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Une nouvelle génération de spectromètres imageurs émerge dans le domaine de l'exploration spatiale par l'ajout d'une dimension supplémentaire de mesure, la dimension angulaire. L'imagerie spectroscopique multi-angulaire est conçue pour fournir une caractérisation plus précise des matériaux planétaires et permet une meilleure séparation des signaux provenant de l'atmosphère et la surface. Le capteur Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter est une caméra hyperspectrale qui fonctionne systématiquement dans le mode multi-angulaire depuis l'orbite. Néanmoins, les images multi-angulaires hyperspectrales posent certains problèmes de manipulation, de visualisation et d'analyse en raison de leur taille et de leur complexité. Dans ce cadre, cette thèse propose des algorithmes statistiques et physiques pour analyser les images acquises par l'instrument CRISM de manière efficace et robuste. Premièrement, je propose une chaîne de post-traitement visant à améliorer la qualité radiométrique des données CRISM et à générer des produits améliorés, ces dernières données étant conçues pour permettre une analyse fine de la planète Mars. Deuxièmement, je m'intéresse à la correction atmosphérique des images CRISM en exploitant les capacités multi-angulaires de cet instrument. Un algorithme innovant, à base physique est mis en oeuvre pour compenser les effets atmosphériques afin d'estimer la reflectance de surface. Cette approche est particulièrement utilisée dans cette thèse pour déduire les propriétés photométriques des matériaux qui coexistent dans un site spécifique de Mars, le cratère de Gusev. Troisièmement, j'effectue une comparaison d'une sélection des meilleurs techniques existantes, visant à réaliser une déconvolution spectrale des données acquises par l'instrument CRISM. Ces techniques statistiques se sont avérées utiles lors de l'analyse d'images hyperspectrales de manière non supervisé, c'est a dire, sans aucun a priori sur la scène. Une stratégie originale est proposée pour discriminer les techniques les plus appropriées pour l'exploration de Mars, à partir de données indépendantes provenant d'autres capteurs d'imagerie haute résolution afin de construire une vérité de terrain. / New generation of imaging spectrometers are emerging in the field of space exploration by adding an additional view of measurement, the angular dimension. Multi-angle imaging spectroscopy is conceived to provide a more accurate characterization of planetary materials and a higher success in separating the signals coming from the atmosphere and the surface. The Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) aboard the Mars Reconnaissance Orbiter is a hyperspectral camera that operates systematically in multi-angle mode from space. Nonetheless, multi-angle hyperspectral images are related to problems of manipulation, visualization and analysis because of their size and complexity. In this framework, this PhD thesis proposes robust statistical and physical algorithms to analyze images acquired by the CRISM instrument in an efficient manner. First, I propose a tailor-made data pipeline aimed at improving the radiometric quality of CRISM data and generating advanced products, the latter data being devised to perform fine analysis of the planet Mars. Second, I address the atmospheric correction of CRISM imagery by exploiting the multi-angle capabilities of this instrument. An innovative physically-based algorithm compensating for atmospheric effects is put forward in order to retrieve surface reflectance. This approach is particularly used in this thesis to infer the photometric properties of the materials coexisting in a specific site of Mars, the Gusev crater. Third, I perform an intercomparison of a selection of state-of-the-art techniques aimed at performing spectral unmixing of hyperspectral data acquired by the CRISM instrument. These statistical techniques are proved to be useful when analyzing hyperspectral images in an unsupervised manner, that is, without any a priori on the scene. An original strategy is proposed to discriminate the most suitable techniques for the exploration of Mars based on ground truth data built from independent high resolution imagery.

