DS0413 - Technologies pour la santé

Modalité d'imagerie ultrasonore cellulaire pour quantifier l'agrégation érythrocytaire in vivo – CUMBA

Modalité d'imagerie ultrasonore cellulaire pour quantifier l'agrégation érythrocytaire in vivo

Quantification en continu de l'agrégation érythrocytaire pour une détection précoce de l’inflammation

Enjeux

Les globules rouges (GRs) en écoulement dans les vaisseaux sanguins s’agrègent ou se désagrègent formant un processus réversible. L’agrégation est un phénomène physiologique normal  et confère aux agrégats la forme de rouleaux ou de structures tridimensionnelles enchevêtrées. Cependant, l’hyperagrégation est associée à plusieurs pathologies impliquant des désordres rhéologiques sanguins menant à des dysfonctionnements microvasculaires et à la thrombose veineuse. Elle est principalement corrélée à l’augmentation de macromolécules plasmatiques. L’hyperagrégation des GRs est un marqueur global d’inflammation durant une maladie ou une chirurgie, et se produit pour des états chroniques (obésité, diabète, athérosclérose) et des sepsis. Dans le contexte de la transplantation d’organe, le suivi de l’agrégation des GRs pourrait être un marqueur pertinent de l’inflammation et de la perfusion tissulaire pour vérifier la qualité des organes à transplanter. La plupart des organes prélevés pour un don proviennent de donneurs en état de mort cérébrale. Cependant, les organes de ces patients présentent souvent des réponses inflammatoire et immunologique accrues les rendant non-transplantables. Pour une détection précoce de l’inflammation, notre projet CUMBA propose de quantifier en continu l’agrégation des GRs par une technique d’imagerie ultrasonore cellulaire. Ainsi, les variations d’agrégation érythrocytaire seront évaluées en temps réel comme marqueurs d’inflammation avant le retrait de l’organe. Le bénéfice médical est le contrôle en continu chez les donneurs en soins intensifs pour détecter toute modification d’agrégation et toute association inflammatoire dans l’organe à transplanter.

L’objectif principal du projet CUMBA est de développer une modalité d’imagerie ultrasonore cellulaire pour évaluer l’agrégation des GRs in situ et in vivo. A partir de l’analyse fréquentielle des signaux rétrodiffusés par le sang, l’outil ultrasonore que nous proposons permettra de quantifier des paramètres de structure: la taille moyenne, la compacité, la forme et l’orientation des agrégats. Cet outil permettra de quantifier l’hyperagrégation dans des artères ou des veines spécifiques du donneur d’organes. Avant d’évaluer la performance de cette nouvelle méthode d’imagerie cellulaire sur des études pathophysiologiques chez l’humain, il est nécessaire de calibrer et d’évaluer expérimentalement la précision de la méthode. A cette fin, un dispositif expérimental original de type cône-plan sera développé pour effectuer simultanément des mesures optique et ultrasonore sur des GRs vidés de leur hémoglobine ou sur des microparticules transparentes imitant des GRs. Ainsi nous comparerons la structure des agrégats estimée par les techniques ultrasonore et optique, l’optique servant de mesure de référence. Les tests de fiabilité du dispositif proposé impliquent la production de fantômes de GRs. Un montage microfluidique sera donc développé afin de produire des particules transparentes monodisperses de diamètre 10µm imitant les GRs avec des propriétés mécaniques et d’agrégation contrôlables. Par ailleurs, un nouveau développement théorique de la technique d’imagerie ultrasonore cellulaire sera proposé pour prendre en compte l’anisotropie des agrégats afin d’élaborer un modèle de diffusion optimal pour l’inversion des données expérimentales, et de différencier les agrégats dans des cas sain et pathologique. Finalement, une étude préclinique sera réalisée pour évaluer l’inflammation locale sur un modèle porcin de mort cérébrale avec notre outil d’imagerie ultrasonore cellulaire.

Les résultats marquants sont les suivants:
- La théorie de milieu effectif d'un agrégat de GRs a été développée afin de prendre en compte les composantes cohérente et incohérente de la diffusion par des agrégats de GRs afin d’étendre la validité du modèle en hautes fréquences. Un développement théorique basé sur la théorie de milieu effectif est proposé pour prendre en compte l’anisotropie des agrégats.
- La théorie de milieu effectif combinée à un facteur de structure polydisperse a été proposée afin d’estimer la distribution de tailles des agrégats de GRs. Nous avons proposé de réaliser deux expériences successives : une première expérience sur du sang cisaillé dans un dispositif de Couette couplé à une sonde ultrasonore, puis une seconde expérience sur le même échantillon de sang cisaillé dans un rhéomètre plan-plan couplé à un microscope. Cette étude montre que la théorie de milieu effectif combinée à un facteur de structure polydisperse est le modèle de diffusion le plus approprié pour caractériser les agrégats de GRs. Une corrélation satisfaisante (R2=0.95) est obtenue entre les distributions de tailles des agrégats estimées par ultrasons et par optique.
- Un dispositif cône-plan a été développé pour effectuer simultanément des mesures optique et ultrasonore et des tests sont réalisés sur des suspensions de particules de PMMA optiquement transparentes adaptées en indice de réfraction et en densité.
- Un montage microfluidique a été développé pour la production de billes d’alginate monodispersées d’un diamètre de 20µm. Sur ce montage, la génération des billes est reproductible grâce au contrôle du flux des solutions et l’observation par microscopie optique permet de suivre la réduction de la taille des gouttes.

Les travaux en cours sont structurés autour des trois actions principales:
- La production de microsphères d'alginate avec des propriétés mécaniques et d’agrégation contrôlables imitant des GRs.
- Des mesures optique et ultrasonore simultanées sur des GRs vidés de leur hémoglobine afin de valider la technique ultrasonore d'estimation de tailles des agrégats.
- La validation expérimentale du modèle de diffusion ultrasonore anisotrope.

