Nouvelles techniques d'imagerie pour la recherche des maladies respiratoires

2011/06/01 Artaetxebarria Artieda, Xabier - Telekomunikazio-ingeniaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Pour analyser l'image via des programmes informatiques, vous pouvez différencier les différentes parties du poumon. Dans cet exemple, obtenu à partir d'une image micro-CT, le bleu solide représente les voies respiratoires et en rouge le volume affecté par l'emphysème. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Les poumons sont un organe de base pour les animaux qui respirent l'air, y compris les humains. Les maladies pulmonaires ont généralement une grande influence sur tout le corps, car ils entravent l'échange d'oxygène dont les cellules ont besoin pour obtenir de l'énergie et du dioxyde de carbone, résidu de la respiration.

Dans les pays riches, la maladie pulmonaire obstructive chronique (de l'anglais chronic buxctive pulmonary disease , COPD) est la maladie pulmonaire qui provoque le plus de décès, en dehors des infections. Cette maladie limite le flux d'air et est liée à la bronchite chronique et l'emphysème. La bronchite est l'inflammation des voies respiratoires et l'emphysème provoque la dégradation des tissus pulmonaires. D'autre part, dans les pays les plus pauvres, les infections pulmonaires sont la principale cause de décès, au-dessus de toute autre maladie. En outre, le cancer le plus mortel du monde est le poumon.

Comme toute autre maladie, il existe plusieurs possibilités de recherche sur ce sujet. D'une part, il peut être fait au niveau cellulaire. Les derniers développements en génétique, protéomique, etc. permettent d'étudier les composants moléculaires et microscopiques de la maladie. D'autre part, des études cliniques peuvent également être réalisées, par exemple en appliquant différents traitements à différents groupes de patients et en analysant les résultats. Cependant, les deux méthodes ont leurs limites. Bien que les recherches cellulaires puissent avoir une grande précision, elles n'expliquent pas l'interaction entre les cellules et les tissus de tout le corps. Et les études menées dans la phase clinique posent des problèmes éthiques tangibles, comme la non-administration d'un médicament qui peut bénéficier à un groupe de patients ou la démonstration de thérapies potentiellement nocives. Pour combler le vide entre les deux méthodes, des essais avec des animaux sont généralement effectués. Ainsi, de 1901 à 2006, 76% des lauréats du Prix Nobel de médecine ont utilisé des animaux dans leurs recherches.

Utilisation de souris, rats, etc. avant de passer à la phase clinique facilite de nombreux tests, mais bien sûr, les problèmes éthiques ne disparaissent pas du tout. C'est pourquoi, en anglais, on applique ce qu'on appelle le "principe de trois R": réduire autant que possible l'utilisation d'animaux ( reduit ), le remplacer par d'autres techniques qui peuvent donner la même information ( replace ) et affiner le traitement des animaux ( refine ).

Dans ce contexte, les nouvelles techniques d'image ont beaucoup à dire. Les techniques de résonance magnétique haute résolution ou scanner basé sur des rayons X (appelé micro-CT) permettent, entre autres, d'analyser le corps des petits animaux sans causer de douleur en eux, ce qui est appelé à raffiner le traitement. En outre, en n'ayant pas à tuer des animaux dans les expériences, le nombre d'animaux utilisés peut être considérablement réduit. Le micro-ct est particulièrement adapté à l'étude des poumons chez les petits animaux, avec une résolution d'environ 50 m (0,05 mm), en plus de montrer un grand contraste entre les tissus pulmonaires et l'air.

Technique de dessin ou comment obtenir une image pulmonaire d'un petit souris

Les micro-cts haute définition ont été développés principalement au cours des dernières décennies, mais leur principe principal est le XX. Connu depuis le début du XXe siècle. Dans la première étape, diverses radiographies sont effectuées de l'objet qui est destiné à étudier, formant une circonférence à partir de plusieurs angles et autour de l'objet. Par la suite, ces radiographies doivent être traitées par ordinateur pour obtenir une image tridimensionnelle de la structure interne de l'objet. Plus vous faites de radiographies dans la première étape, plus l'image finale sera droite.

Pour accéder au scanner, les animaux sont généralement anesthésiés, mais les mouvements respiratoires peuvent causer des problèmes, en particulier dans les images pulmonaires. En fait, si dans chaque radiographie les poumons sont dans une position différente, l'image tridimensionnelle traitée par l'ordinateur aura peu de précision, car en quelque sorte il montrera des poumons approximatifs. Pour éviter cela, nous avons développé une technique de synchronisation respiratoire et d'image qui consiste à connecter l'animal à un respirateur une fois anesthésié. Pour cela, un cathéter est introduit dans la trachée de la souris, qui est plus étroite qu'un millimètre. Pour faciliter l'opération, nous utilisons l'éclairage à fibre optique à l'intérieur du cathéter.

Suivi de l'emphysème. Pour analyser l'impact de l'élastase, on a suivi un groupe de souris dans les premières heures et jours du développement de l'emphysème. Chaque colonne représente un moment concret du développement. Dans la première rangée apparaissent les sections micro-CT avec l'emphysème en rouge. Les deux lignes suivantes montrent les figures 3D, devant et derrière, et enfin les images microscopiques. On y observe comment l'emphysème agit sur l'alvéolé. En général, notre expérience montre qu'il est possible de suivre le développement de l'emphysème par micro-CT sans la mort d'animaux. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Lorsque l'animal est connecté au respirateur, le scanner est accessible. Pour éviter que le mouvement pulmonaire affecte l'image, il est nécessaire de synchroniser le respirateur et le scanner. Par un signal électrique, les rayons X sont effectués uniquement au moment où les poumons sont pleins. Ainsi, dans toutes les radiographies extraites de différents angles les poumons sont dans le même état et l'image tridimensionnelle calculée sur l'ordinateur aura une résolution beaucoup mieux.

