Les procédures chirurgicales intraoculaires sont des procédures difficiles par la précision qu’elles demandent, on parle de microchirurgie, mais aussi par la difficulté et la faible qualité de visualisation des tissus à traiter. En effet, dans la plupart des procédures intraoculaires le chirurgien utilise uniquement un microscope ophtalmologique qui ne permet la visualisation des tissus que par la pupille du patient et offre une perception limitée de la profondeur. La Tomographie en Cohérence Optique (OCT) fournit des images en profondeur des tissus sains de manière non invasive, elle est utilisée couramment en diagnostic ophtalmologique et est de plus en plus utilisée intra-opérativement. Dans cette thèse nous allons présenter deux systèmes OCT intra-opératifs qui visent à assister les chirurgiens sur deux procédures intraoculaires, la vitrectomie et l’injection sous-rétinienne. Pour ces deux projets nous avons utilisé le matériel chirurgical utilisé cliniquement pour plusieurs raisons : s’assurer d’utiliser des outils adéquats (dimensions, efficacité, sécurité) pour la procédure, garder des outils que les chirurgiens utilisent régulièrement et avec lesquels ils sont familiers et limiter les coûts de développement. Pour le système OCT nous avons utilisé des sondes OCT en fibre optique car elles sont flexibles, bon marché et de petit diamètre. Leur focalisation peut également être modifiée dépendamment de l’application avec une fibre optique GRIN à leur extrémité pour augmenter le signal OCT. Nous avons ainsi attaché à ces outils chirurgicaux des sondes OCT en fibre optique. Pour le projet portant sur les injections sous-rétiniennes il a fallu dans un premier temps développer des sondes OCT avec des diamètres plus petits que ceux existant. Pour ce faire nous avons développé une méthode permettant de réduire le diamètre des sondes avec de l’acide fluorhydrique et grâce à un design permettant de conserver les propriétés optiques des sondes. Ce travail est présenté dans le premier article. Le second article présente un système permettant de guider les injections sous-rétiniennes. L’injection sous-rétinienne est une intervention chirurgicale de haute précision visant à restaurer et/ou préserver la vision des patients souffrant de maladies rétiniennes. Néanmoins, l’injection sous-rétinienne reste à la limite des capacités physiologiques humaines en raison des tremblements de la main et peut être compromise par le reflux du médicament si l’injection n’est pas assez profonde dans la rétine. Nous avons développé un système pour guider l’injection avec un micromanipulateur et donner des informations précises sur la profondeur au chirurgien avec l’OCT intra-opératif. Après avoir miniaturisé une sonde OCT en fibre optique avec la méthode présentée dans l’article 1 nous avons pu l’insérer dans une canule utilisée cliniquement. La sonde couplée à un système OCT que nous avons développé acquiert un signal A-scan qui va permettre de connaitre la distance entre la canule et la rétine mais aussi de sélectionner la profondeur de l’injection dans les couches rétiniennes. La canule est attachée à un micromanipulateur qui assure son déplacement dans l’œil. Une image M-scan est construite avec le signal OCT et le chirurgien peut directement sélectionner sur l’image la profondeur de l’injection. Nous avons développé l’interface sur Labview. Après avoir sélectionné la cible de l’injection le programme de guidage va déplacer la canule et injecter le volume adéquat grâce à une pompe contrôlable. Nous avons validé notre système de guidage sur des yeux de porcs ex-vivo. Sur 40 injections 38 présentaient un décollement rétinien ciblé et localisé, preuve de la réussie de l’injection rétinienne ce qui représente un taux de succès de 95% (CI : 83.1 – 99.4). Nous avons aussi grâce à un algorithme de traitement de l’image calculé le volume présent sous la rétine après l’injection que nous avons comparé au volume injecté. Nous avons ainsi trouvé que 75% du volume initialement injecté se retrouve bien sous la rétine. Le troisième article présente un système permettant d’arrêter automatiquement le vitrecteur lors d’une vitrectomie pour réduire les dommages accidentels sur la rétine. La survenue de déchirures rétiniennes iatrogèniques dans la vitrectomie par la pars plane est une complication qui compromet l’efficacité globale de la chirurgie. Un certain nombre de déchirures rétiniennes iatrogènes se produisent lorsque la rétine est coupée accidentellement par le vitrecteur. Nous avons développé un vitrecteur intelligent capable de détecter en temps réel une coupure rétinienne accidentelle et de désactiver rapidement la machine de vitrectomie pour les prévenir. Ce vitrecteur intelligent est composé d’une sonde OCT attachée au vitrecteur et va avoir comme rôle de détecter si le vitrecteur aspire la rétine et va endommager ces tissus sains. La sonde OCT agit comme un détecteur de présence devant l’ouverture du vitrecteur, ceci en comparant un signal de référence avec le signal en direct. Cette comparaison de signal OCT va commander un bras robotique pour actionner la pédale d’arrêt du vitrecteur. Ainsi le chirurgien n’a pas besoin d’interpréter un signal, la décision d’arrêt du vitrecteur dû à la présence de la rétine est prise automatiquement. Ceci va permettre de réduire grandement, de 300 ms à 29 ms, le délai de la prise de décision d’arrêt du vitrecteur précédemment limité par le temps de réaction du chirurgien. Nous avons développé les sondes OCT, le système OCT ainsi que l’algorithme d’arrêt automatique de ce système. Nous avons validé sur des yeux porcins in-vivo, deux chirurgiens ont utilisé notre système en essayant d’endommager les tissus rétiniens. 