Mon projet de doctorat s'est déroulé au Laboratoire d'Optique Appliquée de l'Ecole Polytechnique, ENSTA, CNRS à Palaiseau, en collaboration avec le Laboratoire Biotechnologie et Oeil, Université Paris V, Hôpital Hôtel Dieu à Paris. Il porte sur l'étude des phénomènes d'interaction du rayonnement à impulsions ultracourtes avec le tissu et notamment sur les applications des lasers femtoseconde (dont les impulsions durent 10-15 s) en chirurgie de la cornée. Environ 100.000 greffes de cornée sont réalisées annuellement dans le monde. La première cause de greffe de cornée est l'œdème, pathologie due à un disfonctionnement cellulaire ; le tissu devient perméable et perd ses propriétés de transparence. Le degré d'œdème progresse très rapidement et, si non interrompu par une greffe, entraîne une opacification totale de la cornée et une baisse drastique de l'acuité visuelle. Les techniques chirurgicales de kératoplastie (greffe de cornée) pratiquées aujourd'hui présentent un risque de rejet élevé ou un risque d'échec car elles sont délicates et difficiles. Face à ces problématiques, la technologie des lasers femtoseconde représente la seule alternative intéressante en remplacement des méthodes chirurgicales classiques. Des systèmes à but clinique sont déjà présents sur le marché, cependant leurs performances sont réduites dans le cas de traitements de cornées fortement pathologiques. De nature parfaitement interdisciplinaire, le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon doctorat a permis d'établir un bilan très complet du potentiel et des limites de l'application de la technologie laser actuelle à la greffe de cornées pathologiques. Il a apporté des solutions d'optimisation de l'interaction laser-tissu et indiqué les différentes pistes possibles pour le développement d'une technologie future plus performante.

Introduction : La cécité cornéenne est la 4e cause de cécité dans le monde et la greffe de cornée demeure le seul traitement accepté. Toutefois, dans bien des pays, les banques d'yeux n'arrivent pas à répondre à la demande et il existe un besoin croissant pour des alternatives aux cornées humaines. De plus, chez les patients souffrant de pathologies cornéennes avec inflammation sévère, le pronostic d’une greffe est à haut risque de complications, d’échec et de perte de vision complète. Il est donc nécessaire de développer des implants capables de dépasser les importantes limites des greffons natifs humains pour ces patients à haut risque. Objectif : Développer et évaluer diverses techniques d’examens cliniques permettant de mesurer la biocompatibilité et la performance de substituts cornéens biosynthétiques implantées dans des cornées humaines ex vivo et in vivo, en vue de leur implantation ultérieure chez l’humain. Méthodes : Des protocoles chirurgicaux ont été développés et testés avec des substituts cornéens solides et liquides. La lampe à fente, la tomographie par cohérence optique, la tonométrie, l’esthésiométrie, la pachymétrie par ultrasons, la microscopie spéculaire et confocale, la topographie de la surface cornéenne, ainsi que l’angiographie ont été optimisées pour les modèles ex vivo humain et in vivo animal. Enfin, le prélèvement, l’entretien et la préparation des tissus cornéens frais ont été adaptés pour des études futures de l’histopathologie, de la microscopie électronique par transmission et de l’immunohistopathologie. Résultats et analyses : Les procédures développées ont généré des données permettant de comprendre l’impact des implants dans le tissu cornéen dans le but de perfectionner les implants injectables et de mettre en évidence la régénération cornéenne des implants in vivo. Les défis rencontrés lors du développement des techniques d’examen et leur solution ont également été recueillis. Conclusion : Ces techniques utilisées à travers les deux modèles étudiés ont permis de recueillir des données préliminaires qui serviront à l’élaboration et l’optimisation d’un implant injectable qui sera testé chez les patients à haut risque de rejet dans le cadre d’un essai clinique. / Introduction: Corneal blindness is the 4th leading cause of blindness in the world and corneal transplantation remains the only accepted treatment. However, in many countries, eye banks are failing to meet demand and there is a growing need for alternatives to human corneas. In addition, in patients with corneal pathologies with severe inflammation, the prognosis of a transplant is at high risk of complications, failure and complete loss of vision. It is therefore necessary to develop implants capable of exceeding the important limits of native human grafts for these high-risk patients. Objective: To develop and test various clinical examination techniques to measure the biocompatibility and performance of corneal biosynthetic substitutes on ex vivo human corneas and in vivo feline corneas, for a subsequent implantation in humans. Methods: Surgical protocols were developed and tested with solid and liquid corneal substitutes. Slit lamp, optical coherence tomography, tonometry, esthesiometry, ultrasound pachymetry, specular and confocal microscopy, corneal surface topography, and angiography were optimized for ex vivo human corneas and in vivo animal models. Finally, the collection, maintenance and preparation of fresh corneal tissue were adapted for future studies of histopathology, transmission electron microscopy and immunohistopathology. Results and analyzes: The developed procedures have generated data to understand the impact of implants in corneal tissue in order to improve injectable implants and highlight the corneal regeneration of implants in vivo. Challenges encountered in the development of examination techniques and their solution were also collected. Conclusion: These techniques used across the different models have yielded preliminary data that will be used to develop and optimize an injectable implant that will be tested in patients at high risk of rejection as part of a clinical trial.

