L'endomicroscopie confocale laser fibrée (pCLE, pour probe-based Confocal Laser Endomicroscopy) est une modalité d'imagerie qui permet d'obtenir des images d'un tissu en temps-réel, avec une résolution micrométrique, lorsque l'on place la sonde d'imagerie au contact de celui-ci. En chirurgie digestive, cette technologie peut être utilisée pour remplacer les biopsies extemporanées par des biopsies optiques, sans prélèvement de tissu. Ceci permet de réduire le temps opératoire et l'invasivité de l'opération. Généralement, afin de rendre un diagnostic clinique sur l'état cancéreux d'un tissu, les cliniciens analysent non seulement les cellules, mais également leur organisation relative. Cependant, pour des raisons techniques, il n'est pas possible d'avoir une sonde petite, donnant des images grand champ, et avec une résolution de l'ordre du micromètre. Ainsi, les images confocales sont la plupart du temps trop petites pour que les cliniciens puissent poser un diagnostic. Une solution possible à ce problème est de déplacer la sonde sur la surface du tissu afin de collecter une suite d'images que l'on recale afin grâce à un algorithme de mosaicing afin de reconstruire une image grand champ. Cette technique a fait l'objet de nombreuses études. Ces études ont essentiellement porté sur l'algorithme de mosaicing, et peu d'intérêt a été porté jusqu'à présent au mouvement de balayage de la sonde sur le tissu. La plupart du temps, ce mouvement est réalisé à la main en utilisant les manettes d'un fibroscope dans des applications de gastroentérologie. Ce type d'actionnement ne permet pas de contrôler la trajectoire de la sonde correctement, surtout en présence de mouvements physiologiques et de déformations des tissus sous l'action de la sonde. Notre travail porte sur la conception et le développement d'instruments minimalement invasifs robotisés permettant de réaliser des biopsies optiques dans la cavité abdominale. Premièrement, une méthode permettant d'estimer la vitesse dans les images endomicroscopiques est décrite et évaluée (chapitre 2). Cette méthode est alors utilisée pour mettre en évidence et modéliser les déformations des tissus mous lorsque la sonde est en mouvement à leur contact (chapitre 3). Un modèle phénoménologique simple utilisant un seul paramètre est proposé, ainsi qu'une procédure de calibration en ligne. Deux stratégies sont proposées afin de compenser les déformations, l'une utilisant une trajectoire ligne par ligne modifiée et l'autre utilisant un balayage en spirale qui permet de minimiser l'influence des déformations du tissu. Par ailleurs, un algorithme de commande par asservissement visuel est également proposé. Celui-ci est basé sur l'estimation de vitesse présentée dans le chapitre 2, et permet de contrôler précisément la position de la sonde tout en rejetant les déformations du tissus considérées comme une perturbation. Une variante de cet algorithme est également proposée pour contrôler la vitesse d'avance le long d'un balayage contraint à une trajectoire en spirale. On montre, lors d'expériences ex vivo réalisées avec un robot industriel de précision, que le bon contrôle de la position de la sonde le long de la trajectoire permet de réaliser des mosaïques significativement plus grandes que celles que l'on peut trouver dans la littérature existante. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à des instruments minimalement invasifs. On propose ici une structure d'instrument qui combine des mouvements macroscopiques pour la navigation dans l'abdomen, un système passif de compensation des mouvements physiologiques, et un actionnement à l'échelle microscopique pour le balayage de la sonde. Deux systèmes de micro-actionnement sont proposés. Le premier utilise un actionnement hydraulique grâce à des micro-ballons et permet de réaliser des trajectoires arbitraires à la surface du tissu, tandis que le second a comme seul degré de liberté une rotation proximale qui est transformée en un mouvement de spirale grâce à un mécanisme distal. Des essais ex vivo et in vivo ont été menés avec succès afin de tester la précision et la robustesse des systèmes et algorithmes de commande proposés.

