Diagnosis of Steatosis, Precancerous Lesions and Hepatocellular Carcinoma Using Infrared Microspectroscopy

par Chengyuan Peng

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de François Le Naour.

  • Titre traduit

    Diagnostic de la stéatose, des lésions précancéreuses et du carcinome hépatocellulaire par microspectroscopie infrarouge


  • Résumé

    Carcinome hépatocellulaire (CHC) est le sixième cancer et la deuxième cause de mortalité par cancer dans le monde. Dans la majorité des cas, le CHC se développe sur une maladie chronique associée à des étiologies variées telles que l'infection par le virus de l'hépatite B ou l’hépatite C, la consommation excessive d'alcool et des maladies métaboliques. Le développement des maladies chroniques du foie qui conduisent à la cirrhose puis au cancer induisent des modifications de la composition chimique des cellules et des tissus. En effet, la carcinogenèse hépatique est un processus en plusieurs étapes caractérisé par la progression de nodules de régénération, de nodules dysplasiques de bas grade puis de grade et enfin du CHC. Le traitement du CHC reste difficile et la transplantation du foie est la seule option thérapeutique curative à long terme. Le problème est qu'il n'y a pas de marqueur objectifs et quantifiables pour contrôler la qualité d’un greffon. Des biomarqueurs spécifiques marquant la progression du CHC font également défauts.Dans ce travail de thèse, nous avons évalué l’intérêt de la microspectroscopie infrarouge (IR) pour le diagnostic de la stéatose, qui est le facteur le plus important affectant la reprise de la fonction hépatique après greffe de foie. La microspectroscopie infrarouge permet de détecter de façon qualitative et quantitative les caractéristiques biochimiques liées aux différents constituants moléculaires présents dans l'échantillon biologique. Nos travaux ont montré que la progression de la stéatose hépatique correspond non seulement à l'accumulation de lipides, mais également à des changements spectaculaires dans la composition qualitative du tissu. En effet, le bas grade de stéatose présente une diminution de la teneur en glycogène et une augmentation concomitante de lipides par rapport au foie normal. La stéatose intermédiaire montre une augmentation de glycogène et des changements majeurs sont observés en ce qui concerne les lipides, avec une contribution significative des acides gras estérifiés, des chaînes de carbone allongées et des lipides insaturés. Ces caractéristiques sont encore plus prononcées dans les hauts degrés de stéatose. De plus, nous avons mis en évidence que des changements biochimiques majeurs se produisent dans la partie non-stéatosique du tissu malgré son aspect normal sur le plan histologique, ce qui suggère que l’organe dans son ensemble reflète le degré de la stéatose.La deuxième partie de la thèse est focalisée la carcinogenèse hépatique. Il s’agit d’un processus en plusieurs étapes qui se caractérise dans la plupart des foies cirrhotiques par la progression de nodules hyperplasiques de régénération vers des lésions précancéreuses telles que les nodules dysplasiques de bas grade puis de haut grade et enfin le CHC. Le diagnostic différentiel entre nodules dysplasiques en particulier de haut garde et CHC reste extrêmement difficile. Nous avons abordé le potentiel de la microspectroscopie IR pour le diagnostic des nodules cirrhotiques. Nous avons observé de profondes modifications de la composition biochimique du foie pathologique. En effet, des changements importants ont été détectés dans la composition des lipides, des protéines et des sucres mettant en évidence la reprogrammation métabolique dans la carcinogenèse. Les principaux changements ont été observés dans le domaine de fréquence 950-1480 cm-1 dans lequel plusieurs bandes permettaient la discrimination des nodules cirrhotiques, dysplasiques et tumoraux. Enfin, nous avons montré que le diagnostic peut être réalisé à l’aide d’un microscope de laboratoire qui peut être facilement mis en œuvre en milieu hospitalier.


  • Résumé

    Hepatocellular carcinoma (HCC) is the sixth most common neoplasm and the second most common cause of death in the world. Hepatocarcinogenesis is a multistep process characterized in patients with chronic liver diseases by a spectrum of hepatic nodules that mark the progression from regenerative nodules to dysplastic lesions followed by HCC. Liver transplantation remains the curative therapeutic option able to treat both the HCC and the underlying liver disease. The issue is that there is no objective and quantifiable marker for quality control of liver graft. Specific biomarkers of early stages of HCC are also an unmet need.In this study, we have evaluated the potential of infrared (IR) microspectroscopy for the diagnosis of steatosis, one of the most important factors affecting the liver allograft function. Vibrational microspectroscopy, such as Fourier transform infrared microspectroscopy (FTIR), allows detecting spectral characteristics associated with different molecular components present in the biological sample, both qualitatively and quantitatively. Our first working hypothesis was that the progression of liver steatosis corresponds not only to the accumulation of lipids but also to dramatic changes in the qualitative composition of tissue. Indeed, a lower grade of steatosis showed a decrease in glycogen content and concomitant increase in lipids in comparison with normal liver. Intermediate steatosis exhibited an increase in glycogen and major changes in lipids, with a significant contribution of esterified fatty acids with elongated carbon chains and unsaturated lipids, and these features were more pronounced in a high grade of steatosis. Furthermore, we have shown, that FTIR approach allows a systemic discrimination of morphological features, leading to a separate investigation of steatotic vesicles and the non-steatotic counterpart of the tissue. This highlighted the fact that dramatic biochemical changes occur in the non-steatotic part of the tissue also despite its normal histological aspect, suggesting that the whole tissue reflects the grade of steatosis. The second part of the thesis focused on hepatocarcinogenesis; a multistep process that is characterized in most cirrhotic livers by the progression from hyperplastic regenerative nodules to low grade dysplastic nodules (LGDN), high grade dysplastic nodules (HGDN) and finally small HCC which corresponds either to vaguely nodular well differentiated HCC so called early HCC or to distinctly nodular moderately differentiated hepatocellular carcinomas. Since the differential diagnosis between precancerous dysplastic nodules and early HCC remains extremely difficult, we addressed the potential of FTIR microspectroscopy for grading cirrhotic nodules. The study was focused on 39 surgical specimens including normal livers as controls, dysplastic nodules, early HCC and the progressed HCC. Profound alterations of the biochemical composition of the pathological liver were demonstrated by FTIR microspectroscopy. Indeed, dramatic changes were observed in lipids, proteins and sugars highlighting the metabolic reprogramming in carcinogenesis. The major changes were observed in the frequency domain 950-1480 cm-1 in which several bands allowed significant discrimination of cirrhotic nodules, dysplastic lesions and HCC. Finally, a significant discrimination between benign, dysplastic nodules and early HCC remained possible using a FTIR microscope equipped with a laboratory-based infrared source that can be easily implemented in hospital environment. In conclusion, our study positions FTIR microspectroscopy as a versatile and powerful approach for investigating liver diseases, such as steatosis, dysplastic lesions and cancer. Further studies on larger series of patients as well as on biopsies will allow confirming the clinical reliability of such spectral signatures. Therefore, we anticipate that FTIR microspectroscopy will open new avenue in clinical diagnosis.


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