Revues à comité de lecture
[1] De Monchy R., Destrempes F., Saha R. K., Cloutier G. & Franceschini E., Coherent and incoherent ultrasound backscatter from cell aggregates, J. Acoust. Soc. Amer. 140(3) 2173-2184, 2016

Conference proceedings
[2] de Monchy R., Chayer B., Cloutier G. & Franceschini E., Effective Medium Theory combined with a polydisperse Structure Factor Model for characterizing red blood cell aggregation, Proceedings of the 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium, doi:10.1109/ULTSYM.2016.7728606, Tours, 18th-21th September, 2016
[3] de Monchy R., Destrempes F., Saha R. K., Cloutier G. & Franceschini E., Coherent and incoherent ultrasound backscatter from cells in aggregated conformation, Proceedings of the 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium, doi:10.1109/ULTSYM.2016.7728605, Tours, 18th-21th September, 2016
[4] de Monchy R., Chayer B., Cloutier G. & Franceschini E., Experimental assessment of quantitative ultrasound technique for estimating aggregated red blood cell structures, 10th International Conference on Ultrasonic Biomedical Microscanning, Bonaire, 1-4 May, 2016

CONTEXTE. Les globules rouges (GRs) en écoulement dans les vaisseaux sanguins s’agrègent ou se désagrègent formant un processus réversible. L’agrégation est un phénomène physiologique normal et confère aux agrégats la forme de rouleaux ou de structures tridimensionnelles enchevêtrées. Cependant, l’hyperagrégation est associée à plusieurs pathologies impliquant des désordres rhéologiques sanguins menant à des dysfonctionnements microvasculaires et à la thrombose veineuse. Elle est principalement corrélée à l’augmentation de macromolécules plasmatiques. L’hyperagrégation des GRs est un marqueur global d’inflammation durant une maladie ou une chirurgie, et se produit pour des états chroniques (obésité, diabète, athérosclérose) et des sepsis.
Dans le contexte de la transplantation d’organe, le suivi de l’agrégation des GRs pourrait être un marqueur pertinent de l’inflammation et de la perfusion tissulaire pour vérifier la qualité des organes à transplanter. La plupart des organes prélevés pour un don proviennent de donneurs en état de mort cérébrale. Cependant, les organes de ces patients présentent souvent des réponses inflammatoire et immunologique accrues les rendant non-transplantables. Pour une détection précoce de l’inflammation, notre projet CUMBA propose de quantifier en continu l’agrégation des GRs par une technique d’imagerie ultrasonore cellulaire. Ainsi, les variations d’agrégation érythrocytaire seront évaluées en temps réel comme marqueurs d’inflammation avant le retrait de l’organe. Le bénéfice médical est le contrôle en continu chez les donneurs en soins intensifs pour détecter toute modification d’agrégation et toute association inflammatoire dans l’organe à transplanter.


OBJECTIFS. L’objectif principal du projet CUMBA est de développer une modalité d’imagerie ultrasonore cellulaire pour évaluer l’agrégation des GRs in situ et in vivo. A partir de l’analyse fréquentielle des signaux rétrodiffusés par le sang, l’outil ultrasonore que nous proposons permettra de quantifier des paramètres de structure: la taille moyenne, la compacité, la forme et l’orientation des agrégats. Cet outil permettra de quantifier l’hyperagrégation dans des artères ou des veines spécifiques du donneur d’organes. Avant d’évaluer la performance de cette nouvelle méthode d’imagerie cellulaire sur des études pathophysiologiques chez l’humain, il est nécessaire de calibrer et d’évaluer expérimentalement la précision de la méthode. A cette fin, un dispositif expérimental original de type cône-plan sera développé pour effectuer simultanément des mesures optique et ultrasonore sur des GRs vidés de leur hémoglobine ou sur des microparticules transparentes imitant des GRs. Ainsi nous comparerons la structure des agrégats estimée par les techniques ultrasonore et optique, l’optique servant de mesure de référence. Les tests de fiabilité du dispositif proposé impliquent la production de fantômes de GRs. Un montage microfluidique sera donc développé afin de produire des particules transparentes monodisperses de diamètre 10µm imitant les GRs avec des propriétés mécaniques et d’agrégation contrôlables. Par ailleurs, un nouveau développement théorique de la technique d’imagerie ultrasonore cellulaire sera proposé pour prendre en compte l’anisotropie des agrégats afin d’élaborer un modèle de diffusion optimal pour l’inversion des données expérimentales, et de différencier les agrégats dans des cas sain et pathologique. Finalement, une étude préclinique sera réalisée pour évaluer l’inflammation locale sur un modèle porcin de mort cérébrale avec notre outil d’imagerie ultrasonore cellulaire.

PARTENARIAT. Ce projet regroupe quatre laboratoires de recherche de compétences complémentaires: le LMA pour les techniques quantitatives ultrasonores dans la caractérisation des tissus, l’IRPHE dans le domaine de la mécanique des biofluides, le CINaM pour la génération de microparticules et le LBUM dans le domaine de l’imagerie ultrasonore et des études précliniques.

Coordination du projet

Emilie Franceschini (Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS DR12 _CINaM Centre National de la Recherche Scientifique délégation Provence et Corse _ Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille
LBUM University of Montreal Hospital Research Center (CRCHUM), Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics
CNRS DR12_IRPHE Centre National de la Recherche Scientifique délégation Provence et Corse_Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre
CNRS DR12_LMA Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique

Aide de l'ANR 566 384 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2016 - 48 Mois

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