Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les métalloprotéinases de matrice (MMPs) sont des enzymes impliquées dans la restructuration tissulaire et la migration cellulaire. La MMP-2, en particulier, a été reconnue comme biomarqueur de la progression ou du pronostic de plusieurs pathologies, comme l'arthrite, l'athérosclérose, l'infarctus et le cancer. Son rôle exact est mal caractérisé. Pour ces raisons, il est important de développer des outils pour nous permettre d'étudier la MMP-2 de manière spécifique et non invasive. Actuellement, il existe une grande quantité de sondes optiques (imagerie optique), d'agent de contrastes (imagerie par résonance magnétique) et de radiotraceurs (tomographie d'émission par positrons et tomographie d'émission monophotonique) ciblant les MMPs. Par contre, aucune de ces molécules ne permet de quantifier spécifiquement l'activité MMP-2, particulièrement envers la MMP-9 qui possède des substrats similaires. De plus, la plupart des études publiées sur le sujet sont incomplètes. Cette Thèse résume nos progrès dans le développement de molécules permettant de cibler spécifiquement et d'effectuer l'imagerie de la MMP-2. Toutes les molécules testées sont activées rapidement par la MMP-2 et se révèlent sélectives in vitro par rapport aux MMP- 3, MMP-7 et MMP-9. Tout d'abord, un agent de contraste (PCA2-switch) est évalué dans un modèle de tumeur sous-cutanée chez la souris et nous permet de différencier entre des tumeurs possédant des niveaux d'activité faible ou élevé de la MMP-2. Nous explorons ensuite une série de sondes fluorescentes activables, dont l'une permet l'obtention de résultats prometteurs in vitro (haut rendement de l'atténuation et haute spécificité d'activation par la MMP-2 par rapport à la MMP-9). Toutefois, cette sonde ne se révèle pas spécifiques in vivo - plutôt, toutes les sondes testées résultent en l'obtention d'une distribution similaire à la distribution d'une molécule contrôle (non spécifique). L'une des principales limitations du domaine de l'imagerie des MMPs est le manque de contrôle pour différencier la captation et l'activation spécifique de la captation non spécifique des molécules testées. La dernière section de cette Thèse inclut une étude de captation tumorale dans un modèle de tumeur sous-cutanée et de radiothérapie. Cette étude met en évidence l'implication de la captation non spécifique dans le signal observé en imagerie.

L’objectif de cette thèse a été de développer une méthode simple et rapide (35 minutes) d'imagerie afin d’enregistrer des images grand champ (jusqu’à 2,5 cm x 2,5 cm) et multi-échelles (µm-cm) de lames de tissus colorés et non colorés en anatomopathologie.La solution proposée est basée sur l’imagerie sans lentille. C’est une méthode simple, bas coût, qui permet d’enregistrer des images grand champ (10-30 mm²) d’objets épars, comme des virus, des bactéries ou des cellules. Dans ces travaux, nous montrons qu’il est possible d'obtenir en imagerie sans lentille des images d'objets denses tels que des lames de tissus colorés ou non marqués. Pour ce faire, l’échantillon est illuminé sous différentes longueurs d’onde, et un nouvel algorithme de reconstruction holographique multi-longueurs d’onde permet de reconstruire le module et la phase d’objets denses. Chaque image est reconstruite en 1,1 seconde couvrant un champ de 10 mm². Une image totale de la lame de tissu, couvrant un champ de 6,25 cm², est obtenue en 35 minutes en scannant l’échantillon au-dessus du capteur. Les images reconstruites sont multi-échelles, permettant à l’utilisateur d’observer en une seule fois la structure générale du tissu, et de zoomer jusqu’à la cellule individuelle (3-4 µm). La méthode a été testée sur différents échantillons anatomopathologiques colorés et non colorés. Au-delà des lames de tissus, l’imagerie sans lentille multi-longueurs d’onde montre des résultats encourageants pour le diagnostic de la méningite, le suivi au cours du temps d’une population bactérienne pour l’identification et la réalisation d’antibiogrammes, et le suivi au cours du temps de cultures cellulaires. / This PhD project aims to develop a simple, fast (35 minutes), wide-field (up to 2.5 cm x 2.5 cm) multiscale (µm-cm) imaging method for stained and unstained tissue slides for digital pathology application. We present a solution based on lensfree imaging. It is a simple, low-cost technique