Le premier traitement standard pour les tumeurs cérébrales est la résection chirurgicale. Dans cette procédure un enjeu important demeure, l'identification des berges tumorales pour assurer une résection totale et éviter le risque de récidive pour le patient. A ce jour aucune technique d'imagerie peropératoire est capable de résoudre l'infiltration tumorale du tissu sain. La norme pour le diagnostic des berges tumorales est l'analyse histologique des biopsies. Une méthode ex vivo qui requiert un à plusieurs jours pour fournir ler apport pathologique final, un lapse de temps qui peut s'avérer fatal pour le patient. La microscopie optique a récemment été développer vers une utilisation clinique peropératoire pour répondre à cet enjeu. Dans travail, la technique de microscopie à deux-photons a été préférée pouressayer de répondre à cette problématique. Cette méthode donne accès à deux contrastes d'imagerie, la génération de seconde harmonique et l’émission de fluorescence, qui peuvent être combinés à des mesures quantitatives, tel que la spectroscopie et le temps de vie de fluorescence. Combiner ces quatre modalités de détection donnera une information complète sur la structure et le métabolisme de la région observée. Pour soutenir le développement technique vers une sonde endomicroscopique visant une utilisation peropératoire, les données en résultants doivent être fiables, et se montrer d'un intérêt pour le chirurgien. Par conséquent, une base de données sur le signal d'autofluorescence des tissus a été construite et présentée dans ce manuscrit, avec des algorithmes capables de discriminer de façon fiable les régions tumorales des régions saines. Des algorithmes qui ont montré le potentiel d'être automatisé dans une configuration clinique, afin de fournir une réponse en temps-réel au chirurgien. / The first standard approach for brain tumor treatment is the surgical resection. In this protocol an important challenge remains, the identification of tumor margins to ensure a complete resection and avoid risk of tumor recurrence. Nowadays no intra-operative means of contrast are able to resolve infiltrated regions from healthy tissue. The standard for tumor margin diagnosis is the histological analysis of biopsies. An ex vivo method that requires one to several days to issue a final pathological reports, a time lapse that could be fatal to the patient. Optical microscopy have recently been developed towards an intra-operative clinical use to answer this challenge. In this work, the technique of two-photon microscopy based on the autofluorescence of tissue have been favored. This technique gives access to two imaging contrasts, the second-harmonic generation and emission of fluorescence, and can be combined to quantitative measurements, such as spectroscopy and fluorescence lifetime. The combination of these four modalities of detection will give a complete structural and metabolic information on the observed region. To support the technical development towards an endomicroscopic probe, the resulted data have to be reliable and proved to be of interest for the surgeon. Consequently, an extensive database of the autofluorescence response of brain tumor tissue have been constructed and presented in this manuscript, with algorithms able to discriminate with reliability tumoral from healthy regions. Algorithms that have shown potential to be automatized in a clinical setting, in order to give a real-time answer to the surgeons.

La microscopie confocale classique permet d'obtenir des images à haute résolution de cellules en culture ou dans un tissu biologique excisé. Cette technologie peut être adaptée aux applications in vivo grâce à l'utilisation de fibres optiques et d'optiques miniaturisées. A terme, la microscopie confocale fibrée devrait permettre aux médecins et biologistes de réaliser des biopsies optiques; c'est à dire un examen histologique, en temps réel, des tissus biologiques à l'intérieur d'un organisme vivant et directement au contact de la zone d'intérêt.<br /><br />Le but premier de cette thèse est de dépasser les limites matérielles de ces instruments d'imagerie en développant des outils de recalage d'images spécifiques et innovants. En particulier, le propos de ce manuscrit est cadré par l'objectif de proposer, au travers d'outils de création de mosaïques d'images, des biopsies optiques à grand champ aux médecins. Cette application est considérée, dans cette thèse, comme un système, ou un circuit, qui prendrait en entrée un flot de données brutes et délivrerait en sortie des mosaïques d'images à grand champ. Nous détaillons les éléments critiques de ce système, en particulier la reconstruction d'images en temps réel, le recalage linéaire d'images et le recalage non linéaire, avant de présenter la structure du système complet.<br /><br />Les données brutes produites par la microscopie confocale fibrée sont difficiles à interpréter parce qu'elle sont modulées par la structure en nid d'abeille du réseau de fibres optiques et parce qu'elle sont entachées d'artefacts géométriques. Dans ce contexte, nous montrons qu'une reconstruction en temps réel des images peut être utilisée en pré-traitement afin de produire des séquences vidéos directement interprétables. Comme la microscopie confocale fibrée est une imagerie qui se fait au contact des tissus, le mouvement relatif du tissu par rapport à la sonde optique implique qu'il est parfois difficile d'obtenir de manière robuste certaines mesures quantitatives d'intérêt. Nous avons donc attaqué le problème du recalage linéaire, efficace et robuste de paires d'images. Nous montrons que des outils récents provenant du domaine du contrôle robotique par la vision peuvent surpasser les solutions standards utilisées en analyse d'images biomédicales. L'adéquation de ces outils au problème du recalage linéaire d'images nous a amenés à revisiter le problème du recalage non-linéaire. En interprétant le recalage non-linéaire comme un problème d'optimisation sur un groupe de Lie, nous développons un algorithme rapide de recalage difféomorphe non-paramétrique d'images. En plus d'être difféomorphe, notre algorithme produit des résultats qui sont similaires à ceux de l'algorithme des démons de Thirion mais qui sont plus lisses et plus proche de la vérité.<br /><br />Finalement, nous obtenons une boîte à outils de reconstruction et de recalage d'images que nous utilisons pour proposer un algorithme robuste de création de mosaïques d'images qui permette de calculer un alignement globalement cohérent à partir de résultats locaux, de compenser les distorsions liées au mouvement et de retrouver les déformations non-rigides. Par ailleurs, notre algorithme de mosaïques d'images a récemment été incorporé dans un essai clinique multicentrique. Cet essai illustre l'intérêt clinique de nos outils dans le cadre spécifique de la surveillance de l'œsophage de Barrett.