Introduction : Malgré leur état non-prolifératif in vivo, les cellules endothéliales cornéennes (CEC) peuvent être amplifiées in vitro. Leur transplantation subséquente par injection intracamérale pourrait surmonter la pénurie de tissus associée à l’allo-greffe traditionnelle – l’unique traitement définitif disponible pour les endothéliopathies cornéennes. Objectif : Évaluer la fonctionnalité d’un endothélium cornéen reconstitué par injection de CEC dans la chambre antérieure du félin. Méthodes : Les yeux droits de 16 animaux ont été opérés. Huit ont été désendothélialisés centralement avec injection de 2x10e5 (n=4) ou 1x10e6 (n=4) CEC félines supplémentées avec Y-27632 et marquées avec SP-DiOC18(3). Deux ont été désendothélialisés complètement et injectés avec 1x10e6 CEC et Y-27632. Six contrôles ont été désendothélialisés centralement (n=3) ou complètement (n=3) et injectés avec Y-27632 sans CEC. La performance clinique, l’intégrité anatomique, le phénotype fonctionnel et l’expression de SP-DiOC18(3) du nouvel endothélium ont été étudiés. Résultats : Les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement ont réussi le mieux cliniquement. Les contrôles désendothélialisés complètement sont restés opaques. L’histopathologie a révélé une monocouche endothéliale fonctionnelle dans les cornées greffées avec 2x10e5 CEC et les contrôles désendothélialisés centralement, une multicouche endothéliale non-fonctionnelle dans les cornées désendothélialisées centralement et greffées avec 1x10e6 CEC, et un endothélium fibrotique non-fonctionnel dans les cornées désendothélialisées complètement. L’expression de SP-DiOC18(3) était rare dans les greffes. Conclusion : La thérapie par injection cellulaire a reconstitué un endothélium partiellement fonctionnel, auquel les CEC injectées n’ont contribué que peu. L’injection de Y-27632 sans CEC a reconstitué l’endothélium le plus sain. Des études additionnelles investiguant l’effet thérapeutique de Y-27632 seul sont justifiées. / Introduction : Despite their growth arrest in vivo, corneal endothelial cells (CEC) can be amplified in vitro. Their subsequent transplantation by cell-injection therapy could overcome the tissue scarcity associated with traditional allo-transplantation, which is the only currently available treatment for irreversible corneal endothelial failure. Objective : To evaluate the functionality of a corneal endothelium reconstituted by cell- injection therapy in the feline. Methods: The right eyes of 16 animals underwent surgery. Eight underwent central endothelial scraping and injection with 2x10e5 (n=4) or 1x10e6 (n=4) feline CEC supplemented with Y-27632 and labeled with SP-DiOC18(3). After total scraping, two eyes were injected with 1x10e6 labeled CEC and Y-27632. The central (n=3) or entire (n=3) endothelium was scraped in six controls followed by Y-27632 injection without CEC. Outcomes included clinical performance, anatomical integrity, functional phenotype and SP-DiOC18(3) expression of the new endothelium. Results: Corneas grafted with 2x10e5 CEC and centrally scraped controls performed the best clinically. Entirely scraped controls remained hazy and thick. Histopathology revealed a confluent, functional endothelial monolayer in corneas grafted with 2x10e5 CEC and centrally scraped controls, a non-uniform, non-functional endothelial multilayer in centrally scraped corneas grafted with 1x10e6 CEC, and a non-functional fibrotic endothelium in entirely scraped grafts and controls. SP-DiOC18(3) was scarce in grafts and absent in controls. Conclusion : Cell-injection therapy reconstituted an incompletely functional endothelium, to which injected CEC contributed little. Y-27632 injection without CEC reconstituted the healthiest endothelium. Further studies investigating the therapeutic effect of Y-27632 alone are warranted.