that enables wide field imaging (10-30 mm²) of sparse objects, like viruses, bacteria or cells. In this project, we adapted lensfree imaging for dense objects observation, like stained or unstained tissue slides. The sample is illuminated under multiple illumination wavelengths, and a new multiwavelength holographic reconstruction algorithm was developed in order to reconstruct the modulus and phase of dense objects. Each image covers 10 mm² field of view, and is reconstructed in 1.1 second. An image of the whole tissue slide covers 6.25 cm². It is recorded in 35 minutes by scanning the sample over the sensor. The reconstructed images are multiscale, allowing the user to observe the overall tissue structure and to zoom down to the single cell level (3-4 µm). The method was tested on various stained and unstained pathology samples. Besides tissue slides, multiwavelength lensfree imaging shows encouraging results for meningitis diagnosis, bacteria population monitoring for identification and antibiotic susceptibility testing, and cell culture monitoring.

Parmi les approches d'imagerie préclinique, les techniques optiques sur petit animal fournissent une information fonctionnelle sur un phénomène biologique ainsi que sur sa localisation. De récents développements permettent d'exploiter ces méthodes dans le cadre de l'imagerie sur animal vigile. Les conditions physiologiques se rapprochent alors de celles du fonctionnement normal de l'organisme. Les travaux de cette thèse ont porté sur l'utilisation optimale de cette modalité via des méthodes originales d'analyse et de traitement.Les problèmes soulevés par la fusion des flux cinématiques et de données de bioluminescence nous ont amené à proposer des approches complémentaires d’estimationde mouvement de l’animal. La représentation sous forme implicite des informations issuesde la vidéo de l’animal permettent de construire un critère robuste à minimiser. L’ajout d’uncritère global mesurant la compacité du signal optique permet de considérer dans sa totalité les données multicanaux acquises pour augmenter la précision du recalage. Finalement ces deux modélisations offrent des résultats pertinents et validés expérimentalement.Dans le but de s'affranchir des contraintes de l'observation planaire de nos données nous avons conçu une méthode d’estimation du mouvement 3D de l’animal à partir d’un modèle pré-calculé. Grâce à un système d'acquisition multi-vues et simultanée de la scène, il est possible d’ajouter une contrainte sur l'estimation de la position de la source pour rendre robuste le suivi des poses issues de la vidéo. Les résultats expérimentaux montrent le potentiel de cette méthode pour fournir des mesures 3D précises sur l'animal vigile. / Optical imaging techniques, have taken, since many years, a great part in the preclinicalstudies. The luminescence signal could be now recorded with a short time resolution whichenables studies with freely moving animals. This is an improvement because several studieshighlighted the impact of anesthetics agent and animal handling to perform studies inphysiological conditions. In this thesis, we define the tools, based on computer visionmethods, which offer the possibility to express the potential of this modality.In some cases, animal movement and low signal produce weak localization of the signal.Therefore we propose to improve localization of the optical data for a freely moving animal byusing motion field obtained from the multi-channel data. First, we introduce silhouetteconstraints and landmarks on the mouse skin within a variation framework. To take intoaccount all data in the registration framework, we combine the previously defined criteria,with global ones which measure compactness of signal distribution. Fusion is formulated as adiscrete population framework which produces strong experimental results in comparison topairwise method.In the last part, we propose an original approach to enable 3D optical imaging in case offreely moving animal. Therefore, we present a novel model-based method to animal trackingfrom monocular video which allows the 3D measurement of the signal. The 3D animal poseand the illumination are dynamically estimated through minimization of an objective functionwith constraints on the signal position. Experimental results demonstrate the potential of ourapproach for 3D accurate measurement with freely moving animal.

