Imagerie par génération de second harmonique de la structure de cornées saines et pathologiques

Second Harmonic optical imaging of healthy and pathological corneas

• Auteur / Autrice : Poncia Nyembo kasongo
• Direction : Marie-claire Schanne-klein
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LOB - Laboratoire d'Optique et Biosciences

Mots clés

Mots clés libres

Microscopie Multiphoton

Collagène

Cornée

Optique non-linéaire

Biophotonique

Génération de second harmonique résolue en polarisation

Multiphoton microscopy

Collagen

Cornea

Biophotonics

Nonlinear optics

Polarisation-resolved second harmonic generation

Résumé

La microscopie multiphoton a révolutionné l'imagerie tridimensionnelle (3D) des tissus biologiques au cours des dix dernières années. En particulier, la microscopie par génération de seconde harmonique (SHG) permet d'imager le collagène fibrillaire sans aucun marquage et avec une sensibilité inégalée dans les tissus intacts, car ce processus optique non linéaire ne peut avoir lieu que dans les matériaux non centrosymétriques. De plus, la SHG peut être combinée avec des modalités polarimétriques pour sonder le désordre du collagène aux échelles sub-micrométriques à millimétriques et ainsi fournir une cartographie quantitative in situ de l'organisation 3D du collagène. Comme cette dernière régit les propriétés biophysiques et mécaniques de chaque tissu, et donc leur fonction biologique, la microscopie SHG apparaît comme la technique de référence pour caractériser la structure des tissus complexes, comprendre leurs dysfonctionnements pathologiques et développer de nouveaux outils de diagnostic. Ce projet de recherche se concentre sur la cornée humaine, dont la transparence et la rigidité proviennent de l'alignement très dense de petites fibrilles dans des lamelles superposées. Nous avons montré que l'imagerie SHG résolue en polarisation fournit une cartographie précise de ces lamelles de collagène sur toute la profondeur de cornées saines. Ceci nécessite cependant une calibration précise de la polarisation en raison d'artefacts expérimentaux en profondeur liés à la forte focalisation. Un traitement automatisé des images est également nécessaire pour obtenir une quantification fiable des lamelles. Le projet de thèse vise d'abord à (i) caractériser un nouvel objectif pour atténuer les distorsions de polarisation en profondeur ; (ii) enregistrer et analyser des images SHG le long du rayon de la cornée afin de caractériser les variations structurelles entre le centre et la périphérie. Ensuite, la réorganisation des lamelles sera mesurée pendant des essais biomécaniques de gonflement de la cornée. Ces données multi-échelles serviront à affiner les modèles mécaniques de la cornée humaine et améliorer la précision de la chirurgie réfractive. Enfin, l'imagerie SHG sera utilisée pour caractériser des cornées pathologiques, notamment des cornées kératoconiques.

Multiphoton microscopy has revolutionized three-dimensional (3D) imaging of biological tissues over the past 10 years. In particular, second harmonic generation (SHG) microscopy enables imaging of fibrillar collagen without any labelling and with unequalled sensitivity in intact tissues because this nonlinear optical process is nonzero only in non-centrosymmetrical materials. Moreover, SHG can be combined with polarimetric modalities to probe collagen disorder from sub-micrometer to millimeter scales and thus provide in situ quantitative mapping of collagen 3D organization. As the latter is a key distinctive feature of every tissue that governs their biophysical and mechanical properties, and thus their biological function, SHG is a unique technique to characterize the structure of complex tissues, understand their pathological dysfunctions and develop new diagnostic tools. This research project focuses on the human cornea, which transparency and rigidity arise from the tight alignment of small fibrils in superimposed lamellae. We have shown that polarization-resolved SHG imaging provides an accurate mapping of these collagen lamellae along the full depth of healthy corneas. It however requires proper calibration of the polarisation because of experimental issues induced by strong focusing in depth. Automated image processing is also needed to get reliable lamellae quantitation. The PhD project aims first at (i) characterizing a new objective lens to mitigate polarization distortions in depth; (ii) recording and analysing SHG images along the cornea radius in order to characterize structural variations between center and periphery. Second, the reorganization of the lamellae will be measured during inflation assays in order to provide multiscale data for refining mechanical models of the human cornea and improving refractive surgery accuracy. Finally, SHG imaging will be used to characterize pathological corneas, specifically keratoconic corneas.