Breast cancer is a global public health problem since it is the most frequently diagnosed cancer in women in Western countries. Clinical guidelines for breast cancer prognosis/diagnosis are currently based on tumour size, histological type and grade, lymph node status as well as the expression of various cellular receptors. Yet, current predictions remain unsatisfactory to identify the best treatment for the individual patient. The search for identifying new predictive and prognostic factors is ongoing. Furthermore, compelling evidences have solidified the notion that the evolving epithelial cells, founders of the breast disease, are helped in their malignant course by the tumour microenvironment. Better characterizing the dual effect of the immune regulation but also the epithelial-stromal cross-talk on both tumour-promotion and -suppression is essential for understanding patient uniqueness and their implication in disease outcome. Because of its potential to probe tissues and cells at the molecular level without requirement for extrinsic contrast agents, infrared spectroscopy was seen as an attractive tool for clinical and diagnostic analysis in order to complement the existing methods. <p>In a first step, recording and processing methodology had to be defined in order to optimally compare IR spectra. The methodology developed and the analysis tools tested on carcinoma cell lines, demonstrated that spectra could be distinguished based on the cell line phenotypic nature. <p>The potential of IR imaging for breast tissular structure differentiation was highlighted in this thesis, demonstrating that spectral signature can be correlated with the major histological cell types observed in breast disease tissues. In order to develop a robust algorithm translating spectral data into helpful histopathological information, a spectral database of histologically well-defined breast tissues was built and used for the development of a cell type classifier. This latter one was extensively validated on independent clinical cases. Firstly, the IR-based histopathological classifier correctly assigned spectra acquired on eleven breast disease samples based on their histological nature. Secondly, lymphocyte and Collagen & Fibroblasts spectral signatures were demonstrated to be independent from tissue type and organ since, although trained on reference spectra recorded into breast disease samples, the cell type classifier correctly assigned spectra acquired on lymph nodes/tonsils and scar tissues respectively. Thirdly, we concluded that spectroscopically, breast carcinoma cell lines in culture are well-suited tumour models since spectra acquired on these carcinoma cell lines were correctly recognized as epithelium by the IR-based histological classifier. <p>By spectral characterizing lymphocytes from lymph nodes and tonsils, we demonstrated that the spectra acquired contained enough information to statistically discriminate them according to their lymphocyte activation states. Although considered as activated, the breast disease lymphoid infiltrates were found to present distinct spectral signature from lymphocytes acquired on activated lymph nodes and tonsils. Furthermore, tumour microenvironment, characterized by IR-imaging was demonstrated to exhibit a distinct spectral signature from wound healing tissues. These studies proved the uniqueness of the signature of both lymphoid infiltrate and tumour microenvironment in breast disease context. Correlating these specific spectral signatures to patient outcome and therapeutics response could help better consider the uniqueness of the patient. In a last step, considering the epithelial signature of carcinomas of both low and high grades, we demonstrated that the biochemical information reflected in the IR micro-spectra was clinically relevant for grading purpose.<p><p> <p><p>Le cancer du sein est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les femmes dans les pays occidentaux. Jusqu’à peu, les cellules épithéliales tumorales étaient vues comme les seuls acteurs de la carcinogenèse ;processus se déroulant dans un milieu extracellulaire considéré au pire comme passif ou permissif à l’évolution tumorale des cellules épithéliales adjacentes. Cependant, de nombreuses études ont montré que ce microenvironnement tumoral pouvait soit promouvoir le processus de carcinogenèse soit le combattre empêchant par la même, l’occurrence de la maladie. <p>Ce projet de thèse s’inscrit dans une problématique actuelle, à savoir une meilleure compréhension de la maladie mais également une prise en charge plus individualisée des patientes. Nous abordons ici une voie de recherche novatrice basée sur la signature globale des molécules cellulaires via leur spectre infrarouge. La technologie utilisée, à savoir la spectroscopie infrarouge, nous fournit une observation quantitative et qualitative de milliers de vibrations moléculaires. L’adaptation de réseaux de plusieurs milliers de détecteurs indépendants aux microscopes infrarouges permet, grâce aux méthodes statistiques multivariées, d’investiguer l’architecture macromoléculaire des cellules au sein d’une coupe tissulaire et de corréler les informations spectrales ainsi obtenues à l’histopathologie des tissus. Par cette technologie, nous visons à mettre au point un outil diagnostique et pronostique pour le cancer du sein basé sur l’imagerie IR. <p>Durant ce projet, nous avons montré que les différents types cellulaires observés dans les carcinomes mammaires pouvaient être distingués par le biais de leur spectre IR, qu’un modèle de reconnaissance histologique pouvait être construit, validé et surtout automatisé et que ce modèle pouvait être transposé à l’étude d’autres tissus (ganglions, amygdales et cicatrices) et d’autres types d’échantillons (cellules épithéliales en culture). Nous avons également montré que les spectres de cellules épithéliales pouvaient être corrélés au grade histopathologique de la tumeur. Les spectres acquis de ganglions/amygdales ont montré que les profils spectraux pouvaient être corrélés à l’état d’activation lymphocytaire. De plus, l’étude de l’état d’activation lymphocytaire et fibroblastique a permis de mettre en avant un profil spectral propre et bien distinct des infiltrats lymphocytaires d’une part et de la matrice extracellulaire aux abords des tumeurs invasives d’autre part. <p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<div>Vibrational spectroscopic imaging has become an emerging platform for chemical visualization of biomolecules and materials in complex systems. For over a century, both Raman and infrared spectroscopy have demonstrated the capability to recognize molecules of interest by harnessing the characteristic features from molecular fingerprints. With the recent development of hyperspectral vibrational spectroscopy imaging, which records the chemical information without sacrificing the spatial-temporal resolution, numerous discoveries has been achieved in the field of molecular and cellular biology. Despite the ability to provide complimentary chemical information to Raman-based approaches, infrared spectroscopy has not been extensively applied in routine studies due to several fundamental limitations: 1). the poor spatial resolution; 2). inevitable strong water absorption; 3). lack of depth resolution.</div><div>Mid-infrared photothermal (MIP) microscopy overcame all the above mentioned problems and for the first time, enabled depth-resolved in vivo infrared imaging of live cells, microorganisms with submicrometer spatial resolution. The development of epi-detected MIP microscopy further extends its application in pharmaceutical and materials sciences. With the deployment of difference frequency generation and other nonlinear optical techniques, the spectral coverage of the MIP microscopy was significantly enhanced to enable chemical differentiation in complex systems across the broad mid-infrared region. In addition to the efforts to directly improve the performance of MIP microscopy, a novel quantitative phase imaging approach based on polarization wavefront shaping via custom-designed micro-retarder arrays was developed to take advantage of the highly sensitive phase measurement in combination with the photothermal effect. Besides, the extended depth-of-field and multifocus imaging enabled by polarization wavefront shaping could both improve the performance of MIP microscopy for volumetric imaging.</div>