L’imagerie optique est actuellement en train de révolutionner le diagnostic pré-clinique et le développement des médicaments. Dans ce contexte, la société QUIDD développe des sondes intelligentes capables de mettre en évidence des processus biologiques impliqués dans les maladies. Ainsi, cette thèse a pour objectif le développement d’une méthode générale pour la synthèse de sondes luminescentes visant la détection de peptidases. Pour cela, des sondes composées d’un substrat peptidique et d’une espèce luminescente phénolique reliés entre eux par un bras réactif auto-immolables ont été développées. Deux approches ont été envisagées : une stratégie utilisant des pro-fluorophores à phénol dont l’émission de fluorescence est éteinte lorsque leur fonction phénol est substituée. Une autre stratégie a consisté en l’utilisation de 1,2-dioxétanes dont la libération dans le milieu engendre une émission spontanée de lumière. Cette thèse présente tout d’abord la validation de cette stratégie, notamment pour la détection de la caspase-3, une enzyme fortement impliquée dans le processus apoptotique. La deuxième partie de ce travail relate les efforts effectués afin de permettre l’utilisation de ces sondes en imagerie in vivo. / Optical imaging is currently revolutionizing pre-clinic diagnosis and drug development. In that context, QUIDD develops smart probes able to follow biological events involved in biological disorders. The aim of this PhD work was to provide a general method for the synthesis of luminescent probes able to detect proteases. For that purpose, probes composed of a peptide substrate and a phenolic luminescent moiety connected by a self-immolative linker were developed. Two strategies were investigated: a first strategy involved phenolic pro-fluorophores, whose fluorescence is quenched when their phenol functionality is substituted. A second strategy took advantage of 1,2-dioxetanes whose liberation in the medium results in a spontaneous light emission. The first objective of this work was to provide a proof of concept of these strategies, especially for the detection of caspase-3, a key enzyme involved in the apoptotic process. The second part of this work was devoted to the extension of the strategy to in vivo imaging.

Ce travail de thèse en cotutelle a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne (France) et au département de chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). Ces travaux sont consacrés à la conception de nouveaux dérivés du BODIPY en vue d'une application in vivo pour l'imagerie bimodale optique/TEP ou TEMP. Ces modifications concernent l'hydrosolubilisation des fluorophores, mais aussi le décalage des domaines d’absorption et d’émission vers la fenêtre thérapeutique, zone dans laquelle la lumière est moins atténuée par les tissus biologiques. Des solutions permettant la bioconjugaison des fluorophores sur un dérivé de la bombésine, un peptide permettant de cibler des récepteurs membranaires surexprimés dans certains types de cellules cancéreuses, sont également présentées. Une stratégie de radiofluoration du, BODIPY, impliquant l’introduction sur l’atome de bore d’un groupe partant, est décrite.. Différents dérivés de BODIPY ont également été utilisés pour la construction d’édifices multichromophoriques à transfert d’énergie. Ces travaux sont décrits dans la seconde partie de cette thèse. Ils comprennent notamment des études photophysiques permettant de mettre en évidence le transfert d’énergie photo-induit donneur-accepteur entre différents chromophores. Dans les différents systèmes élaborés, de type BODIPY-pophyrine et BODIPY-corolle, le BODIPY est alternativement donneur, ou accepteur d’énergie. / This thesis was performed at the Institut de Chimie Moléculaire de d’Université de Bourgogne (France) and in the Département de chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). The aim of this work was to design new BODIPY derivatives in order to obtain optimal properties for in vivo bimodal optical/PET or SPECT imaging. The modifications concern the hydrosolubilisation of these organic dyes, as well as the shifting of the absorption and emission bands toward the therapeutic window, where the light is less attenuated by biological tissues. Solutions allowing the bioconjugation of BODIPY on a bombesin derivative, a peptide which targets receptors surexpressed in tumor cells, were also investigated. A strategy for BODIPY radiofluorination, implying the introduction of a leaving group on the boron atom, is also described. Several BODIPY based multichromophoric species have also been prepared. The photophysical studies of these derivatives, reported in the second part of the thesis, have evidenced a photoinduced energy transfer between the chromophores. In these systems, BODIPY-pophyrin and BODIPY-corolle, the BODIPY moiety is alternatively donor or acceptor.

