Développement d'un système de diagnostic in vivo non invasif en temps réel par Spectrométrie de Masse : REALITY'MS – REALITY'MS

L’instrument SpiderMass développé repose sur le développement d’une sonde de micro-échantillonnage des tissus in-vivo basée sur l’ablation laser puis le transport en temps-réel des ions produits en phase gazeuse, via un tube de transfert et une interface modifiée, au spectromètre de masse qui effectue l’analyse de l’échantillon en temps-réel. La sonde utilise une source laser constituée d’un laser de pompe et d’un OPO permettant de générer un rayonnement accordable en longueur d’onde. La sonde est réglée pour être en résonnance avec la bande de vibration majeure des molécules d’eau constituant très majoritaire des tissus biologiques. Cette microsonde permet l’ablation de matière et la création d’ions avec un endommagement minimal à la surface. Les ions formés peuvent être transférés au spectromètre de masse via un tube dont la longueur peut-être de plusieurs mètres et permettant de déporter la source d’ions à plusieurs mètres du spectromètre. Les ions sont analysés en temps-réels par le spectromètre dont la source est modifiée et équipée d’une interface dédiée. Les profils moléculaires produits et suivis sont caractéristiques des tissus et du contexte physiologique ou physiopathologique (type cellulaire et phénotype). La réalisation de banques de données pour une pathologie ciblée permet d’envisager la réalisation d’un modèle de classification via des outils bioinformatiques. Ces modèles peuvent être utilisés pour une interrogation en temps-réel de la banque de données. Ainsi l’utilisation de cet outil dans un contexte de chirurgie au bloc opératoire permettait-il de définir les zones cancéreuses, de trouver les marges d’exérèses et de donner le stade de la pathologie.

A partir d’un prototype initial ayant démontré la capacité de réaliser des analyses en temps-réels sur des pièces de tissus ex-vivo, nous avons dans un 1er temps pu montrer la possibilité de réaliser des analyses in-vivo en temps-réel chez l’homme. Les résultats montrent que le SpiderMass est peu invasif, puisqu’il ne laisse qu’une trace blanche à la surface de la peau qui disparaît au bout de quelques minutes, et indolore. Les optimisations réalisées sur le système ont ensuite permis de réaliser une seconde version du prototype (SpiderMass v2.0) pour lesquels les paramètres de la microsonde, du tube de transfert, de l’interface au spectromètre et le spectromètre lui-même sont améliorés. Ce prototype est muni d’une source laser fibrée sur laquelle le tube de transfert est directement connecté. Il permet donc de réaliser des analyses en balayant la fibre laser à la surface des échantillons. Le tube de transfert présente un diamètre réduit à 3 mm de diamètre interne et utilise un matériau biocompatible et agrée pour les utilisations dans le domaine médical. Le système est dorénavant connecté à un spectromètre de masse de type IonMobility QTOF au travers d’une interface spécialement désignée pour l’application dont les performances en termes de sensibilité, précision de mesure de masse, stabilité de calibration, résolution spectrale, pouvoir résolutif et gamme de masse dynamique sont très nettement supérieures au spectromètre équipant le premier prototype. Le nouvel équipement permet donc d’utiliser à la fois les modes positifs et négatifs, et les essais réalisés démontrent que ces deux modes sont discriminants pour distinguer des phénotypes différents. La réalisation du SpiderMass 2.0 a permis d’entamer la réalisation des banques de données humaine et canine qui serviront à l’établissement de la classification.

Nous avons finalisé la seconde version du prototype (SpiderMass 2.0) et passé certains des milestones importants du projet comprenant la possibilité de développer une microsonde fibrée and la démonstration de la capacité du système à discriminer des tissus dans un contexte pathologique. Nous avons pu démontrer le fonctionnement du SpiderMass chez l’homme sans douleur. Les perspectives à court terme sont dédiées au développement des banques de données et l’établissement du modèle de classification ainsi que l’élaboration de l’interface permettant l’interrogation du modèle en temps-réel. Les banques sont actuellement en cours de réalisation. Les premières études bioinformatiques permettent d’orienter les algorithmes à utiliser pour établir le modèle au type de données générées. A plus long terme, le dernier objectif sera de transférer le prototype afin de l’adapter aux conditions réelles du bloc opératoire. Ceci sera réalisé en transposant SpiderMass 2.0 au bloc vétérinaire de la société OCR. L’ultime étape consistera à faire la preuve de concept du fonctionnement du SpiderMass comme outil de chirurgie guidé pendant une opération. A plus long terme, et hors du cadre du projet ANR, de futurs développements sont envisagés. Ces perspectives incluent la miniaturisation et la réalisation d’un système plus intégré pour ma microsonde ainsi que le développement d’un spectromètre de masse plus compact déplaçable. Des études sont envisagées également pour voir la possibilité de couplage de ce système sur des systèmes d’endoscopie haute résolution ou sur de robots de chirurgie tels les systèmes Da Vinci ou Rosa. Enfin, l’ajout d’une seconde sonde laser pour le traitement pourra être étudié.

