Histologie massive basée sur la microscopie à tomographie par cohérence optique

L'histologie consiste en l'étude des tissus vivants à l'échelle microscopique. Cette discipline a permis de grandes avancées, tant en biologie qu'en médecine, allant de la découverte de la cellule, jusqu'à devenir l'outil de prédilection pour le diagnostic de nombreuses maladies. L'avènement de l'histologie s'est fait en parallèle avec le développement du microscope, nécessaire pour visualiser les tissus sous grossissement. La microscopie est par nature limitée à imager une très petite région d'intérêt et ne donne donc qu'un petit aperçu de l'échantillon en entier. Récemment, des microscopes tomographiques sériels combinant la microscopie au sectionnement du tissu ont permis d'imager automatiquement de larges échantillons de tissu à l'échelle du micron. Des algorithmes spécifiquement développés pour ces appareils permettent de reconstruire dans une grande matrice tridimensionnelle l'échantillon imagé. Dans le cadre de cette thèse, un tel système a été construit avec la tomographie par cohérence optique comme modalité d'imagerie. Cette technique d'imagerie, qui est basée sur la réflectance intrinsèque des tissus, permet une acquisition de données volumétriques à haut débit en plus d'offrir une haute résolution spatiale et une bonne pénétration dans les tissus. Le système développé a permis d'imager de façon fiable et répétable un organe de souris en l'espace de quelques heures avec un voxel d'une taille de (4,88 x 4,88 x 6,5) μm. L'objectif général de ce projet était d'utiliser le système développé pour faire des études de groupe sur la souris, pour répondre à des questions spécifiques. D'abord, une validation du système d'imagerie était de mise pour vérifier que la plateforme d'imagerie donne une représentation fidèle du tissu in vivo. En imageant une population de cerveaux de souris in vivo en imagerie par résonance magnétique, puis avec la plateforme d'imagerie, les déformations entre les modalités d'imageries furent quantifiées. L'utilisation d'outils d'analyses morphométriques développés pour l'imagerie par résonance magnétique a démontré que le sectionnement et la fixation ne déforment pas de façon significative le tissu et que les algorithmes permettant la reconstruction en un volume tridimensionnel donnent une représentation fidèle du cerveau in vivo. Cette démonstration ouvre la voie à des études de groupes s'intéressant à des altérations microscopiques dans un organe entier. Considérant la répétabilité et la fiabilité prouvée de la plateforme d'imagerie, l'effet du vieillissement normal sur le coeur de la souris a été examiné. En comparant les coeurs de souris jeunes à ceux de souris âgées, il a été mis en évidence que des changements dans l'architecture du myocarde s'opèrent en vieillissant. Chez les souris âgées la paroi du ventricule gauche s'épaissit résultant en une diminution du taux de changement d'orientation des fibres musculaires dans cette même paroi. En imageant préalablement la fonction cardiaque de ces mêmes coeurs in vivo, il fut démontré que ces changements microscopiques s'accompagnent de changements fonctionnels.

Abstract

Histology consists in the study of biological tissue at the microscopic scale. This discipline has led to great advances in biology, such as permitting the discovery of the cell and in medicine, where it is to this day the gold standard to detect many diseases. The advent of histology has been brought to in parallel with the development of microscopy, necessary to visualize tissues under magnification. Microscopy is limited to imaging small field of views, thus giving only a small representation of the entire sample. Recently, serial scanning microscopes, combining light microscopy and tissue sectioning have allowed to automatically image large tissue samples, expanding the imaged region to the order of the centimeter while keeping micrometer scale resolution. Post processing algorithms, specifically developed for serial scanning microscopes, are used to reconstruct in large 3D datasets the imaged sample. In this thesis, a serial scanning optical coherence tomography microscope was developed. This imaging modality, based on the intrinsic reflectance of tissue, allows high-speed acquisition of volumetric datasets at micrometer scale spatial resolution and penetrates deep in biological tissue. The developed platform allowed reliable and repeatable imaging of whole mouse organs within a time lapse of a few hours with a voxel size of (4,88 x 4,88 x 6,5) μm. The general objective of this project was to use this developed imaging platform to perform group studies on mice, to answer specific questions on tissue morphology. First, a system validation was required to verify that the imaging platform gives reliable representation of in vivo tissue. By imaging a group of in vivo mice brains with magnetic resonance imaging before serial sectioning, inter-modality deformations were quantified. The use of morphometric analysis tools developed for magnetic resonance imaging demonstrated that tissue sectioning and fixation does not significantly deform tissue and that reconstruction algorithms to obtain a large 3D dataset give a reliable representation of the in vivo brain. This proof of concept investigation opens the way to further group studies looking at microscopic alterations in an entire small animal organ. Considering the previously demonstrated repeatability and reliability of the imaging platform, the effect of normal aging on the mouse heart was examined. By comparing hearts of young and old mice, it was shown that architectural changes in the myocardium occur with aging. In old mice, there was a thickening of the left ventricle wall, which showed a decrease of muscle fiber orientation change. Prior imaging of the cardiac function in vivo revealed that these microscopic changes in morphology were accompanied by changes in the heart function.