Le cerveau montre d’étonnantes capacités d’adaptation aux modifications des entrées sensorielles, celles-ci pouvant avoir pour origine une modification de l’environnement ou être liées à une pathologie de l’organe récepteur lui-même. Les techniques d’imagerie fonctionnelle permettent d’étudier l’impact d’une atteinte du récepteur sensoriel du système visuel, la rétine, sur le fonctionnement et les capacités de réorganisation du cortex visuel primaire. Le but de ce travail était d’ouvrir des pistes de recherche sur les conséquences fonctionnelles centrales et périphériques de pathologies oculaires se manifestant toute par un scotome visuel important. Dans un premier temps, nous avons étudié l’organisation fonctionnelle du cortex visuel humain en Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) à haut champ (3T). Le but de cette étude était de cartographier et de délimiter de manière reproductible les aires visuelles de bas niveau (V1, V2 et V3) par la réalisation de cartes corticales rétinotopiques. Nous avons développé un protocole expérimental spécifique afin d’étudier, chez le sujet sain, les modifications de l’organisation rétinotopique corticale en présence d’une interruption locale de stimulation rétinienne (scotome artificiel). Ce protocole a ensuite été appliqué chez un patient présentant une maculopathie en phase aiguë et après récupération fonctionnelle. Cette étude confirme la possibilité de mesurer sur la surface corticale des zones d’activités différentielles correspondant à une modification localisée de la sensibilité rétinienne et permettra, dans le cas d’atteintes rétiniennes évolutives, d’étudier les phénomènes de plasticité corticale au cours de l’évolution de ces pathologies. Dans un second temps, nous avons mis au point un dispositif d’imagerie optique afin de caractériser l’organisation rétinotopique de l’aire V1 chez le rat. Le développement de cette méthode va nous permettre de lancer deux études importantes. Premièrement, nous étudierons la cinétique des modifications de la carte rétinotopique et de l’activité neuronale afin d’évaluer le rôle respectif des phénomènes de plasticité corticale ou de modification du gain neuronal dans la réorganisation fonctionnelle du cortex visuel après lésion rétinienne. Ces résultats 3 seront à comparer aux données acquises en IRMf chez l’homme. Deuxièmement, cette méthode est le préalable à une étude complémentaire qui a pour but de tester l’impact fonctionnel d‘implants rétiniens chez le rat. Les lésions oculaires impliquent aussi des réorganisations locales, en particulier vasculaires dont les conséquences fonctionnelles sont mal connues. Nous avons donc développé en parallèle des modèles de lésions périphérique permettant l’étude des conséquences sur la rétinotopie d’un scotome induit à la suite d’une atteinte sensorielle périphérique. Ce travail ouvre plusieurs perspectives quant à l’exploration fonctionnelle dans des pathologies comme la DMLA. / The brain shows a high ability to reorganize following alteration of sensorial input that may result from modification of the environment or disease of sensorial organs. Modern functional imagery techniques allow to examine the impact on the visual system of such alterations. The aim of this thesis was to develop new approaches for studying at the cortical level, functional consequences of ocular disease associated with a significant visual scotoma. In the first section of this thesis, we used high-field (3T) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to study the cortical functional architecture. Our goal was to map the retinotopic organization of human early visual cortical areas (V1, V2, V3). By this method, we identified modifications of retinotopic organization induced by a focal loss of retinal stimulation (artificial scotoma) and we observed the cortical projections of artificial scotoma on healthy subjects by the mean of a specific stimulus. In the following part of the experimentation, this protocol was used on a patient who showed a maculopathy at the acute stage and after recovery. This study