70% (CI : 56.39 – 82.02) des tentatives de dommages rétiniens des chirurgiens furent atténuées ou empêchées par notre système. Ce projet a abouti au dépôt d’un brevet ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040). / Intraocular surgical procedures are difficult procedures because of the precision they require, they are often referred as microsurgery, but also by the little information available to the surgeon. In most intraocular procedures the surgeon only uses an ophthalmic microscope which allows visualization of tissue just through the patient’s pupil and offers limited depth perception. Optical Coherence Tomography (OCT) provides in-depth images of healthy tissue in a non-invasive manner, is commonly used in ophthalmologic diagnostics, and is increasingly used intraoperatively. In this thesis we will present two intraoperative OCT systems that aim to assist surgeons with two intraocular procedures, vitrectomy and subretinal injection. For these two projects we used the surgical equipment used clinically for several reasons : to make sure to use adequate tools (dimensions, efficiency, safety) for the procedure, to keep tools that surgeons use regularly and with which they are familiar and limit development costs. For the OCT system we used fiber optic OCT probes as they are flexible, cheap and small in diameter. Their focus can also be modified, depending the application, with a GRIN fiber at their tip to increase the OCT signal. We have attached optical fiber OCT probes to these surgical tools. For the subretinal injections project it was first necessary to develop OCT probes with smaller diameters than existing ones. To do this, we have developed a method to reduce the diameter of the probes with hydrofluoric acid and a design to maintain the optical properties of the probes. This work is presented in the first article. The second article presents a system for guiding subretinal injections. Subretinal injection of drugs is a challenging surgical intervention aiming to restore and/or preserve the vision of patients suffering from retinal diseases. Nevertheless, the subretinal injection remains at the edge of human physiological capacity because of hand tremor and can be mitigated by drug reflux if the injection is not deep enough in the retina. We developed a system to guide the injection with a micromanipulator and give precise depth information to the surgeon with intraoperative OCT. To do so we first miniaturized an optical fiber OCT probe with the method presented in article 1, we were able to insert it into a cannula used clinically. The probe coupled to an OCT system that we have developed acquires an A-scan signal which enables to know the distance between the cannula and the retina but also to select the depth of the injection into the retinal layers. The cannula is attached to a micromanipulator that moves it inside the eye. An M-scan image is built with the OCT signal and the surgeon can directly select on the image the depth of the injection. We developed the interface on Labview. After selecting the injection target, the guidance program will move the cannula and inject the appropriate volume using a controllable pump.We have validated our guidance system on pig eyes ex-vivo. Out of 40 injections, 38 presented a retinal detachment, proof of a successful retinal injection, which represents a success rate of 95% (CI : 83.1 – 99.4). Thanks to an image processing algorithm, we also calculated the bleb volume under the retina after the injection, which we compared to the initial injected volume. We have found that 75% of the injected volume ends in the subretinal space. The third article presents for automatically stopping the vitrector during a vitrectomy. The occurrence of iatrogenic retinal breaks in pars plana vitrectomy is a complication that compromises the overall efficacy of the surgery. A subset of iatrogenic retinal break occurs when the retina is cut accidentally by the vitrector. We developed a smart vitrector that can detect in real-time potential accidental retinal cut and activate promptly a vitrectomy machine to prevent them. To do so an OCT probe is attached to the vitrector and will have the role of detecting if the vitrector sucks the retina and will damage these healthy tissues. The OCT probe acts as a presence detector in front of the vitrector opening, by comparing a reference signal with the live signal. This OCT signal comparison will control a robotic arm to operate the vitrector stop pedal. Thus, the surgeon does not need to interpret a signal, the decision to stop the vitrector due to the presence of the retina is taken automatically. This will greatly reduce, from 300 ms to 29 ms, the delay to stop the vitrector previously limited by the reaction time of the surgeon. We have developed the OCT probes, the OCT system, and the automatic shutdown algorithm for this system. We validated our system on in-vivo porcine eyes, two surgeons used the modified vitrector trying to damage retinal tissue. 70% (CI : 56.39 – 82.02) of surgeons’ retinal damage attempts were mitigated or prevented by our system. This project resulted in a patent ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040).

