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Biophotonique : Spectro-imagerie à visée diagnostique

Cette thématique de recherche, située à l’interface de la physique, de la biologie et de la médecine, concerne les méthodes non invasives de diagnostic précoce fondées sur l'exploitation des spectroscopies optiques. Les études menées se structurent autour de trois axes complémentaires : études fondamentales des mécanismes au niveau cellulaire et tissulaire, développement d'une instrumentation innovante à finalité clinique, validation clinique des méthodes effectuée en partenariat étroit avec des équipes médicales.

Nous nous intéressons particulièrement à la fluorescence naturelle des tissus, l’autofluorescence, qui contient de l'information sur leur nature histologique et leur métabolisme. En effet, le spectre d’émission de fluorescence tissulaire résulte du recouvrement de l’émission de différents fluorophores endogènes dont la localisation tissulaire et les fonctions biologiques sont très différentes : des co-enzymes cellulaires tels que les pyridines nucléotides (NAD) et les flavines (FAD, FMN), des protéines fibreuses (collagène et élastine) formant l’essentiel de la matrice extra-cellulaire du tissu conjonctif. L'autofluorescence tissulaire dépend donc de plusieurs paramètres : métabolisme cellulaire, structure de la matrice extra-cellulaire et vascularisation, qui varient selon que les tissus sont sains ou pathologiques. Nous exploitons également la spectroscopie de réflectance diffuse élastique, sensible à la structure du tissu; son couplage à l’autofluorescence fournit des informations complémentaires qui augmente l’efficacité du diagnostic.

Afin d’acquérir des données in vivo chez l’homme, nous avons été amenés à développer divers instruments tenant compte des contraintes cliniques et compatibles avec un usage endoscopique. Nous avons commencé par construire un spectromètre à fibres optiques multimodes permettant l’acquisition de spectres de fluorescence et de réflectance in vivo.

Ces dernières années, nos efforts ont porté principalement sur le développement de systèmes de microscopie confocale fibrée, ou endomicroscopie, destinés en première intention au diagnostic endoscopique des pathologies pulmonaires. L’objectif de l’endomicroscopie est de transférer les techniques de microscopie confocale de laboratoire au monde de l’endoscopie. Dans le cadre d’une collaboration avec l’entreprise française Mauna Kea Technologies, nous avons développé un endomicrospectro-imageur permetttant l'obtention, in vivo, in situ, en temps réel, d'une image morphologique et d'un spectre de fluorescence pour la même zone tissulaire ; la résolution latérale cellulaire est de quelques micromètres  sur un champ de quelques centaines de micromètres.

Ce micro-spectroimageur, fondé sur l’excitation monophotonique à 488 nm de l’autofluorescence tissulaire, permet de visualiser la structure élastique des parois bronchique et alvéolaire. Nous avons pu ainsi obtenir les premières images microscopiques et premiers spectres confocaux d'autofluorescence jamais réalisés sur un patient. Toutefois, la technique ne donne pas accès au réseau collagénique de la paroi, ce qui en représente la principale limitation. Le développement de l’imagerie non linéaire fibrée doit permettre de lever ces obstacles. En effet, le collagène est une des sources les plus importantes de signal généré par seconde harmonique (SHG) alors que l’élastine n’en génère aucun, mais produit un fort signal de fluorescence sous excitation biphotonique (2PEF). Les domaines d’émission 2PEF et SHG étant spectralement séparés, il est possible en combinant ces deux modes de contraste de visualiser simultanément mais distinctement les fibres d’élastine et de collagène de la matrice extra cellulaire (MEC). Ces techniques sont maintenant reconnues en microscopie ex-vivo dans le domaine de la biologie cellulaire et tissulaire mais, à notre connaissance, aucune étude d’endo-microscopie fibrée non linéaire n’a encore été effectuée chez l’homme. Sachant que plusieurs pathologies majeures tels que le cancer ou les fibroses sont caractérisées par des modifications précoces du réseau fibré d’élastine et de collagène de la matrice extra-cellulaire, la micro-endoscopie non linéaire constituerait une avancée majeure en imagerie diagnostique. Pour ces raisons, nous développons un système d’endo-microscopie fibrée non linéaire, utilisable avec tout endoscope conventionnel.

Ce projet pluridisciplinaire intitulé « Micro-imagerie non-linéaire in vivo-in situ de la matrice extracellulaire » (acronyme « InVivo-ONL ») a été sélectionné par l’Agence Nationale de la Recherche dans le cadre du programme « Technologies pour la santé »  et a débuté en 2009. A côté de notre laboratoire, qui en est le porteur (responsable scientifique G. Bourg-Heckly), il regroupe le laboratoire XLIM, UMR CNRS 6172 de l’université de Limoges, l’entreprise française Mauna Kea Technologies et le département de pneumologie du CHU de Rouen. L’objectif du projet InVivo-ONL est de développer un endomicroscope permettant d’effectuer de l’imagerie multiphotonique in vivo, in situ, qui sera utilisée en première intention pour l’étude de la MEC in vivo du tissu pulmonaire, bronchique et alvéolaire.