confirms the ability to evaluate the cortical representation (size and location) of a focalized modification of the retinal sensibility threshold and could serve as a basis for the future investigation of cortical plasticity in the visual cortex following retinal diseases. The second section of this thesis was directed to the development of optical imaging intrinsic signals on small animals. Our goals were to characterize the retinotopic organization of rat’s visual cortex. With this method, we will investigate the kinetics of cortical remapping and modifications of the neuronal activity level following retinal lesion. These results will be compared to the data previously acquired by fMRI in humans. Another application of our method will be to study the functional impact of retinal prosthesis. Ocular lesions are associated with local modifications of retinal tissue, and especially with neovascular ingrowth, for which functional consequences have not been totally clarified. We therefore developed models of peripheral lesions, which allow to study the effect of scotoma on retinotopic organization of primary visual cortex after peripheral sensory lesion. This thesis gives some new directions in the functional exploration in retinal disease as Age Related Macular Degeneration (ARMD).

L’imagerie médicale a permis à l’Homme de mieux connaitre son anatomie, le fonctionnement de son corps, et de diagnostiquer ses pathologies à des stades de plus en plus précoces, à partir de techniques peu invasives. Au cœur de cette discipline, l’imagerie moléculaire permet d’observer les processus biologiques qui participent au fonctionnement du vivant à des fins exploratoires, diagnostiques, thérapeutiques et aujourd’hui théranostiques. L’activité enzymatique étant à l’origine d’une grande part du métabolisme, la plupart des pathologies implique le dérèglement de celle-ci. L’observation par imagerie moléculaire de cette activité constitue alors un outil prépondérant de l’arsenal médical. Parmi les techniques d’imagerie les plus adaptées à cet enjeu, l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) permet d’observer les tissus et organes de façon non invasive, en s’appuyant couramment sur l’administration au patient d’agents de contraste. Ces molécules destinées à renforcer la qualité des images acquises peuvent également être utilisées pour réagir à la présence de cibles biologiques d’intérêt, notamment des enzymes, accompagnant ainsi les clichés obtenus d’informations biologiques et physiologiques. Parmi les nombreux outils pharmacologiques destinés à l’IRM, les complexes de lanthanides ont déjà prouvé leur efficacité en imagerie clinique, et peuvent potentiellement être détectés par trois modalités d’imagerie complémentaires : l’IRM à effets T₁ et paraCEST, et l’imagerie optique. Notre équipe travaille à la conception d’une plateforme modulable permettant de détecter une grande variété d’enzymes. Elle est constituée d’un « déclencheur » qui peut être activé par une enzyme ciblée, relié par l’intermédiaire d’un bras « auto-immolable » à un « rapporteur » assurant la détection de la sonde. Ce dernier se compose d’un chélate de lanthanide qui confère à la sonde des propriétés magnétiques détectables par IRM à effets T₁ et paraCEST. Par ailleurs, une antenne de type pyridine assure l’excitation du lanthanide conduisant à sa luminescence, qui peut être détectée par imagerie optique. L’activation enzymatique de l’agent de contraste conduit à la dégradation du bras « auto-immolable », qui s’accompagne d’une modification détectable des propriétés magnétiques et optiques du rapporteur ainsi libéré. Une plateforme de ce type a été conçue lors de travaux précédents ce projet de thèse pour la détection de l’activité de la β-galactosidase. Cependant le processus de dégradation du bras « auto-immolable » déclenché par l’activité de l’enzyme ne permet pas de libérer le rapporteur sous forme activée. En effet, la cascade électronique à l’origine de ce processus est considérablement ralentie par la coordination du bras « auto-immolable » au