La majorité des maladies, du cancer et de l'athérosclérose aux troubles neurodégénératifs et orthopédiques, s'accompagnent de modifications de la rigidité des tissus. La médecine clinique s'est longtemps appuyée sur la palpation manuelle des régions suspectes pour détecter la rigidité des tissus pour le diagnostic. Modalités d'imagerie telles que l'échographie, L'IRM et l'OCT peuvent également mesurer efficacement la rigidité des tissus. La rhéologie du speckle laser (LSR) offre une nouvelle approche optique sans contact. Le LSR utilise un laser bon marché similaire à un pointeur laser commun pour faire briller la lumière laser sur les tissus, ainsi qu'une caméra pour imager les motifs de taches réfléchis par les particules diffusant la lumière dans l'échantillon.

Professeur agrégé de dermatologie à la Harvard Medical School Seemantini Nadkarni, dont le laboratoire du Wellman Center for Photomedicine a développé le LSR, explique le rôle des motifs de speckle laser dans la communication de la rigidité des tissus :« Dans un tissu doux, spécimen conforme, les particules diffusant la lumière se déplacent rapidement, provoquant la fluctuation plus rapide du motif de moucheture. En revanche, dans une éprouvette rigide, un réseau dense de fibres limite ces mouvements, donnant lieu à un scintillement lent des taches de speckle." En mesurant le taux de fluctuations de speckle, Le LSR permet de mesurer les propriétés matérielles complexes des tissus.

Rhéologie du speckle laser, un tuto

Un tutoriel récemment publié par Nadkarni et sa collègue Zeinab Hajjarian en libre accès, Évalués par les pairs Journal d'optique biomédicale (JBO), fournit une revue opportune et visuellement riche des méthodes optiques en mécanique tissulaire, avec un accent particulier sur le LSR. Le didacticiel traite de diverses applications cliniques pour la traduction de la plate-forme LSR pour des applications en recherche fondamentale et en médecine clinique. Il est basé sur une série de conférences présentées par Nadkarni au 9 ^e École d'été internationale pour diplômés, Biophotonique '19, à Hven, Suède.

Rédacteur en chef de JBO Brian Pogue, Professeur MacLean de sciences de l'ingénieur à la Dartmouth College Thayer School of Engineering, dit, "Le tutoriel combine les aspects critiques des méthodes expérimentales dans la façon dont les mesures du champ de speckle sont conçues et utilisées, avec une appréciation des besoins en cellule, matrice, et la caractérisation des tissus biologiques. » Les auteurs examinent à la fois les applications in vitro et l'imagerie tissulaire in vivo avant de résumer l'histoire du domaine et où il semble se diriger.

Dans le but d'étendre la portée de la plate-forme LSR à l'investigation et au diagnostic des maladies humaines d'un point de vue biomécanique, l'équipe de recherche a développé divers dispositifs qui exploitent la plateforme LSR pour des applications en hématologie, cardiologie interventionnelle, et la recherche sur le cancer.

Capteur de coagulation sanguine de la taille d'une paume

Un thème majeur d'investigation implique l'utilisation du LSR pour détecter les troubles hémorragiques et thrombotiques chez les patients au point de service. L'équipe a développé un capteur de coagulation sanguine de la taille d'une paume, appelé iCoagLab, qui utilise quelques gouttes de sang pour mesurer divers paramètres afin d'évaluer l'état de coagulation d'un patient en quelques minutes.

« Les troubles de la coagulation surviennent lorsque le sang coagule beaucoup trop lentement ou beaucoup trop rapidement, et le caillot résultant est très lâche ou très ferme provoquant des saignements ou des événements thrombotiques, " a déclaré Nadkarni. " En mesurant et en surveillant la rigidité de la coagulation du sang à l'aide du LSR, nous pouvons identifier les défauts de coagulation potentiellement mortels et probablement guider les stratégies de transfusion sanguine chez les patients hémorragiques ou informer le dosage des anticoagulants chez les patients atteints de troubles thrombotiques. »

Cartographie de la rigidité des tissus dans les vaisseaux sanguins

Le LSR peut également être effectué via des faisceaux de fibres optiques de petit diamètre incorporés dans des endoscopes, cathéters ou aiguilles pour évaluer les tissus internes à l'intérieur du corps qui pourraient autrement être inaccessibles pour les tests mécaniques traditionnels. Par exemple, infarctus du myocarde, première cause de décès dans le monde, se produit en raison de la rupture de plaques mécaniquement faibles dans la paroi du vaisseau.

"Notre équipe de recherche a développé une technologie de cathéter LSR intravasculaire pour produire la carte de rigidité de parois entières de vaisseaux et détecter les plaques graisseuses mécaniquement instables impliquées dans les crises cardiaques. Nous avons testé la technologie de cathéter LSR dans les artères coronaires de cadavres humains et dans des modèles d'animaux vivants, et font progresser la technologie vers des environnements précliniques et cliniques, " dit Nadkarni.

Un nouveau microscope LSR pour aider à la recherche sur le cancer

Diverses études de mécano-biologie fondamentale au fil des ans ont souligné l'importance des aspects micromécaniques des tissus et des maladies et ont appelé à de nouveaux outils pour mesurer ces propriétés. Les auteurs de ce tutoriel ont également développé un nouveau microscope LSR qui permet de cartographier la rigidité des tissus et des matériaux à des échelles de longueur de quelques dizaines de microns.

"Le nouveau schéma de microscope LSR capture la carte de distribution de rigidité sur plusieurs centimètres d'un échantillon de tissu en quelques secondes seulement. En comparaison, des mesures similaires obtenues avec les techniques traditionnelles de microindentation pourraient prendre plusieurs heures, " a déclaré le co-auteur Hajjarian, assistant en génie électrique au Wellman Center for Photomedicine, et instructeur en dermatologie à la Harvard Medical School. « Nous avons démontré les atouts uniques de cette technologie dans des fantômes microfabriqués, modèles in vitro de malignités cancéreuses, et des échantillons de tumeurs prélevés sur des patients. »

Les auteurs abordent les aspects techniques de la façon dont ces principes physiques conduisent différents aspects de traitement de la série de trames speckle pour quantifier les paramètres mécaniques importants pour la nature ou la fonction des tissus. Pogue trouve ce schéma remarquable :« En particulier, l'approche des auteurs pour développer un organigramme des algorithmes de traitement et des fondements théoriques fournit les bases nécessaires pour comprendre ce qui est mesuré."

En présentant le LSR dans le contexte plus large des techniques optiques concurrentes et en fournissant une discussion comparative des attributs spécifiques à chaque technologie, les auteurs ont servi les intérêts de la communauté du génie optique biomédical. Selon Pogue, "Leur dissection des méthodes optiques concurrentes utilisées, comme l'élastographie par cohérence optique, microscopie à force de traction, la diffusion dynamique de la lumière et la spectroscopie des ondes de diffusion permettent de mieux contextualiser les méthodes de rhéologie du speckle laser, dans l'arsenal des outils."