016). « Multimodal Optical Analysis of Meningioma and Comparison with Histopathology ». Journal of Biophotonics, feb, doi:10.1002/jbio.201500251.
  • Teulon C., Gusachneko I., Latour G., Schanne-Klein M.-C. (2015), "Theoretical, numerical and experimental study of geometrical parameters that affect anisotropy mesaurements in polarization-resolved SHG microscopy". Optics Express, 23 (7), 9313-9328
  • Hamzeh, H., C. Lefort, F. Pain, et D. Abi Haidar. (2015). « Optimization and Characterization of Nonlinear Excitation and Collection through a Gradient-Index Lens for High-Resolution Nonlinear Endomicroscopy ». Optics Letters 40 (5) : 808‑11.
  • Benoit A, Latour G, Schanne-Klein MC, et Allain JM. (2015). « Simultaneous Microstructural and Mechanical Characterization of Human Corneas at Increasing Pressure ». Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 60 (dec) : 93‑105.
  • Haidar, D. Abi, B. Leh, M. Zanello, et R. Siebert. 2015. « Spectral and Lifetime Domain Measurements of Rat Brain Tumors ». Biomedical Optics Express 6 (4) : 1219‑33.
  • C Lefort, H Hamzeh, F Louradour, Pain F, Abi Haidar D (2014) ; "Characterization, comparison, and choice of a commercial double-clad fiber for nonlinear endomicroscopy," J. Biomed. Opt., 19(7). PDF
  • Osmanski BF, Martin C, Montaldo G, Lanièce P, Pain F, Tanter M, Gurden H.(2014) Functional ultrasound imaging reveals different odor-evoked patterns of vascular activity in the main olfactory bulb and the anterior piriform cortex.Neuroimage. Jul 15 ;95:176-84 PDF
  • Cuplov V, Buvat I, Pain F, Jan S.(2014) Extension of the GATE Monte-Carlo simulation package to model bioluminescence and fluorescence imaging.J Biomed Opt. 2014 ;19(2) PDF
  • Mesradi M, Genoux A, Cuplov V, Abi Haidar D, Jan S, Buvat I Pain F (2013) Experimental and analytical comparative study of optical coefficient of fresh and frozen rat tissues J of Biomed Opt 18(11) PDF
  • Viggiano A., Marinesco S. Pain F., Meiller A., Gurden H. (2013) Reconstruction of field excitatory post-synaptic potentials in the dentate gyrus from amperometric biosensor signals J of Neuroscience Methods 206(1) 1-6. ; PDF
  • Thèse Rémi Renaud Université Paris Sud ,2012, PDF
  • Renaud R, Martin C, Gurden H, Pain F (2012). Multispectral reflectance imaging of brain activation in rodents : methodological study of the differential path length estimations and first in vivo recordings in the rat olfactory bulb. J of Biomed Opt 17(1) : 0160012 ; PDF
  • Hudin N, L. Pinot, N. Dinu, Y. Charon, V. Puill, B. Janvier, V. Chaumat, M-A. Duval, D. Abi Haidar, R. Siebert, L. Ménard (2012), Characterization and Optimization of Silicon Photomultipliers for the Development of Intraoperative Beta Probes, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, pp. 242-246.
  • Peyrot DA, C Lefort, M Steffenhagen, T Mansuryan, G Ducourthial, D Abi Haidar, N Sandeau, C Vever-Bizet, SG. Kruglik,L Thiberville, F Louradour, and Geneviève Bourg-Heckly (2012), Development of a nonlinear fiber-optic spectrometer for human lung tissue exploration, Biomed. Opt. Express., 3 (5), pp. 840-853
  • Leh B, Siebert R, Hamzeh H, Menard L, Duval MA, Charon Y, Abi Haidar D.(2012) Optical phantoms with variable properties and geometries for diffuse and fluorescence optical spectroscopy. J Biomed Opt. 17(10):108001 ; PDF
  • Alphandéry E, Faure S, Seksek O, Guyot F, Chebbi I.(2012) Chains of magnetosomes extracted from AMB-1 magnetotactic bacteria for application in alternative magnetic field cancer therapy. ACS Nano 5(8) 6279-6296

Financements

  • AP Physicancer Plan Cancer 2014
  • Défis Instrumentaux MRT-CNRS 2014
  • AP Physicancer Plan Cancer 2012
  • AP Attractivité Paris Sud 2012
  • BQR Paris Sud 2011