Imagerie et Morphologie Microscopiques tri-dimensionnelles de l'endothélium cornéen humain – CorImMo 3D

La force de ce projet est de mettre en relation des chercheurs et praticiens de domaines différents (modélisation et mathématiques appliquées, ophtalmologie et biologie) avec un industriel, ayant pour finalité la diffusion et la commercialisation des résultats.
La conception et le transfert de la chaîne complète de traitement de l’endothélium en microscopie optique classique sont réalisés par un post-doctorant et un ingénieur biomédical. Ils combinent les approches 2D et 3D surfacique issues des recherches précédentes et assurent le transfert concret sur une station de microscopie 3D (macroscope). Dès ce premier prototype de laboratoire opérationnel, un transfert de technologie vers et par la société Tribvn aura lieu sous la forme d'un prototype pré-industriel visant l'ensemble des banques de cornées européennes.
En ce qui concerne les modèles morphologiques cellulaires, l’approche originale consiste à combiner géométrie algorithmique, modèles stochastiques et morphologie mathématique. Les développements mathématiques donnent lieu à la réalisation de code informatique. Les résultats produits sont alors confrontés à la réalité du terrain (l’ophtalmologie et l’endothélium cornéen humain).
Enfin, une partie du projet vise à améliorer l'observation in vivo de l'endothélium cornéen humain en développant un microscope grand champs, utilisant la lumière structurée, pour obtenir des images contenant jusqu'à 20 fois plus de cellules que les images de microscopie spéculaire classiques.

Concernant la chaîne de traitement automatisé des greffons cornéens, deux prototypes de logiciels fonctionnels ont été développés jusqu’à présent, le premier utilisant les algorithmes issus des recherches précédentes de l’équipe I&M de l'ENS des Mines de Saint-Etienne tandis que le second utilise des algorithmes libres de la communauté scientifique. Ces deux logiciels sont actuellement en phase de test et d’optimisation. Les premiers résultats semblent cependant montrer que la non prise en compte des plis endothéliaux lors des comptages en banque de cornée entraîne une surestimation d’environ 5% de la densité cellulaire endothéliale.
Des modèles mathématiques originaux sont en cours de développement pour reproduire les mosaïques cornéennes. Ces modèles font appel à des notions issues de la théorie des probabilités, de la géométrie stochastique, de la géométrie intégrale et de la morphologie mathématique. Des diagrammes de Voronoi généralisés, dont les germes ainsi que les distances sont issus de champs aléatoires, permettent de simuler des assemblages cellulaires qui sont alors caractérisés par des critères morphologiques et géométriques. Le choix des germes constitue le point clé du processus, et nous étudions actuellement ce choix d'un point de vue théorique en fonction de la covariance du champ aléatoire et d'un point de vue pratique par rapport aux données réelles recueillie sur des observations en microscopie optique.
Enfin, les travaux sur l'observation de l'endothélium in vivo en lumière structurée font apparaître les difficultés inhérentes à la cornée, à savoir l'épaisseur du stroma et le bruit présent, dû à la traversée des différentes couches cellulaires. Les résultats obtenus ne sont pas à la hauteur des attentes du projet.

Le transfert de technologies vers l'entreprise Tribvn a débuté. A la suite du projet, celle-ci commercialisera une solution clé en main d'acquisition et de traitement totalement automatisée des greffons cornéens humains, implantables dans les banques de cornées et les centres de recherche spécialisés. Les perspectives à plus long terme sont d'associer d'autres modèles d'observation et de quantification à cette chaîne de traitement. Notamment, les modèles mathématiques des mosaïques, reproduisant la géométrie et la morphologie des cellules, ainsi que leur évolution, seront utilisés pour améliorer les diagnostiques et préduire les suites dans le cas d'interventions chirurgicales ou de pathologies.

Communications internationales :
1. A BERNARD, G HOR, T TIFFET, K RANNOU, Y GAVET, JC PINOLI, S ACQUART, P GAIN, G THURET. 3D reconstruction and segmentation methods for endothelial cell count of stored corneas. Acta Ophthalmologica 2014;92 (s253). European association for Vision and Eye Research EVER 2014. Prix du meilleur poster section cornée/surface oculaire
2. ABERRA GUEBROU S, HE Z, GUILHEM M, GAVET Y, PINOLI JC, GAIN P, THURET G. Innovative, non-contact wide field imaging of corneal endothelium. European association for Vision and Eye Research EVER 2014.
3. K RANNOU, P GUERRERO, Y GAVET, JC PINOLI, G THURET, P GAIN. Spatial statistical analysis of the human corneal endothelial mosaic. Acta Ophthalmologica 2014;92 (s253). European association for Vision and Eye Research EVER 2014.
4. M TRONE, R JULIENNE, K RANNOU, A BERNARD, Z HE, Y GAVET, G THURET, P GAIN. Mathematical model of corneal reendothelialization after inadvertent descemetorhexis. Acta Ophthalmologica 2014;92 (s253). European association for Vision and Eye Research EVER 2014.