MUC5B, une des 5 mucines gélifiantes chez les mammifères, constitue la matrice de gels de mucus et est responsable des propriétés visco-élastiques de ces gels. Cette macromolécule est sécrétée par des cellules caliciformes dont la densité reflète l'homéostasie des épithéliums sécrétoires.L'objectif principal de ce travail de thèse était la création et la caractérisation d'une souris transgénique afin de suivre facilement la production in vivo de Muc5b. Le second objectif était de montrer, chez des souris mucoviscidosiques CftrΔF508, qu'une nutrition enrichie en acides gras polyinsaturés à longues chaînes (n-3) module la production de la mucine Muc5b, confirmant des résultats précédemment publiés sur la régulation transcriptionnelle du gène Muc5b chez des souris de type sauvage par ce régime alimentaire.Une souris transgénique Muc5b-GFP a été créée par insertion d'une séquence codant la GFP (pour « Green Fluorescent Protein ») à la place du codon Stop de Muc5b. Le profil d'expression de Muc5b a été déterminé ex vivo sur tissus et chez la souris anesthésiée. Muc5b est produit dans l'oreille moyenne, l’œil, la cavité nasale, la trachée, la vésicule biliaire, le cervix, ainsi que dans le poumon embryonnaire à E12,5. Nous apportons la preuve de concept que Muc5b-GFP est un biomarqueur de la densité des cellules à mucus dans un modèle de syndrome de l’œil sec où nous mesurons, chez la souris anesthésiée, une diminution de la densité en cellules caliciformes qui est restaurée par application topique d'interleukine 13. La souris Muc5b-GFP est donc un modèle pré-clinique pour suivre la production de la mucine et la densité de cellules caliciformes. Dans le modèle murin CftrΔF508, nous montrons qu'une supplémentation à long terme en acides gras polyinsaturés à longues chaînes (n-3) n'influence pas le taux d'expression de Muc5b suite à une inflammation pulmonaire aiguë, mais améliore l'histologie pulmonaire et module la réponse inflammatoire. / MUC5B, one of the 5 gel-forming mucins in mammals, is part of the mucus gels and responsible of the visco-elastic properties of these gels. The density of goblet cells, which secrete this macromolecule, reflects the homeostasis of secretory epitheliums.The main goal of this thesis was the creation and characterization of a transgenic mouse to easily follow in vivo the production of Muc5b. The second goal was to show that, as previously reported by the laboratory in wild-type mice, a (n-3) long chain polyunsaturated fatty acid enriched diet modulates the production of Muc5b in the cystic fibrosis mouse model CftrΔF508.A Muc5b-GFP transgenic mouse was created by replacing the Stop codon of Muc5b with a GFP (Green Fluorescent Protein) coding sequence. Muc5b expression pattern was studied ex vivo in tissues and in anaesthetized mouse. Muc5b is produced in middle ear, eye, nasal cavity, trachea, gallbladder, cervix, and in embryonic lung at E12.5. As a proof-of-concept, we show that Muc5b-GFP is a biomarker of goblet cell density in a dry eye model. In anaesthetized mice, we measured a decreased goblet cell density after dry eye induction, which was restored by interleukin 13 topical application. Muc5b-GFP mouse is a preclinical model to follow the mucin production and goblet cell density. In the cystic fibrosis mouse model CftrΔF508, we show that a long term (n-3) long chain polyunsaturated fatty acid supplementation has no effect after an acute pulmonary inflammation on the Muc5b expression level, but induces an improvement of lung histology and a modulation of the inflammatory response.