 

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Publications

2016

From bulk to plasmonic nanoparticle surfaces: the behavior of two potent therapeutic peptides, octreotide and pasireotide - Physical Chemistry Chemichal Physics
B. Hernandez , E. Lopez-Tobar , S. Sanchez-Cortes , Y.M. Coic , B. Baron , A. Chenal , S.G. Kruglik , F. Pfluger , R. Cohen , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1039/c6cp04421b
All characteristic Raman markers of tyrosine and tyrosinate originate from phenol ring fundamental vibrations - Journal of Raman Spectroscopy
B. Hernandez , Y.M. Coic , F. Pflueger , S.G. Kruglik , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1002/jrs.4776

2015

Protonation-deprotonation and structural dynamics of antidiabetic drug metformin - Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis
B. Hernandez , F. Pflueger , S.G. Kruglik , R. Cohen , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1016/j.jpba.2015.04.041

2014

Low Concentration Structural Dynamics of Lanreotide and Somatostatin-14 - Biopolymers
B. Hernandez , Y.M. Coic , B. Baron , S.G. Kruglik , F. Pflueger , R. Cohen , C. Carelli , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1002/bip.22491
Disulfide linkage Raman markers: a reconsideration attempt - Journal of Raman Spectroscopy
B. Hernandez , F. Pflueger , E. Lopez-Tobar , S.G. Kruglik , J.V. Garcia-Ramos , S. Sanchez-Cortes , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1002/jrs.4521
Raman characterization of Avocado Sunblotch viroid and its response to external perturbations and self-cleavage - BMC Biophysics
G. Hui-Bon-Hoa , H. Kaddour , J. Vergne , S.G. Kruglik , M.C. Maurel
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1186/2046-1682-7-2

2013

Protonation-deprotonation of the glycine backbone as followed by Raman scattering and multiconformational analysis - Chemical Physics
B. Hernandez , F. Pflueger , S.G. Kruglik , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1016/j.chemphys.2013.08.008
Characteristic Raman lines of phenylalanine analyzed by a multiconformational approach - Journal of Raman Spectroscopy
B. Hernandez , F. Pflueger , S.G. Kruglik , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1002/jrs.4290
Label free multiphoton imaging of human pulmonary tissues through two-meter-long microstructured fiber and multicore image-guide - ENDOSCOPIC MICROSCOPY VIII
G. Ducourthial , C. Lefort , D.A. Peyrot , T. Mansuryan , S.G. Kruglik , C. Vever-Bizet , L. Thiberville , F. Lacombe , G. Bourg-Heckly , F. Louradour
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1117/12.2003118

2012

Fast characterisation of cell-derived extracellular vesicles by nanoparticles tracking analysis, cryo-electron microscopy, and Raman tweezers microspectroscopy - Journal of Extracellular Vesicles
I. Tatischeff , E. Larquet , J.M. Falcon-Pérez , P.Y. Turpin , S.G. Kruglik
  URL Full text PDF Bibtex doi:
Octreotide Used for Probing the Type-II` beta-Turn CD and Raman Markers - Journal of Physical Chemistry B
B. Hernandez , Y.M. Coic , S.G. Kruglik , C. Carelli , R. Cohen , M. Ghomi
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1021/jp3036428
Development of a nonlinear fiber-optic spectrometer for human lung tissue exploration - Biomedical Optics Express
D.A. Peyrot , C. Lefort , M. Steffenhagen , T. Mansuryan , G. Ducourthial , D. Abi-Haidar , N. Sandeau , C. Vever-Bizet , S.G. Kruglik , L. Thiberville , F. Louradour , G. Bourg-Heckly
  URL Full text PDF Bibtex doi:
Absorption Band III Kinetics Probe the Picosecond Heme Iron Motion Triggered by Nitric Oxide Binding to Hemoglobin and Myoglobin - Journal of Physical Chemistry B
B.K. Yoo , S.G. Kruglik , I. Lamarre , J.L. Martin , M. Negrerie
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1021/jp300849y
Development of a non-linear endomicroscope for the in vivo in situ observation of lung tissue extracellular matrix - IRBM
D.A. Peyrot , C. Lefort , T. Mansuryan , S.G. Kruglik , N. Sandeau , C. Vever-Bizet , L. Thiberville , F. Lacombe , F. Louradour , G. Bourg-Heckly
  URL Full text PDF Bibtex doi:10.1016/j.irbm.2012.01.011