Développement des systèmes d'imagerie basés sur la tomographie par cohérence optique visant l'étude des maladies cardiovasculaires

Les maladies cardiovasculaires (CVD) sont la principale cause de décès depuis des décennies. Son taux de morbidité élevé engendre un fardeau social et économique énorme et à la société. L'imagerie biomédicale est un outil important pour étudier et évaluer les CVDs. Notamment, la tomographie par cohérence optique (OCT) a montré des avantages attrayants pour la recherche appliquée aux CVDs. Le but global de cette thèse est le développement de systèmes OCT combinés avec d'autres techniques d'imagerie optique pour étudier les CVDs. Le premier objectif est de développer un système d'imagerie intravasculaire combinant l'OCT et l'imagerie par fluorescence proche infrarouge (NIRF), qui pourrait à terme être utilisé pour la détection et l'évaluation de l'athérosclérose dans les artères coronaires. L'originalité du travail se situe dans l'utilisation d'une nouvelle technique de détection de photons, la détection de photons à déclenchement rapide, intégrée dans notre système d'imagerie, ce qui a considérablement amélioré le rapport signal sur bruit et la sensibilité en profondeur de la NIRF. Une expérience ex vivo dans des conditions réalistes a validé le mécanisme de notre système d'imagerie intravasculaire à double modalité au niveau des aspects optique, mécanique et logiciel. Les images hybrides provenant de l'OCT et de la NIRF ont fourni des informations structurelles et moléculaires sur le fantôme imitant le vaisseau sanguin, ce qui suggère un grand potentiel d'utilisation de notre système d'imagerie chez des modèles animaux. Le deuxième objectif de cette thèse était d'étudier les impacts de l'athérosclérose sur différents aspects du cerveau de souris avec l'aide de plusieurs techniques d'imagerie optique, y compris l'imagerie intrinsèque optique, l'OCT et la microscopie à deux-photon. En comparaison avec les souris athérosclérotiques jeunes, le groupe âgé a montré un changement de concentration plus faible en hémoglobine oxygénée, hémoglobine désoxygénée et hémoglobine totale dans le cortex somatosensoriel à la suite de la stimulation par vibrisse, ce qui indique que la maladie d'athérosclérose réduit la réponse hémodynamique à la stimulation sensorielle. Les résultats obtenus à partir des données Doppler OCT ont révélé que le diamètre et le débit sanguin moyen des artérioles descendantes chez les souris ATX âgées étaient significativement plus petits comparés avec ceux des souris ATX jeunes, ce qui suggère que l'athérosclérose entraîne une dégénérescence structurelle et fonctionnelle des artérioles. L'altération fonctionnelle a également été observée dans les capillaires chez les souris ATX âgées, caractérisée par une plus faible vitesse es globules rouges (RBC), un plus faible flux de RBC, un plus faible hématocrite et une plus grande hétérogénéité du temps de transit capillaire. L'oxygénation tissulaire évaluée par la microscopie à deux photons a confirmé que l'altération de la microvascularisation liée à l'athérosclérose compromettait l'apport d'oxygène au tissu cérébral, amenant une hypoxie cérébrale chez les vieilles souris ATX. Les capillaires chez les souris ATX âgées ont été trouvés dilatés, ce qui pourrait être un mécanisme de régulation servant à compenser partiellement la diminution du débit sanguin associée à l'athérosclérose. Le troisième objectif de cette thèse est d'étudier la réparation du tissu cérébral et la régénération microvasculaire suite à un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique chez des souris en utilisant un système OCT construit dans le laboratoire. Le modèle d'AVC ischémique a été créé par occlusion photo-thrombotique des capillaires. Sur les images de l'OCT, seuls les tissus cérébraux profonds ont été endommagés par l'AVC ischémique, alors que les tissus proches de la surface corticale étaient intacts bien qu'ils aient été exposés à une intensité de laser plus élevée pendant la photo-thrombose. Cette observation implique que les tissus cérébraux profonds sont plus vulnérables lorsque l'apport d'oxygène des capillaires est interrompu au cours d'un AVC ischémique. Au cours de la récupération post-AVC, la lésion ischémique diminuait pendant que la régénération microvasculaire progressait. De plus, le réseau capillaire nouvellement formé autour de la lésion avait une structure hautement organisée et directionnelle avec un grand pourcentage de segments capillaires s'étendant vers le centre ischémique. Plus le réseau capillaire était profond, mieux sa structure était organisée, ce qui suggère que l'oxygénation des tissus profonds est plus dépendante du réseau capillaire. Notre analyse des événements de blocage capillaire a révélé que l'AVC ischémique augmentait à la fois la densité et l'incidence de blocage capillaire. Étant donné que le blocage capillaire pourrait entraîner une réduction du débit sanguin cérébral, il pourrait être utile de le cibler pour chercher de nouveaux traitements pour l'AVC.