-Finaliste Prix Fondation France Altran, Nov 2014
-Prix « Cutting Edge Technology », MATWIN, May 2015
-Programme Maturation SATT Nord, July 2015
-Publication: Fatou, B., Saudemont, P., Leblanc, E., Vinatier, D., Mesdag, V., Wisztorski, M., Focsa, C., Salzet, M., Ziskind, M., and Fournier, I. (2016) In vivo Real-Time Mass Spectrometry for Guided Surgery Application. Scientific reports 6, 25919 (IF:5.578)
-Brevet: Dépôt France Sept 2014, dépôt Europe 2015, Publié Mars 2016 ; I. Fournier, M. Salzet, B. Fatou, M. Wisztroski, C. Focsa, M. Ziskind. Device for Real-Time in-vivo Molecular Analysis WO 2016046748(A1)

L’obtention de données diagnostics et pronostics sont des informations cruciales pour les cliniciens et les chirurgiens pour leur décision sur le traitement et la prise en charge des patients atteints de tumeurs. Cette étape doit être pratiquée avec des moyens les moins invasifs possibles afin de minimiser l’endommagement corporel. A l’heure actuelle les outils des diagnostics conventionnels qui répondent le mieux à ces critères sont les technologies d’examen in-vivo non-invasives parmi lesquelles l’IRM et le PET-Scan. Cependant, si ces technologies donnent accès à différentes données d’importance telle que la mesure du volume tumoral elles présentent malheureusement certaines limitations pour déterminer le stade et le grade de la pathologie qui requièrent l’accès à des informations moléculaires. De nos jours, la gradation des tumeurs reste encore largement basée sur l’examen pathologique via l’histologie et l’immunohistochimie. Cependant, ces examens peuvent présenter de nombreuses difficultés sur la lecture des données entraînant une variabilité plus ou moins forte inter-examen ou restent ciblés sur quelques marqueurs sélectionnés dans le cas de l’immunohistochimie e.g. KI-67, cytokeratins or P53 pour le cancer de l’ovaire. Plus récemment, les diagnostics se sont vus améliorés par l’émergence pour certaines pathologies de l’utilisation de systèmes de PCR quantitative ciblant des bouquets de marqueurs. Cependant, ces examens restent parfois relativement longs et nécessitent la pratique de multiples biopsies chez le patient. Ces examens deviennent ainsi compliqués à gérer lorsque le résultat est requis par le praticien en cours d’intervention. Sur la base des outils actuellement utilisés il reste extrêmement difficile aux cliniciens de pouvoir déterminer les tissus à exciser et les marges d’exérèses. Pour pouvoir pallier à ce manque il faut rechercher à développer un instrument utilisable au bloc opératoire et permettant de sonder en temps réel afin de collecter des informations moléculaires. C’est l’objectif final que nous nous sommes donnés dans la réalisation du projet REALITY’MS, développer un instrument pour le bloc opératoire pour le diagnostic in vivo en temps réel chez les patients. Parmi les différentes technologies disponibles nous avons choisit de baser notre instrument sur une détection par spectrométrie de masse pour les différentes qualités que présente cette technique en termes de sensibilité, rapidité, d’automatisation, de fiabilité, de robustesse et de capacité à séparer les constituants de mélanges complexes. Le principe de l’instrument sera basé sur l’obtention de profils moléculaires (signatures moléculaires) des régions qui seront sondées. Les différents travaux réalisés ont démontré la capacité de la spectrométrie de masse à fournir des signatures moléculaires spécifiques à partir de tissus suivant les types cellulaires étudiés, et en particulier de distinguer des tissus bénins, cancéreux et les régions intermédiaires. En effet, le métabolisme particulier des cellules cancéreuses entraîne des changements profonds dans les différentes classes de biomolécules présentent dans ces cellules. Ainsi, en créant un modèle de signatures moléculaires de référence pour les différents stades et grades d’une pathologie, il devient possible d’associer une signature détectée en temps-réel à une gradation de la tumeur pour que le clinicien puisse poser un diagnostic. REALITY’MS a donc pour vocation de permettre au chirurgien de poser un diagnostic rapide et fiable, sans nécessité de pratiquer de multiples biopsies, lui permettant de déterminer les zones à exciser et les marges d’exérèses. L’instrument sera développé afin de pouvoir se corréler aux autres modalités d’imagerie utilisées en routine au bloc opératoire pour la chirurgie guidée comme l’IRM, l’échographie ou encore de nouvelles thérapies innovantes telles que la thermothérapie laser (LITT) ou la thérapie photo-dynamique (PDT).