Imagerie optique 3D d'ondes mécaniques et des propriétés viscoélastiques de tissus biologiques pour la detection du cancer et de la scoliose – VISCO

La mesure quantitative des propriétés viscoélastiques des cellules et de leur microenvironnement est fondamentale pour de nombreux projets de biologie et physique fondamentale, et pour le diagnostic biomédical. Néanmoins, il n’existe à ce jour pas de solution technologique adaptée. Le but du projet VISCO est d’inventer une nouvelle imagerie optique 3D sans marquage pour mesurer les propriétés viscoélastiques d’un tissu biologique épais à l’échelle cellulaire, et de corréler cette information à la physiologie des cellules qui le composent. Un nouveau microscope sera construit sur le principe de la tomographie à cohérence optique plein champ dans le domaine spectral, afin d’obtenir des cartes de déplacements mécaniques micrométriques en 3D et à haute cadence, et ainsi reconstruire l’élasticité et la viscosité du milieu. Nous utiliserons cette nouvelle technologie pour le diagnostic histopathologique et la caractérisation de l’élasticité musculaire dans un modèle animal de scoliose idiopathique.

Plus précisément, la tomographie à cohérence optique plein champ repose sur l’enregistrement d’un interferogramme optique 2D avec une source à faible cohérence, de telle sorte à ce que le terme d’interférence soit localisé à une profondeur donnée dans l’échantillon. En mesurant cet interférogramme à des longueurs d’ondes multiples, une information axiale peut être retrouvée par le biais d’une transformée de Fourier. Le projet VISCO vise à créer un tel microscope pouvant permuter entre deux configurations ; une pouvant réaliser des acquisitions à haute résolution à 100 volumes/s et une seconde permettant d’augmenter la cadence à 20 000 volumes/s au prix d’une perte de résolution.

Ce montage va permettre de réaliser de la tomographie à cohérence optique volumétrique à haute résolution et haute cadence. L’analyse des fluctuations intrinsèques du signal au cours du temps permet d’imager les cellules présentes dans un tissu, car elles ont des fluctuations plus importantes dues au transport actif réalisé par les cellules. L’analyse de ces fluctuations nous permet de remonter également au métabolisme de la cellule et à sa physiologie, et sera effectué en 3D simultanément pour la première fois au cours du projet VISCO.

De plus, ces acquisitions de données permettront de mesurer des déformations locales induites dans le tissu, afin de mesurer les propriétés viscoélastique du tissu. La déformation transverse va être mesurée par corrélation d’images 2D, et la déformation axiale par la mesure de la différence de phase entre deux plans successifs du volume, ce qui n’est possible dans les tissus qu’avec l’imagerie volumétrique développée dans la première partie du projet.
Ainsi, des contraintes vont être appliquées sur l’échantillon, soit sous forme de cisaillement large échelle, soit via la génération d’ondes de cisaillement. La déformation locale induite sera alors mesurée pour étudier les propriétés rhéologiques du milieu. Grâce à la versatilité du montage optique développé, le tenseur de déformation complet pourra être mesuré, et ce pour différentes contraintes, permettant de tester de nombreux modèles rhéologiques des tissus à l’échelle cellulaire.

Le microscope ainsi développé permettra ainsi la corrélation entre l’architecture du tissu, la physiologie des cellules qui le composent, et la viscoélasticité de la matrice extracellulaire et des cellules, et ainsi d’étudier les relations et dépendances entre ces différentes propriétés. Une des questions essentielles de biophysique qui sera étudiée est comment les propriétés viscoélastiques des tissus peuvent permettre de transmettre un signal biologique. Deux cas pathologiques, le développement de tumeurs invasives, et le développement de l’axe du corps, dans le cadre de la scoliose idiopathique, seront particulièrement étudiés.