Revues à comité de lecture :
1. CAMPOLMI N, ACQUART S, HE Z, GAVET Y, JULLIENNE R, NAIGEON N, BERNARD A, FOREST F, PEOC'H M, THURET G, GAIN P. Inherent errors of the fixed-frame counting method for corneal endothelial cell density in eye banks. Cell Tissue Bank 2014 Sep;15:451-9
2. CAMPOLMI N, HE Z, ACQUART S, TRONE MC, BERNARD A, GAUTHIER AS, GARRAUD O, FOREST F, PEOC'H M, GAIN P, THURET G. Comparison of endothelial cell density of organ cultured corneas with the Cornea Donor Study. Cornea 2014;33:597-603
3. Y GAVET, JC PINOLI. Comparison and Supervised Learning of Segmentation Methods Dedicated to Specular Microscope Images of Corneal Endothelium. International Journal of Biomedical Imaging, vol. 2014, Article ID 704791, 13 pages, 2014. doi:10.1155/2014/704791

Les besoins en imagerie de l’endothélium cornéen concernent 2 domaines de l’ophtalmologie : qualification des greffons par les banques de cornée et diagnostic des pathologies cornéennes chez les patients. Les cellules endothéliales (CE) sont indispensable au maintien dans le temps de la transparence cornéenne. Les CE ne se renouvèlent pas et leur nombre (densité cellulaire endothéliale (DCE) en cellules/mm2) et leur morphométrie conditionnent le bon fonctionnement de la cornée à long terme. Dans les banques, la DCE est le principal paramètre qui détermine si la cornée doit être greffée ou détruite. Chez le patient, l’analyse des CE sert à établir le diagnostic de pathologies fréquentes de l’endothélium (guttata), à vérifier que la DCE est suffisante avant et après certaines chirurgies oculaires (réfractive et implants), et au suivi des greffés.

Le projet comporte trois volets:

Volet 1 : mettre à disposition des banques une chaîne complète quantitative d’acquisition et analyse d’image 3D de l’endothélium
Les CE sont analysées par microscopie spéculaire (MS) ou par microscopie optique (MO). La MS est utilisée aux USA (100000 greffons/an conservés une semaine en hypothermie), car les CE sont visibles sur les greffons qui restent peu œdémateux et peu plissés. La MO est utilisée en Europe (100000 greffons/an conservés 3 à 5 semaines en organoculture, mais qui deviennent temporairement œdémateux et plissés). Les difficultés du comptage sont liées à la visualisation imparfaite des CE sur des surfaces plissées (3D). Les comptages manuels (pourtant encore largement utilisés) ne sont pas fiables et doivent être remplacés par de l’analyse d’image.

Volet 2: modélisation morphologique de la mosaique endothéliale
La mosaïque des CE est une monocouche jointive sans régénération significative. Cependant, l’équipe BiiGC vient de mettre en évidence une migration centripète lente de CE à partir de clusters de CE à l’extrême périphérie. Ce volet portera sur la modélisation morphologique et la simulation numérique de la mosaïque cornéenne. Ceci permettra de définir des concepts, modèles et méthodes visant à générer des images d'assemblages cellulaires issues des différentes modalités (microscopie optique classique, microscopie spéculaire). Il s'agira d'étudier les diagrammes de Voronoï définis en 2D ou 3D, et d'étendre cette théorie aux diagrammes de Voronoï prenant en compte les tons de gris des images. Cette approche entièrement nouvelle permettra de simuler des images de différents endothéliums cornéens humains et leurs évolutions normales ou pathologiques.

Volet 3: développer un microscope à lumière structurée
Chez les patients, l’imagerie des CE est actuellement faite en MS non-contact dont les principes datent de 1968. Ces MS donnent des petites images (env.100 CE) sans analyse d’ensemble de la mosaïque. L’équipe I&M a obtenu la POC de l’imagerie endothéliale large champ par illumination en lumière structurée non-contact chez le patient ou sur le greffon.

Ce projet de recherche se place dans la continuité des travaux menés depuis maintenant 10 ans entre l’équipe BiiGC de la faculté de médecine et du CHU de Saint-Étienne et l’équipe I&M (FRE ENS des Mines / CNRS 3312). Ces travaux ont notamment consisté en l’encadrement de 2 thèses de doctorat (2007 et 2011, ENS des Mines) ainsi qu'un post-doctorat (2011-2012), la commercialisation d’un logiciel (Cornea™, entreprise TRIBVN), un dépôt de protection logicielle à l’AAP (Agence de Protection des Programmes) ainsi qu’à la publication de nombreux articles scientifiques (voir références en annexe).
En outre, ces recherches originales ne sont pas concurrencées au niveau français et très peu au niveau international. Très peu d’outils, répondant aux critères de qualité, de reproductibilité et d’automatisation, sont disponibles sur le marché.