Cartographie multi-échelle et biomécanique de la cornée humaine saine ou pathologique – CorMecha

Notre approche expérimentale repose sur la combinaison originale d'un dispositif de gonflement contrôlé permettant des tests mécaniques et de systèmes d'imagerie de pointe, principalement un microscope par Génération de Second Harmonique (SHG) résolue en polarisation permettant d’imager la structure de la cornée.

En effet, la microscopie SHG est la seule technique d'imagerie capable de visualiser spécifiquement le collagène sans aucun marquage et en profondeur dans des tissus épais. Cependant, les images SHG obtenues en épidétection sont homogènes et ne révèlent que les stries stromales en contraste négatif. L'imagerie des lamelles de collagène est possible en transdétection, mais n'est pas compatible avec les chambres cornéennes usuelles. C’est pourquoi nous avons utilisé la microscopie SHG résolue en polarisation (P-SHG) qui consiste à enregistrer une série d'images SHG excitées par des polarisations linéaires avec différentes orientations et qui fournit l'orientation du collagène avec une résolution sub-micrométrique, même dans des images homogènes. Nous avons ensuite développé des pipelines de traitement d'images pour analyser ces données P-SHG. Nous avons notamment segmenté les lamelles afin d’en extraire des mesures structurelles sur toute la profondeur de cornées intactes.

Nous avons également mis au point un dispositif de gonflement pour imiter les variations de la pression intraoculaire Il est composé d'une chambre qui peut être facilement placée sous un microscope SHG ou un tomographe à cohérence optique (OCT) et où est mesurée la pression, reliée à un injecteur qui permet de contrôler avec précision le volume injecté et le débit d'injection. Une corrélation d'images numériques (DIC) en 2D et 3D est ensuite effectuée afin d'obtenir des cartes de déformation de la cornée en fonction de la pression. Les images OCT ont également été utilisées pour construire un maillage spécifique de la cornée que nous avons combiné à un modèle de structure du collagène pour réaliser des simulations par éléments finis des tests de gonflement. Enfin, des tests de gonflement ont également été réalisés après divers types de chirurgie réfractive afin d'évaluer les éventuelles altérations biomécaniques des cornées.

Outre les outils numériques déjà mentionnés, des outils d'intelligence artificielle ont été utilisés pour analyser la valeur des indices du CorvisST dans le diagnostic des troubles stromaux et endothéliaux de la cornée. CorvisST est le principal dispositif clinique utilisé pour différencier le kératocône et d'autres ectasies cornéennes des cornées normales. Des données cliniques préopératoires et postopératoires ont également été recueillies chez des patients atteints de kératocône ayant subi une implantation de segments annulaires intrastromaux, et divers modèles d'apprentissage automatique ont été entraînés pour prédire les améliorations de l'acuité visuelle postopératoire.

Nous avons imagé plusieurs cornées humaines contrôles et pathologiques à l'aide d'un microscope P-SHG et obtenu de nouvelles données sur la structure lamellaires du stroma. Les lamelles de collagène sont principalement orientées selon l'axe inférieur-supérieur dans le stroma antérieur et selon l'axe nasal-temporal dans le stroma postérieur, avec un changement progressif entre ces 2 régions, et elles présentent davantage de désordre dans le stroma antérieur. Le décalage angulaire entre deux lamelles consécutives le long de la profondeur stromale est proche de 90° dans le stroma postérieur et plus variable dans le stroma antérieur. La taille des lamelles (épaisseur et surface) augmente du stroma antérieur vers le stroma postérieur. Cette structure lamellaire est perturbée dans les cornées kératoconiques.

Des tests de gonflement ont été réalisés sous microscope OCT ou SHG et les cartes de déformation principales ont été obtenues par DIC. Nous avons observé une forte compression, avec une hétérogénéité dépendante de la profondeur, qui ne peut s'expliquer que par d'importants flux d'eau vers l'extérieur. En nous concentrant sur les stries stromales, nous avons observé que leur configuration ne change pas avec la pression, même bien au-delà de la pression physiologique. Les déformations principales sur les stries augmentent en profondeur dans la cornée. Nos résultats sont cohérents avec le fait que les stries sont des ondulations des lamelles de collagène qui se déplient progressivement quand la pression augmente. Ces stries diminuent la rigidité globale de la cornée, en particulier dans la partie postérieure, et peuvent ainsi contribuer à s'adapter aux déformations. Enfin, les tests de gonflement réalisés après une chirurgie réfractive ont montré que toutes les cornées traitées présentaient une réduction significative de leur épaisseur et de leur module d'Young par rapport au groupe témoin. Parmi les techniques chirurgicales, le LASIK a entraîné la plus forte réduction de la rigidité cornéenne, tandis que la PRK a eu le moins d'impact.

Les analyses d'intelligence artificielle ont montré que les indices CorvisST sont pertinents pour diagnostiquer et distinguer les différentes pathologies stromales. En ce qui concerne le kératocône, les modèles ont démontré d'excellentes performances. Les caractéristiques clés pour des prédictions précises comprenaient les valeurs de kératométrie préopératoire, l'asphéricité cornéenne et l'acuité visuelle.

Le projet CorMecha a donné de nombreux résultats ouvrant plusieurs perspectives.

