Validation de l'imagerie intravasculaire par tomographie par cohérence optique sérielle et microscopie confocale en fluorescence

Les récentes avancées dans le domaine de la biophotonique offrent de nouveaux outils prometteurs dans le champ de l'histologie, plus précisément dans l'étude des maladies cardiovasculaires. En effet, la combinaison de différentes techniques d'imagerie, comme l'ultrasonographie intravasculaire (IVUS), la spectroscopie proche infra-rouge (NIRS), la tomographie par cohérence optique (OCT) et l'imagerie moléculaire par fluorescence (NIRF) offrent tous des avantages qui permettent d'améliorer les diagnostics autant en recherche fondamentale que dans le domaine de la santé clinique. Dans les études ex vivo, l'histologie conventionnelle demeure à ce jour le ''gold standard'' de mesure de géométrie et de composition moléculaire de plaques d'athérosclérose. Cependant, certains problèmes liés à l'histologie rendent cette méthode imparfaite. En effet, même si cette dernière offre beaucoup d'information sur la composition moléculaire des tissus étudiés, le sous-échantillonnage de l'organe fait en sorte que beaucoup d'information par rapport à la localisation de la tranche est perdue. Plus précisément, dans le domaine de la cardiologie, il est d'un grand intérêt d'obtenir des outils de diagnostic permettant de cibler et de localiser avec précision les plaques d'athéroscléroses vulnérables, à risque de se rupturer et de causer des syndromes coronaires aigus (ACV, infarctus du myocarde). Le document suivant présente une méthode permettant de colocaliser les plaques d'athérosclérose imagées in vivo avec un cathéter multimode développé par le Laboratoire d'Imagerie Optique Moléculaire (LIOM) et avec un microscope à double modalité (OCT, microscope confocal en fluorescence). La méthode a été testée sur 5 lapins New Zealand White maintenu sur une diète riche en cholestérol pendant 14 semaines. Différents lits vasculaires ont ensuite été imagés à l'aide d'un cathéter IVUS/NIRF. Un marqueur fluorophore lié à une molécule d'adhésion (Inter Cellular Adhesion Molecule-1, ou ICAM-1) était injecté au site imagé afin d'obtenir un signal en fluorescence provenant de plaques athérosclérotiques. Les animaux ont ensuite été sacrifiés et les lits vasculaires ont été conservés pour être imagés avec notre microscope OCT/confocal en fluorescence. Le microscope était combiné à un vibratome lié à une lame de rasoir et de moteurs de précision micrométrique, permettant de trancher très finement l'échantillon et d'imager successivement et automatiquement chaque tranche. Cela nous permettait, à l'aide d'algorithmes développés en Python, d'obtenir une reconstruction entière de l'artère, et par le fait même de localiser avec précision les plaques athérosclérotiques. Les expériences ont aussi montré qu'il est possible de récupérer les tranches après l'acquisition de données et de les analyser en histologie conventionnelle, ce qui permet de valider les résultats obtenus in et ex vivo. Bien qu'il s'agisse d'une étude préliminaire, l'étude s'est avéré être une preuve de concept valide, permettant de démontrer la faisabilité de la méthode. Mon projet s'inscrit dans une étude plus large menée sur des lapins et des porcs diabétiques conjointement par l'Institut de Cardiologie de Montréal (ICM) et Polytechnique Montréal qui cible les plaques vulnérables. L'étude globale vise à développer des méthodes invasives d'imagerie par cathétérisme pour la caractérisation de la vulnérabilité des plaques d'athérosclérose en combinant plusieurs modalités in vivo, incluant l'ultrasonographie intravasculaire (IVUS), l'histologie virtuelle (VH), la spectroscopie par proche infra-rouge (NIRS), la tomographie par cohérence optique (OCT) et l'imagerie moléculaire par fluorescence (NIRF) (cette dernière ciblant une molécule d'adhésion cellulaire (ICAM-1) et les monomères de collagène); la validation des résultats est obtenue par histologie massive en imagerie 3-D puis par histologie conventionnelle avec immunohistochimie. Le cathéter multimodalités mis au point par notre équipe permet d'ailleurs la collecte des images IVUS et NIRF. Plus précisément, mon projet de maîtrise portait sur le développement d'une méthode permettant de colocaliser les plaques d'athérosclérose entre les données dans les données acquises avec le cathéter et avec un microscope à double modalité (OCT, microscope confocal en fluorescence). Les deux microscopes combinés permettent de simultanément obtenir une carte anatomique des vaisseaux (OCT) et d'obtenir un signal en fluorescence provenant de la plaque d'athérosclérose (confocal). En raison des longueurs d'ondes beaucoup plus courtes utilisées (proche infrarouge), l'OCT offre une résolution latérale supérieure que l'IVUS, et son aspect interférométrique permet d'imager en trois dimensions. L'OCT offre aussi une meilleure résolution axiale grâce à sa courte longueur de cohérence. Cependant, puisque le proche infrarouge est beaucoup diffusé dans les tissus vivants, l'OCT n'a pas eu très grande longueur de pénétration. Pour remédier à cela, un sectionnement automatique du segment vasculaire d'intérêt effectué à l'aide d'une lame tranchante liée à un vibratome, ce qui nous permettait d'imager le segment de vaisseau entier en recollant par ordinateur des tranches minces (200um) imagées successivement. Le mémoire suivant présente la méthode que nous avons mise au point ainsi que la publication qui en a résulté, soit un article dans le International journal of Molecular Biology.

Abstract

Recent advances in biophotonics are offering new tools in the field of histology. Imaging techniques such as Optical Coherence Tomography (OCT), intravascular ultrasound (IVUS), nearinfrared spectroscopy (NIRS), near-infrared fluorescence imaging (NIRF) and their combination all have advantages that can lead to more precise diagnostics, both in fundamental research and in clinical sciences. In the field of cardiology, conventional histology remains as of today the gold standard for measuring atherosclerotic plaque geometry and molecular composition. However, conventional histology does have its shortcomings. For instance, even if histology gives plenty of information of tissue molecular composition, it requires the experimenter to significantly downsample the studies organ, thus losing information on tissue localization. This manuscript describes a novel approach developed by our laboratory, Laboratoire d'Imagerie Optique Moléculaire (LIOM), that allows us to colocalize atherosclerotic plaques imaged in vivo with a multimodal catheter (IVUS, NIRF) with a double-modality (OCT, confocal fluorescence microscopy). The method was tested on 5 New Zealand White rabbits subjected to a cholesterolrich diet for 14 weeks. Pullbacks were performed with the catheter on different vascular beds in the rabbit aortas. A fluorophore bound to an adhesion molecule (Inter Cellular Adhesion Molecule- 1, or ICAM-1) was injected in the bloodstream before pullbacks, offering a source of signal for the fluorescence imaging. Vascular beds were then salvaged after sacrifices, embedded in agarose gels and imaged in the OCT/confocal microscope built by our team. A vibratome attached to a razorblade and micrometer-precise motor were used to cut thin slices automatically, allowing to image each slice one after the other. Custom algorithms written in Python allowed to stitch all the slices, in order to obtain a 3D view of the whole segment (massive 3D histology). The slices could also be saved for conventional histology after the procedure. This allowed us to validate measurements done with the catheter and the microscope.