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Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire. / Polysaccharide hydrogels are biomaterials used as controlled drug delivery matrices and serve as model scaffolds for the study of many biological systems like bacterial biofilms and mucus. In every case, the transport of drugs or nutriments across a hydrogel matrix is of prime importance. Therefore, the study of transport properties in hydrogels is an important issue for many fields of application. In this work, curdlan, a neutral bacterial polysaccharide made of β-D-(1→3) glucose repeating units, is used as a model hydrogel. Aqueous suspensions of curdlan can form thermogels of different conformations depending on the incubation temperature. In situ characterization of the preparation of thermo-reversible (low-set) and thermo-irreversible (high-set) curdlan hydrogels was first carried out using variable temperature attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results allowed optimization of the gelling conditions leading to reproducible gel samples. Structural characterization of fully hydrated hydrogels, carried out by FT-IR imaging, environmental scanning electron microscopy (eSEM) and atomic force microscopy (AFM), allowed visualization of the different gel morphologies susceptible of influencing the diffusion of analytes in hydrogels. Our results show that both types of curdlan hydrogels have distinct microscopic architectures. The combination of pulsed field gradient (PFG) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and NMR profiling allowed the study of self-diffusion and mutual diffusion on the same hydrogel system in similar experimental conditions. We showed that the diffusion of analytes in the gels is slower than in the aqueous solution. The diffusion experiments, carried out on a series of analytes of various sizes in both types of curdlan gels, show a decrease of the relative self-diffusion coefficient as a function of the analyte size. In addition, our results suggest that the equivalence between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients measured in the high-set curdlan gels is mainly due to the fact that the environment probed by the analytes during a self-diffusion experiment is representative of the one probed during a mutual-diffusion experiment. In such conditions, our results show that PFG NMR may present a valuable approach for the characterization of controlled drug release systems. Additional experiments show that the mutual-diffusion coefficient of dextran macromolecules is smaller than its self-diffusion coefficient in the same curdlan hydrogel. The difference between both transport rates is attributed to the different environment volumes probed by the analytes during the measurements. The similarities observed between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients, measured in both types of curdlan gels for all investigated analytes, suggest a limited influence of the microscopic gel architecture on its transport properties. It is therefore concluded that the interactions affecting the diffusion of the investigated analytes in the curdlan hydrogels lie at the molecular scale.

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire. / Polysaccharide hydrogels are biomaterials used as controlled drug delivery matrices and serve as model scaffolds for the study of many biological systems like bacterial biofilms and mucus. In every case, the transport of drugs or nutriments across a hydrogel matrix is of prime importance. Therefore, the study of transport properties in hydrogels is an important issue for many fields of application. In this work, curdlan, a neutral bacterial polysaccharide made of β-D-(1→3) glucose repeating units, is used as a model hydrogel. Aqueous suspensions of curdlan can form thermogels of different conformations depending on the incubation temperature. In situ characterization of the preparation of thermo-reversible (low-set) and thermo-irreversible (high-set) curdlan hydrogels was first carried out using variable temperature attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The results allowed optimization of the gelling conditions leading to reproducible gel samples. Structural characterization of fully hydrated hydrogels, carried out by FT-IR imaging, environmental scanning electron microscopy (eSEM) and atomic force microscopy (AFM), allowed visualization of the different gel morphologies susceptible of influencing the diffusion of analytes in hydrogels. Our results show that both types of curdlan hydrogels have distinct microscopic architectures. The combination of pulsed field gradient (PFG) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and NMR profiling allowed the study of self-diffusion and mutual diffusion on the same hydrogel system in similar experimental conditions. We showed that the diffusion of analytes in the gels is slower than in the aqueous solution. The diffusion experiments, carried out on a series of analytes of various sizes in both types of curdlan gels, show a decrease of the relative self-diffusion coefficient as a function of the analyte size. In addition, our results suggest that the equivalence between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients measured in the high-set curdlan gels is mainly due to the fact that the environment probed by the analytes during a self-diffusion experiment is representative of the one probed during a mutual-diffusion experiment. In such conditions, our results show that PFG NMR may present a valuable approach for the characterization of controlled drug release systems. Additional experiments show that the mutual-diffusion coefficient of dextran macromolecules is smaller than its self-diffusion coefficient in the same curdlan hydrogel. The difference between both transport rates is attributed to the different environment volumes probed by the analytes during the measurements. The similarities observed between the self-diffusion and mutual-diffusion coefficients, measured in both types of curdlan gels for all investigated analytes, suggest a limited influence of the microscopic gel architecture on its transport properties. It is therefore concluded that the interactions affecting the diffusion of the investigated analytes in the curdlan hydrogels lie at the molecular scale.