Techniques d'étude d'image ou comment mesurer l'incidence d'une maladie dans l'image pulmonaire d'un souris

En observant les images des poumons des animaux, nous pouvons obtenir des informations importantes. Mais dans une expérience, on cherche généralement des différences entre deux groupes ou plus : par exemple, si un traitement a freiné ou au moins ralentit le développement d'une maladie. Dans ce type de recherche, il est très utile de disposer de données quantitatives et d'objectifs permettant une comparaison équitable. Il est donc très important d'obtenir des mesures objectives à partir d'images. Pour cela, nous avons utilisé le diagnostic par ordinateur. Nous avons développé plusieurs algorithmes pour obtenir, étape par étape, des mesures qui indiquent l'état des poumons à partir de l'image initiale.

Avant d'effectuer une mesure, les sections qui nous intéressent doivent être séparées par un processus appelé segmentation. Dans ce cas, il convient de segmenter dans la figure les poumons et les voies respiratoires pour pouvoir effectuer des mesures sur elles. Dans le cas des voies respiratoires, nous avons développé un algorithme basé sur la croissance du champ. Le programme informatique est capable de localiser automatiquement la trachée et de là il suit les voies respiratoires jusqu'à détecter tout l'arbre bronchique. Nous avons développé un nouveau programme de séparation des poumons qui recherche en plusieurs étapes une zone sombre au centre de l'image. Pour évaluer ces techniques automatiques, nous les comparons aux segmentations manuelles.

Lorsque les voies respiratoires et les poumons sont séparés et identifiés sur l'image, des mesures peuvent être prises. Les voies respiratoires permettent la mesure automatique des diamètres bronchiques. Dans les poumons, les mesures les plus intéressantes sont le volume et l'intensité, car l'intensité des images micro-CT (la luminosité de chaque pixel) est liée à la teneur en air. Plus sombre, plus d'air. Ainsi, les poumons enflammés ont généralement une intensité élevée et ceux de l'emphysème faible, car la dégradation des tissus caractéristiques de la maladie produit une plus grande proportion d'air.

Expériences ou comment appliquer ces nouvelles techniques à des expériences réelles

Les techniques développées pour obtenir des images précises des poumons des souris et obtenir des mesures objectives de ceux-ci ont une application pratique, car en plus de réduire l'utilisation et le traitement des animaux dans les expériences d'étude de maladies, ils offrent une information riche. Pour le prouver, nous faisons différentes expériences, surtout avec deux maladies: l'inflammation chronique pulmonaire et l'emphysème.

Il existe différentes techniques pour provoquer une inflammation pulmonaire chronique de la souris. L'un d'eux est lié à la silicose qui se produit chez l'homme et consiste à introduire des cristaux de silice dans les poumons de l'animal. Cela provoque un processus inflammatoire chronique de plusieurs phases. Pour la première fois dans le monde, nous avons utilisé la technique micro-CT et l'analyse d'image automatique pour décrire ce modèle de maladie, obtenant de nouvelles données de développement. En résumé, nous constatons que l'inflammation étroite des voies respiratoires et que la proportion d'inflammation du poumon augmente pendant plusieurs mois.

Suivi de l'inflammation. Suivi par micro-CT d'un groupe de souris à inflammation due à des cristaux de silice pour étudier le développement de la maladie. Un point de développement apparaît dans chaque colonne : début, 4 semaines, 14 semaines et 34 semaines. Dans la première rangée on observe la segmentation obtenue de la figure micro-CT : voies respiratoires en jaune, poumon en bleu et volume inflammatoire en rouge. Dans la deuxième rangée sont affichées les figures de microscope obtenues au même point du développement de la maladie, avec teinture d'hématoxiline-éosine. Toutes les techniques permettent d'apprécier l'augmentation de la surface de la zone enflammée. Ed. : Xabier Artaetxebarria.

Dans le cas de l'emphysème, la maladie a été produite par une élastase qui défait les tissus pulmonaires. Dans les travaux précédents, plusieurs chercheurs ont montré que la technique micro-CT pouvait être utilisée pour étudier le développement de l'emphysème, mais elle n'était pratiquement pas comparée à d'autres techniques. Nous avons mené une vaste recherche en utilisant différentes techniques à la fois, et nous avons découvert que le micro-cts montre avec une grande précision le développement de la maladie sans la mort des animaux.

Conclusion ou ce que nous avons appris avec tout ceci

Les maladies pulmonaires causent de nombreux décès dans le monde entier. Dans notre travail, nous avons développé des techniques pour mieux les étudier en utilisant de petits rongeurs. D'une part, nous avons développé une méthode pour obtenir des images pulmonaires de haute précision par rayons X, synchronisant la respiration artificielle avec les rayons X. D'autre part, nous avons développé des programmes informatiques automatiques pour l'analyse de ces images, afin de pouvoir obtenir des mesures objectives. L'utilité de ces techniques a été démontré dans différentes expériences.

En accélérant les expériences avec des animaux, en affinant et en obtenant une information plus riche, ces techniques faciliteront le passage des traitements curatifs des maladies pulmonaires du laboratoire à la phase clinique.

BIBLIOGRAPHIE