lanthanide. Aussi, l’objectif de ce projet de thèse consiste à modifier la structure de ces agents de contraste afin de lever ce blocage cinétique, tout en conservant une détectabilité par les trois modalités d’imagerie citées précédemment.Pour ce faire, six nouveaux analogues ont été synthétisés sous forme de modèles de sondes dénués de leur partie déclencheur, afin de s’assurer de la conservation de leurs propriétés magnétiques et optiques tout en s’affranchissant des difficultés synthétiques liées à la présence de celui-ci. A l’issue de la caractérisation physicochimique de ces derniers, deux structures ont été retenues pour la conception de sondes activables par la β-galactosidase. Une première permettant la détection trimodale de l’activation enzymatique, et une seconde dont la détection par IRM à effets T₁ et paraCEST est pH-dépendante. Enfin, à l’issue de leur synthèse, des tests enzymatiques nous ont permis de suivre les cinétiques d’activation des agents de contrastes obtenus par les modalités d’imagerie prévues pour ces composés. / Medical imaging has allowed Mankind to reach a good knowledge in human anatomy, body operation and to diagnose pathologies earlier and earlier, through minimally invasive techniques. Molecular imaging at the heart of this science enables the sight of biological processes standing in the operation of life for both exploratory, diagnostic, therapeutic and even theranostic means. As a wide part of metabolism is provided by enzymatic activity, its imbalance can mean pathological context. Thus, monitoring enzymatic activity through molecular imaging could become a new power weapon in medical arsenal. Among best adapted imaging techniques to this stake, Magnetic Resonance Imaging (MRI) permits to picture tissues and organs non-invasively, widely through contrast agent prescription. These molecules designed to sharpen acquired images quality can also be used for reaction with biological targets of interest, especially enzymes, thus binding those pictures with biological and physiological data. In the many pharmacological tools associated with MRI, lanthanides complexes have already proven efficiency in clinical imaging, and are likely to be detected through three complementary imaging modalities: T₁-MRI, paraCEST-MRI and optical imaging.Our team achieves the design of a tunable platform that can detect a wide range of enzymes. It is composed of a “trigger” that can be activated by a targeted enzyme, bound through a self-immolative linker to a “reporter” moiety that enables the probe to be detected. The latter is endowed with a lanthanide chelate that gives the probe magnetic and optical properties that can be monitored by T₁-MRI or paraCEST-MRI. In addition, a pyridine antenna enables lanthanide sensitization and luminescence, that can be detected by optical imaging. Upon enzymatic activation, self-immolation of the linker causes the release of the reporter moiety, and the modification of its magnetic and optical properties.Previous work in our team has achieved the synthesis of a probe following these concepts and aiming at β-galactosidase activity detection. However, enzyme-triggered self-immolation of the probe did not release the activated reporter moiety, due to the linker’s coordination to the lanthanide. This PhD project is thus intended to modify the chemical structure of this platform to enhance its activation kinetics, while keeping it detectable by MRI and optical imaging. To reach this goal, six novel analogues have been synthetized as models without trigger moiety to check the preservation of magnetic and optical properties while making synthesis easier and faster. Following probes’ magnetic and optical characterization, two structures were selected for the design of a probe aiming at β-galactosidase activity detection. The first one could enable trimodal detection of its activity, and the second one showed pH-dependency of T₁ and paraCEST effects. After synthesis, enzymatic tests allowed us to monitor enzyme activation kinetics for both probes by the previously scheduled imaging modalities.

