Sonde endoscopique dédiée à l'histologie in vivo en temps réel par diffusion Raman stimulée

Endoscopic probe for real-time in vivo Stimulated Raman Scattering histology

• Auteur / Autrice : Eloïse Lefebvre
• Direction : Alexandre Kudlinski
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique des Lasers, Atomes et Molécules
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Photonique

Mots clés

Mots clés libres

Optique

Micro-endoscope

Photon

Biophotonique

Optic

Micro-endoscope

Photon

Biophotonic

Résumé

Chaque année, environ 19,3 millions de cas de cancer sont diagnostiqués dans le monde, et 10 millions de personnes en décèdent. Actuellement, la détection précoce des cancers repose principalement sur l'histopathologie, une technique consistant à prélever un échantillon de tissu suspect lors d'un examen endoscopique (biopsie). Cet échantillon est ensuite traité et coloré avec des colorants spécifiques, tels que l'hématoxyline et l'éosine (H&E), permettant de différencier les structures cellulaires du tissu. Cependant, cette méthode invasive est extrêmement chronophage, et les résultats peuvent varier en fonction de la qualité de la préparation des échantillons et des colorations. De plus, les colorations H&E fournissent uniquement des informations structurelles, ce qui peut rendre difficile la distinction entre les cellules précancéreuses et les cellules saines, nécessitant parfois des tests complémentaires et prolongeant le processus diagnostique. Face à ces limitations, la microscopie à diffusion Raman stimulée (SRS) émerge comme une alternative prometteuse pour le diagnostic précoce du cancer. Cette technologie à haute résolution permet d'imager les liaisons CH2 et CH3 présentes respectivement dans le cytoplasme et les noyaux cellulaires, grâce aux vibrations moléculaires. En identifiant les altérations biochimiques subtiles dans les tissus, elle pourrait détecter les cellules précancéreuses à un stade encore indétectable par les méthodes traditionnelles. Le principe repose sur l'interaction de deux faisceaux laser ultra-courts, appelés faisceau pompe et faisceau Stokes, qui sont synchronisés spatialement et temporellement dans l'échantillon. Lorsque la différence de fréquence entre ces faisceaux correspond à celle de la vibration des molécules présentes, un transfert d'énergie se produit entre les deux faisceaux. Ce transfert amplifie le signal Raman lié à cette vibration spécifique, permettant ainsi d'identifier et d'analyser les composants chimiques du tissu. La technique, connue sous le nom d'histopathologie Raman stimulée (SRH), est non seulement chimiquement sélective et sans marquage, mais elle permet également une analyse en temps réel et non destructive des tissus biologiques. Le projet a pour but de développer un endoscope SRH dédié à l'imagerie en temps réel et in vivo. Pour ce faire, l'optique de microscopie massive devra être intégrée dans un endoscope flexible à base de fibres optiques à cœur creux. Ces fibres seront spécialement conçues pour diminuer le signal parasite de fond généré par la propagation simultanée des deux faisceaux laser. La tête endoscopique devra être adaptée aux particularités de l'imagerie SRS et permettre le transfert du signal dans la direction contraposée. Enfin, il sera nécessaire de concevoir un système compact pour en faciliter l'usage dans le domaine médical.

Every year, approximately 19.3 million cancers are diagnosed, and 10 million people die of cancer worldwide. At present, early cancer detection mainly depends on histopathology, a method that entails obtaining a tissue sample from a suspicious area during an endoscopic examination (biopsy). This sample is then processed and stained with specific dyes, like hematoxylin and eosin (H&E), to distinguish the cellular structures within the tissue. However, this invasive approach is extremely time-consuming, and results can vary depending on the quality of sample preparation and staining. Furthermore, H&E staining provides only structural information, making it challenging to differentiate between precancerous and healthy cells. This often requires additional tests, which can extend the diagnostic process. To overcome these limitations, stimulated Raman scattering (SRS) microscopy is emerging as a promising alternative for early cancer diagnosis. This high-resolution technology can image the CH2 and CH3 bonds present in cell cytoplasm and nuclei respectively, using molecular vibrations. By identifying subtle biochemical alterations in tissues, it could detect precancerous cells at a stage still undetectable by traditional methods. The principle is based on the interaction between two ultra-short laser beams, known as the pump and Stokes beams, which are synchronized spatially and temporally within the sample. When the frequency difference between these beams matches the vibrational frequency of the molecules present, energy is transferred between the beams. This transfer enhances the Raman signal associated with that specific vibration, allowing for the identification and analysis of the tissue's chemical components. Known as Stimulated Raman Histopathology (SRH), this method is chemically selective, label-free and it offers real-time, non-destructive analysis of biological tissues. The aim of the project is to develop an SRH endoscope dedicated to real-time, in vivo imaging. To achieve this, the massive microscopy optics must be integrated into a flexible endoscope using hollow-core optical fibers. These fibers will be specially designed to reduce the background signal caused by the simultaneous propagation of the two laser beams. The endoscopic head must be adapted to the specific requirements of SRS imaging to enable effective signal transfer in the opposite direction. Finally, designing a compact system will be essential for ensuring its practicality and ease of use in the medical field.