Le développement récent de l’endoscopie interventionnelle digestive nous a conduit à prendre en charge deux types de pathologies préoccupantes. Il s’agit d’une part des fistules digestives souvent responsables d’une morbi-mortalité élevée et d’autre part des sténoses œsophagiennes après résection tumorale endoscopique étendue. Dans ces deux situations, des phénomènes inflammatoires chroniques conduisent soit à l’absence de fermeture de la fistule soit à une fibrose importante responsable de sténose de l’œsophage. La thérapie cellulaire a déjà été utilisée pour diminuer ces phénomènes inflammatoires et entrainer une cicatrisation. La thérapie tissulaire par cellules souches organisées en construction 3D représente un avantage important en permettant de cibler le site d’action par dépôt direct du feuillet cellularisé. Notre objectif était d’évaluer l’effet thérapeutique de ces nouveaux outils pour fermer les fistules digestives et pour prévenir la survenue des sténoses œsophagiennes. La première étape a consisté a évaluer l’efficacité du traitement par des cellules souches mésenchymateuses provenant de moelle osseuse humaine, marquées puis organisées en doubles feuillets, dans un modèle de fistule entéro-cutanée post-chirurgicale chez la souris nude. L’évaluation clinique et en imagerie (IRM et microscopie confocale) a montré une meilleure cicatrisation avec une augmentation de la microvascularisation et une accélération de la fermeture de la fistule chez les souris greffées. Les effets observés semblent liés à une augmentation précoce de la synthèse des facteurs de réparation (EGF et le VEGF) et des cytokines anti-inflammatoires (TGF-ß2 et IL-10). Après avoir développé un modèle inédit de fistule oeso-cutanée chez le porc grâce à la mise en place par voie endoscopique et chirurgicale de prothèses plastiques entre la lumière œsophagienne et la peau, nous avons évalué l’efficacité thérapeutique d’un gel contenant des vésicules extracellulaires issues de cellules souches isolées du tissu adipeux de porc. Ce gel injecté dans la fistule par voie endoscopique a permis la fermeture des fistules. Enfin, la troisième partie de notre travail a consisté à évaluer l’efficacité de la greffe allogénique de doubles feuillets de cellules souches mésenchymateuses pour prévenir la survenue des sténoses œsophagiennes dans un modèle porcin après dissection sous muqueuse étendue. Il existait une réduction significative du taux de sténose œsophagienne cicatricielle dans le groupe greffé avec une fibrose moins importante. En conclusion, l’effet paracrine antifibrosant des cellules souches mésenchymateuses organisées en feuillets est efficace à la fois pour fermer les fistules entéro-cutanées chez la souris et pour prévenir les sténoses œsophagiennes chez le porc. Un gel avec des vésicules extracellulaires issues des cellules souches a de la même façon un effet cicatrisant anti-inflammatoire permettant la fermeture des fistules œsophagiennes chez le porc. Ces résultats sont très encourageants et posent la question d’une évaluation future chez l’homme. / Recent developments in digestive interventional endoscopy lead us to manage two types of digestive disease. First, it is digestive fistulas associated in many cases with high morbi-mortality; and second is oesophageal stenosis after extended superficial endoscopic resection. In both situations, chronic inflammatory process resulted in delayed or no fistula healing for the first case or oesophageal stenosis due to fibrosis. Cellular therapy has proved to be successful in reducing the inflammatory process and to promote tissue healing. Tissue therapy with 3D construct stem cells represents a major advantage by allowing a direct adaptation on the right place. Our objective was to evaluate the therapeutic effect of new strategy to close the digestive fistula and to prevent oesophageal stenosis. First step was to evaluate the effect of labelled human bone marrow derived mesenchymal stem cells engraftment in the form of double cellsheet in a post-surgical fistula model in nude mice. Clinical and radiological (MRI and probe based confocal microscopy) evaluation showed a better fistula healing with higher microvascularization and a faster fistula closing in grafted mice. These effects appear to be related to an increase production of factors involved in tissue repair (EGF et le VEGF) and anti-inflammatory cytokines (TGF-ß2 et IL-10). We developed an unpublished eso-cutaneous fistula in a porcine model after plastic catheters placement by surgical and endoscopic way between the oesophageal lumen and the skin. We evaluated the therapeutic effect of a hydrogel with extracellular vesicles extracted from porcine adipose derived stem cells. The hydrogel with vesicles was injected into the fistula by endoscopy. Radiological and histological evaluation 15 days after injection showed a fistula tract closure in treated group.The third part of this work was to evaluate the effect of allograft of adipose derived stem cells 3D construct to prevent the stenosis after extended endoscopic submucosal dissection in a porcine model. There was a significant reduction of number and degree of stenosis with decrease fibrosis infiltration in the grafted group.In summary, thanks to their paracrine and antifibrotic effect, the mesenchymal stem cells organised as 3D construct allowed fistula closure in an entero-cutaneous model in mice and prevention of stenosis after extended oesophageal submucosal dissection in a porcine model. Moreover, endoscopic hydrogel and extracellular vesicles injection allowed oesophageal fistula healing in a porcine model. These promising results pose the challenge of future clinical studies.

