Cytométrie par imagerie grand champ en phase et fluorescence : applications en hématologie

Cytometry by wide field phase and fluorescence imaging : applications in hematology

• Auteur / Autrice : Isaure Le Cardinal de Kernier
• Direction : Serge Monneret, Pierre Blandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique photonique et traitement de l'image
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Anne Sentenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Björn Kemper, Nelly Rongeat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Studer, Vincent Couderc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en autofluorescence

Hématologie

Cytométrie de flux

Optique

Mots clés libres

Hématologie

Phase

Fluorescence

Imagerie grand champ

Miniaturisation

Hematology

Phase

Fluorescence

Wide field of view imaging

Miniaturization

Résumé

L’analyse de populations cellulaires sanguines permet de détecter de nombreuses pathologies cliniques. Un grand nombre de cellules doit être pris en compte de manière à obtenir un résultat statistiquement répétable, et donc un diagnostic fiable. Les systèmes équipant les laboratoires spécialisés utilisent la cytométrie de flux, les mesures sont séquentielles pour chaque paramètre et cellule. Afin d’accélérer le processus d’analyse et minimiser la complexité et le coût des dispositifs, l’enjeu est de maximiser le contenu informationnel des acquisitions, afin d’en réduire le nombre. Dans cette thèse nous étudions l’imagerie grand champ comme alternative à la cytométrie de flux. L’objectif est de développer un système optique permettant l’étude de populations cellulaires tout en préservant une résolution subcellulaire. Nous suivons une approche multi-échelle et multimodale pour détecter, caractériser et classifier les cellules sanguines. Pour évaluer la faisabilité et la pertinence clinique de la méthode, nous avons mis au point deux systèmes. Le mésoscope, basé sur des développements optiques, couple les contrastes de phase et de fluorescence. La complémentarité des critères morphologiques et de l’expression spécifique d’un fluorophore permet une classification cellulaire, afin par exemple d’évaluer le taux d’érythrocytes infectés par le parasite P. falciparum. Les résultats sont systématiquement comparés aux méthodes de références. Afin de répondre aux enjeux posés par les analyses délocalisées, nous proposons également un imageur bimodal miniaturisé, basé sur la technologie d'imagerie sans lentilles, le miniscope

Blood cell population analyses allow detecting a wide scope of clinical disorders, ranging from anemias to malaria. A very large number of cells ought to be considered so as to ensure the statistical significance of the result, and in turn, yield a reliable diagnosis. Currently, hematology analyses are based on flow cytometry techniques. High throughput is obtained at the expense of the information content of each acquisition. To reduce the time-to-result, and to minimize the complexity and cost of the systems dedicated to analyzing cell populations, the current need is to reduce the number of acquisitions and optimize the information content. This thesis focuses on single-shot image cytometry as an alternative to flow-based cytometry. It aims at obtaining a set-up based on optical contrasts for the study of large cell populations while preserving the ability to resolve individual cells. We investigate a multi-scale and multi-modal approach to detect, characterize, and classify blood cells. To evaluate the feasibility and clinical relevance of the method, we developed two proof-of-concept set-ups, respectively called the mesoscope and the miniscope. The mesoscope, based on optical developments, combines phase contrast with fluorescence. The complementarity of morphological features and the expression of specific fluorophores enables us to accurately classify blood cells, and for example assess Plasmodium falciparum parasitemia in whole blood samples. The results are benchmarked to reference techniques. However, to address the need for point of care analyses, the system should be miniaturized. Hence, we designed the miniscope, a chip-based bimodal imager