Sonde de biopsie optique afin d'améliorer la sécurité et la précision de diagnostic des biopsies neurochirurgicales

L'évolution de la médecine moderne tend de plus en plus vers une approche personnalisée, nécessitant l'échantillonnage des tumeurs par biopsie pour des analyses histologiques, moléculaires et génomiques menant à un diagnostic précis. Les limites de sensibilité des techniques d'imagerie, les erreurs de ciblage et l'hétérogénéité des lésions sont des limitations importantes à cette approche conduisant souvent à des échantillons de mauvaise qualité, et au besoin de biopsies répétées. Cette thèse vise à la conception d'une aiguille de biopsie guidée par spectroscopie Raman pour améliorer la sécurité et l'efficacité de la procédure de biopsie du cerveau. Le premier objectif consiste à valider l'utilisation de la spectroscopie Raman pour fins de caractérisation de tissus cérébraux. L'intégration d'un système de sonde Raman peropératoire au flux de travail chirurgical et son optimisation pour utilisation en salle d'opération a été effectuée. Une preuve de concept au cours de résections de tumeurs cérébrales sur 10 patients a démontré que le système peut distinguer les tissus vitaux et nécrotiques avec une sensibilité de 84% et une spécificité de 89%. Le second objectif vise à intégrer cette technique dans une aiguille de biopsie commerciale. Ceci impose des contraintes techniques importantes qui ont nécessité l'utilisation d'une différente plage spectrale, le high wavenumber. L'utilisation du high wavenumber a d'abord été validée en utilisant la sonde peropératoire. Cette étude a été effectuée sur 17 patients, démontrant une détection de régions denses en cellules cancéreuses (> 60%) avec une sensibilité de 80% et une spécificité de 90%. L'intégration a ensuite été effectuée sur un premier prototype d'aiguille Raman, et nous démontrons pour la première fois l'utilisation de ce système in vivo dans un modèle de biopsie cérébrale porcine. Finalement, un deuxième prototype utilisant plus d'information spectrale a été développé. Nous présentons une preuve de concept effectuée pour la première fois sur 3 patients humains pendant des procédures de biopsies cérébrales. L'utilisation de ce prototype est prévue dans le cadre d'une étude clinique multicentrique. Les résultats de cette thèse doctorale préparent le terrain pour la traduction clinique de cette méthode de caractérisation moléculaire optique en temps réel pour une biopsie sécuritaire et efficace.

Abstract

The evolution of modern medicine is moving more and more towards a personalized approach, requiring the sampling of tumors with biopsy procedures for histological, molecular and genomic analyzes for an accurate diagnosis. Sensitivity limits of imaging techniques, targeting errors and lesion heterogeneity are important limitations to this approach often leading to poor quality samples, and the need for repeated biopsies. This thesis aims at the development of a biopsy needle guided with Raman spectroscopy to improve safety and efficiency of brain biopsy procedures. The first objective is the validation of Raman spectroscopy for the characterization of brain tissue. The integration of an intraoperative Raman probe system into the surgical workflow and optimization for use in the operating room was performed. A proof of concept was carried out during brain tumor resection in 10 patients demonstrating that the system can distinguish between vital and necrotic tissues with a sensitivity of 84% and a specificity of 89%. The second objective is to integrate the technique into a commercial biopsy needle. This imposes important technical constraints that required the use of a different spectral range, called the high wavenumber. The use of the high wavenumber was first validated using intraoperative probe. This study was carried out on 17 patients, demonstrating a detection of dense cancer (> 60% cancer cells) with a sensitivity of 80% and a specificity of 90%. The integration was then performed on a first prototype Raman needle, and we demonstrate for the first time the use of this system in vivo in a porcine brain biopsy model. Finally, a second prototype using more spectral information was developed. A proof of concept using the device to measure Raman spectra at the tip of the needle on 3 patients during cerebral biopsy procedures is presented for the first time. The use of this prototype is planned as part of a multi-center clinical study. The results of this doctoral thesis set the stage for the clinical translation of this real-time optical molecular characterization method for safe and efficient biopsy.