Le diagnostic des pathologies du tube digestif pouvant favoriser la survenue du cancer colorectal(CCR) telle que les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) est un enjeu majeur de santé public. Un meilleur suivi du patient – impactant notamment le pronostic vital – et une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces maladies reposent en partie sur l'émergence de nouvelles techniques diagnostiques. Dans ce contexte, ce manuscrit décrit les développements instrumentaux et méthodologiques combinant séquentiellement au sein d'un même protocole un examen par IRM endoluminale avec un examen associant l'endoscopie conventionnelle, la spectrophotométrie optique et l'endomicroscopie confocale. Les capteurs et procédures développés ont été caractérisés in vitro sur des modèles organiques puis évalués au cours de deux suivis longitudinaux sur un modèle de colite induite chimiquement chez le petit animal. Cette démarche s'inscrit dans les développements récents de techniques multimodales applicables chez des modèles animaux pour des études méthodologiques ou chez l'Homme. La première partie du manuscrit décrit un panorama de l'anatomie rectocolique ainsi que des MICI et du CCR. Les moyens diagnostics actuels utilisés de manière régulière en clinique sont également présentés. La seconde partie décrit précisément les développements instrumentaux et méthodologiques réalisés en IRM et en optique ainsi que les différentes études in vivo qui ont été menées afin d'évaluer le potentiel de la multimodalité IRM – optique. Enfin, la troisième partie de ce manuscrit présente et discute les résultats obtenus au cours de ces différentes études pour les différentes modalités. En conclusion, l'apport de nouveaux outils diagnostiques tels que présentés dans ce manuscrit permettant d'accroître la sensibilité de détection et de caractérisation des lésions tissulaires colorectales est démontré / The diagnosis of gut-inflammatory conditions such as inflammatory bowel disease (IBD), that may lead into colorectal cancer (CRC), is a major public health issue. The emergence of novel imaging-based diagnosis technics helps to improve patients’ following-up but also the growth mechanisms of such conditions. In this context, the present manuscript describes a protocol that includes sequentially endoluminal MRI examination with conventional endoscopy, optical spectroscopy and confocal endomicroscopy. The dedicated developed instrumentation has been first characterized on organic models and then evaluated in vivo on a mouse model of colitis during two longitudinal studies. This project aims to propose methodological developments offering new ways of investigating complex mechanisms on mouse models and that could be further transposed to Human. The first part of this manuscript describes an overview of the colon and rectum anatomy as well as the main characteristics of IBD and CRC. The diagnostic imaging tools that are mainly use in clinical environment for the detection, description and staging of colorectal abnormalities are then presented. The second part describes the development of endoluminal MRI with dedicated coils and the development of optical modalities. In order to assess the potential of the proposed protocol, the different in vivo studies carried out during this project are detailed. Finally, the last part of the document shows and discusses the results obtained for each and cross modalities in this context. In conclusion, bringing new ways of imaging gut diseases to increase the sensitivity of the diagnosis and enhance the morphological description of colorectal abnormalities was demonstrated

Ce travail concerne tout d'abord deux techniques originales de caractérisation monocoup d'impulsions lumineuses brèves. un autocorrélateur à deux photons à fibre optique à coeur liquide fluorescent est tout d'abord présenté. La seconde méthode, nommée SPIRIT, s'appuie sur l'interférométrie spectrale à décalage résolue temporellement sans référence. Elle met en oeuvre une étape interférométrique suivie d'une étape non-linéaire d'échantillonnage temporel tout optique. Une évolution bi-dimensionnelle de SPIRIT profitant des dimensions spectrale et temporelle et également démontrée.<br />La seconde partie de ce travail concerne une technique d'acheminement d'impulsions femtosecondes énergétiques par fibre optique en vue d'une application à l'endomicroscopie non-linéaire. La mise en forme temporelle et spectrale du signal permet de pré-compenser la dipersion chromatique et l'automodulation de phase se produisant dans la fibre endoscopique constituée d'un faisceau de milliers de fibres optiques. L'endomicroscope non-linéaire a permis l'enregistrement d'images bi-photoniques de cellules de colon humain pour une puissance moyenne faible.