Tout d’abord, la caractérisation fine de la structure des cornées kératoconiques a permis de mieux comprendre l’origine de cette pathologie et pourrait aider à développer un diagnostic plus précis ou plus précoce. Cela nécessite de compléter le projet CorMecha par des études cliniques pour valider les hypothèses physiopathologiques déduites de nos expériences sur des kératocônes très avancés.

Les diverses études d’intelligence artificielle menées dans le cadre de ce projet pourraient être étendues à d’autres types de pathologies cornéennes et à d’autres types de données cliniques. Là encore, ces études devront être validées par des études cliniques.

Enfin, une nouvelle série de tests de gonflement de la cornée combinés à une imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT) haute résolution ou à une microscopie multiphotonique pourrait être utilisée pour compléter le projet CorMecha. Ces tests permettraient de mesurer simultanément la déformation et la microstructure, en particulier sur les cornées après une intervention chirurgicale, en mettant l'accent sur les zones cicatrisées. Ces données pourraient être utilisées pour créer un modèle par éléments finis qui simule la réponse de la cornée à la pression avant et après l'intervention chirurgicale. Il s'agirait d'une étape clé dans la création d'un jumeau numérique de la cornée en combinant des données mécaniques, microstructurelles et cliniques. Cela pourrait améliorer la chirurgie réfractive en intégrant une prise en compte personnalisée de la mécanique cornéenne, qui est actuellement absente des profils d'ablation laser et qui est à l'origine d'erreurs réfractives résiduelles. Ces perspectives constituent la base d'une nouvelle proposition soumise à l'appel ANR 2026.

La cornée se caractérise par sa transparence et son pouvoir de réfraction, ainsi que des propriétés biomécaniques spécifiques. Son comportement viscoélastique est essentiel pour maintenir une courbure constante malgré les modifications de la pression intraoculaire (PIO) et les diverses forces appliquées sur la cornée. Un défaut dans les propriétés mécaniques est impliqué dans certaines pathologies, principalement le kératocône qui se caractérise par un amincissement de la cornée, une diminution de sa résistance mécanique et la formation d'un cône, et altère la vision à cause d'un astigmatisme irrégulier élevé et d'une opacification cornéenne. Le kératocône, parfois appelé ectasie, est une complication possible de la chirurgie réfractive cornéenne. De plus, la correction de la myopie par ce type de chirurgie donne des résultats variables, qui peuvent s'expliquer par la variabilité interindividuelle des réponses en cicatrisation et des comportements biomécaniques.
Ce projet se base sur l'hypothèse que les propriétés biomécaniques de la cornée sont étroitement liées à sa structure multi-échelle, hypothèse classique pour les tissus conjonctifs et basée sur des observations expérimentales et des simulations numériques. Ce projet suppose en outre que des propriétés biomécaniques défectueuses de la cornée sont dues à une structure défectueuse. Le stroma cornéen se compose d'un empilement de plusieurs centaines de lamelles de 1 à 3 µm d'épaisseur, constituées de fibrilles de collagène (25-30 mm de diamètre) alignées régulièrement pour assurer la transparence de la cornée. Les lamelles sont empilées parallèlement les unes aux autres, mais leur taille et leur orientation dans le plan de la cornée varient selon leur position dans l’épaisseur et l’étendue de la cornée. Des stries verticales, correspondant à des ondulations lamellaires, sont également présentes dans le stroma postérieur et sont impliquées dans la réponse mécanique. Cependant, cette organisation hiérarchique anisotrope de la cornée et ses conséquences physiologiques sur la biomécanique cornéenne sont encore mal caractérisées en raison des limites des techniques classiques.
Ce projet vise à : (i) mettre en place un atlas de la structure 3D de la cornée allant de l'échelle sub-micrométrique (organisation intra-lamellaire des fibrilles de collagène) à l'échelle millimétrique à centimétrique (distribution des lamelles dans la cornée entière, stries stromales), (ii) mesurer précisément les propriétés biomécaniques liées à cette structure dans des conditions physiologiques et pathologiques (PIO élevée, kératocône, après photo-ablation) et (iii) modéliser la biomécanique cornéenne à partir de ces données structurales et macroscopiques afin de comprendre le rôle des diverses structures du stroma. Il repose sur la combinaison originale d'un dispositif de gonflement contrôlé et de systèmes d'imagerie de pointe, principalement un microscope par Génération de Second Harmonique résolu en polarisation. Des outils et des pipelines de traitement informatique seront développés pour traiter les très grands volumes de données (Gb à Tb) générés et quantifier des paramètres d'intérêt cliniquement pertinents. Une analyse statistique avancée des séries de données cliniques (topographie cornéenne…), structurelles (OCT, confocal, SHG…) et mécaniques obtenues sur la même cornée sera ensuite effectuée pour les cornées normales, kératoconiques et photo-ablatées. L'objectif ultime est double : (i) transférer les caractéristiques structurelles observées avec des microscopes avancés en caractéristiques facilement détectables par des techniques couramment utilisées en ophtalmologie clinique, afin de permettre le diagnostic de défauts structurels liés à des propriétés mécaniques anormales, (ii) mettre au point un modèle simplifié pour servir d'outil prédictif aux cliniciens et améliorer les procédures de chirurgie réfractive personnalisée.