Le cancer de la peau est un enjeu majeur de santé publique. Il représente le type de cancer ayant le plus fort taux de prévalence et le nombre de cas semble être en constante augmentation. Aujourd'hui, la méthode de référence pour le diagnostic du cancer cutané nécessite un échantillon de tissu suspect, appelé biopsie, prélevé après un simple examen visuel de la peau du patient. Par conséquent, près de 60 % des biopsies se révèlent être bénignes et environ 20 % des cancers de la peau ne sont pas détectés.Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur le développement d'un dispositif de tomographie par cohérence optique confocale en ligne (LC-OCT) capable de produire des images d'une qualité similaire aux coupes histologiques de manière non invasive et in vivo. Le prototype conçu fonctionne à une longueur d'onde centrale autour de 800 nm avec une largeur spectrale d'environ 150 nm. Il a été appliqué à l'imagerie in vivo de la peau avec une résolution spatiale quasi-isotrope d'environ 1 µm et une profondeur de pénétration de 400 µm. Ce dispositif pourrait alors être utilisé pour améliorer l'efficacité du processus de diagnostic du cancer de la peau en limitant le nombre de cas non détectés ainsi que le nombre de biopsies inutiles.Nous présentons ensuite un dispositif de LC-OCT fonctionnant dans deux bandes spectrales centrées autour de 770 nm et 1250 nm. La première bande produit des images à haute résolution (1.3 µm x 1.2 µm, latéral x axial) tandis que la seconde offre une profondeur de pénétration accrue (700 µm). En fusionnant les images produites dans les deux bandes il a été possible de produire des images avec une bonne résolution en superficie tout en ayant une profondeur de pénétration étendue. De plus, acquérir des images d'un échantillon dans deux bandes spectrales différentes permet dans une certaine mesure d'obtenir des informations sur les propriétés spectrales de l'échantillon.Finalement, nous présentons une preuve de concept d'un dispositif de LC-OCT couplé avec un microscope Raman ainsi que quelques exemples d'application. La microscopie Raman est une modalité spectroscopique qui permet d'identifier des molécules et ainsi de mesurer "l'empreinte digitale" d'un échantillon. Cette modalité pourrait alors fournir des informations complémentaires aux images morphologiques acquises par LC-OCT à propos de la composition biomoléculaire de l'échantillon. / Skin cancer is a major public health issue. Among all types of cancer, skin cancer has the highest prevalence rate and the number of cases seems to be steadily increasing. Currently, the gold standard of skin cancer diagnosis requires a sample of suspicious tissue, called a biopsy, removed after a simple visual inspection of the patient's skin. Consequently, almost 60 % of biopsies result in benign diagnoses, and approximately 20 % of all skin cancers are missed.The research presented in this thesis revolves around the development of a line-field confocal optical coherence tomography (LC-OCT) device capable of producing non-invasive in vivo images similar in quality to histological cuts. The designed prototype operates at a center wavelength around 800 nm with a spectral width of approximately 150 nm. It has been applied to in vivo skin imaging with an almost isotropic spatial resolution of about 1 µm and a depth penetration reaching 400 µm. This device could thus be used to improve the efficiency of skin cancer diagnosis by limiting the number of undiagnosed cases and the number of unnecessary biopsies.We then present a LC-OCT device system operating in two spectral bands centered around 770 nm and 1250 nm. The first band produces high resolution images (1.3 µm x 1.2 µm, lateral x axial) while the second provides enhanced penetration depth (700 µm). By merging the images acquired in the two bands it has been possible to produce images with both high resolution and high penetration. Moreover, acquiring images of a sample in two different spectral bands can give, to a certain extent, information on the spectral properties of the sample.Lastly, we present a proof-of-concept LC-OCT prototype coupled together with a Raman microscope, as well as some application examples. Raman microscopy is a spectroscopic method capable of identifying molecules present in a sample and thus measuring the "fingerprint" of a sample. This modality could then provide complementary information to the morphological images provided by LC-OCT about the biomolecular composition of the sample.

La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de l’approche. Des simulations Monte Carlo sont utilisées pour simuler la propagation intrinsèque dans des milieux hétérogènes et pour venir appuyer la démarche.