Abstract

Cardiovascular diseases (CVD) have been the leading cause of death for decades, and their high morbidity rate has led to enormous social and economic burden to both patients and society. Biomedical imaging systems are important tools to study and assess CVDs. Optical coherence tomography (OCT) has shown appealing advantages in CVD research. The general purpose of this thesis is the development of OCT-based imaging systems coupled with other optical imaging techniques to investigate CVDs. The first objective of this thesis is to develop an intravascular imaging system combining OCT and near infrared fluorescence (NIRF) imaging, which could ultimately be used for the detection and evaluation of atherosclerosis in coronary arteries. A novel photon detection technique, fast time-gating photon detection, was integrated into our imaging system, which improved significantly the signal-to-noise ratio and the depth sensitivity of NIRF. Ex vivo experiment under realist conditions validated the mechanism of our dual modality intravascular imaging system in terms of the optical, mechanical and software aspects. The hybrid images from OCT and NIRF provided structural and molecular information on the vessel-mimicking phantom, suggesting a great potential of our imaging system to be used in animal models. The second objective of this thesis is to study the impact of atherosclerotic disease on different aspects of mouse brain by using a variety of high-resolution optical imaging techniques, including intrinsic optical signal imaging, OCT and two-photon microscopy. Compared with the young atherosclerotic (ATX) mice, the old ones displayed a smaller change in the concentration of oxygenated hemoglobin, deoxygenated hemoglobin and total hemoglobin in the barrel cortex following whisker stimulation, which indicates that atherosclerotic disease is associated with reduced hemodynamic response to sensory stimulation. Results derived from Doppler OCT data revealed that the diameter and the mean blood flow of diving arterioles in the old ATX mice were significantly smaller compared with those in the young ATX mice, suggesting that atherosclerosis leads to structural and functional degeneration in descending arterioles. Functional alteration was also observed in capillaries among the old ATX mice with lower red blood cell (RBC) speed, lower RBC flux, lower hematocrit and higher transit time heterogeneity. Tissue oxygenation assessed by two-photon microscopy confirmed that atherosclerosis-related microvasculature impairment severely compromised oxygen supply to brain tissue, causing cerebral hypoxia in the old ATX mice. Capillaries in the old ATX mice were found dilated, which could be a regulatory mechanism of partially compensating atherosclerosis-associated blood flow decrease. The third objective of this thesis is to study post-stroke tissue repair and microvasculature regeneration and function in a mouse model of stroke using a custom-made OCT imaging system. Ischemic stroke model was created by photo-thrombotic occlusion of capillaries. On OCT structural and angiographic images, only deep cerebral tissue was found damaged by the ischemic stroke, whereas tissue close to the cortical surface seemed intact although it was exposed to a high laser intensity during the photo-thrombosis. This observation implies that deep cerebral tissue is more vulnerable when oxygen supply from capillaries are interrupted during ischemic stroke. Over the course of post-stroke recovery, ischemic lesion diminished while microvasculature regeneration progressed. Furthermore, the newly formed capillary network surrounding the lesion had a highly organized and directional structure with a large percentage of capillary segments stretching towards the ischemic center. Deeper de novo microvasculature had a better organized structure than shallower one, suggesting that deeper tissue oxygenation has a higher dependence on capillary network. Our stalling event analysis revealed that ischemic stroke increased both stalling density and incidence. As stalling can lead to cerebral blood flow reduction, targeting post-stroke stalling could be useful to develop new treatment for stroke.