Les dommages au nerf optique (neuropathie optique) peuvent entraîner la perte permanente de la vision ou la cécité causée par la mort des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR). Nous avons identifié qu’une surproduction de l'anion superoxyde constitue un événement moléculaire critique précédant la mort cellulaire induite par des lésions. Récemment, Suarez-Moreira et al (JACS 131:15078, 2009) ont démontré que la vitamine B12 peut capter l’anion superoxyde aussi efficacement que l’enzyme superoxyde dismutase. La carence en vitamine B12 peut conduire à une neuropathie optique causée par des mécanismes inconnus. Nous avons étudié la relation entre la captation de superoxyde par la cyanocobalamine (forme de vitamine B12 la plus abondante) et ses propriétés neuroprotectrices dans les cellules neuronales. La cyanocobalamine aux concentrations de 10 μM et 100 μM a réduit le taux de production de superoxyde respectivement par 34% et 79% dans les essais sans-cellule. Dans les cellules RGC-5 traités avec la ménadione, les concentrations de cyanocobalamine supérieures à 10 nM ont diminué l’anion superoxyde à des valeurs similaires à celles traitées par PEG-SOD. La cyanocobalamine aux concentrations de 100 μM et 1 μM a réduit la mort des cellules RGC-5 exposées à la ménadione par 20% et 32%, respectivement. Chez les rats avec section du nerf optique unilatérale, une dose intravitréenne de 667 μM de cyanocobalamine a réduit le nombre de CGRs exposées au superoxyde. Cette dose a également augmenté le taux de survie des CGRs comparativement aux rats injectés avec la solution témoin. Ces données suggèrent que la vitamine B12 peut être un neuroprotecteur important, et sa carence nutritionnelle pourrait causer la mort de CGRs. La vitamine B12 pourrait aussi potentiellement être utilisée comme une thérapie pour ralentir la progression de la mort CGR chez les patients avec les neuropathies optiques caractérisés par une surproduction de superoxyde. / Damage to the optic nerve (optic neuropathy) can result in permanent loss of vision or blindness through retinal ganglion cell (RGC) death. Our prior work identified a burst of superoxide anion as a critical molecular event in RGCs prior to injury-induced cell death. Recently, Suarez-Moreira et al (JACS 131:15078, 2009) demonstrated that vitamin B12 scavenges superoxide as effectively as superoxide dismutase. Vitamin B12 deficiency can lead to optic neuropathy through unknown mechanisms. We investigated the relationship between superoxide scavenging by cyanocobalamin, the most abundant vitamin B12¬¬ vitamer, and its neuroprotective properties in neuronal cells. Cyanocobalamin at concentrations of 10 μM and 100 μM reduced the rate of superoxide generation by 34% and 79% in cell free assays, respectively. In menadione-treated RGC-5 cells, cyanocobalamin concentrations above 10 nM scavenged superoxide anion similar to those treated with pegylated-SOD. Cyanocobalamin at concentrations of 100 μM and 1 mM reduced RGC-5 cell death from menadione by 20% and 32%, respectively. In rats with unilateral optic nerve transection, a single intravitreal dose of 667 μM cyanocobalamin significantly reduced the number of RGCs with superoxide. This dose also increased RGC survival rate compared to rats injected with saline control. These data suggest that vitamin B¬¬12 may be an important neuroprotectant, which could cause death of RGCs when depleted in nutritional deficiency. Vitamin B12 could also potentially be used as a therapy to slow progression of RGC death in patients with optic neuropathies characterized by overproduction of superoxide.

Le cannabis produit de nombreux effets psychologiques et physiologiques sur le corps humain. Les molécules contenues dans cette plante, désignées comme « phytocannabinoïdes », activent un système endogène qu’on appelle le système endocannabinoïde (eCB). Les effets de la consommation de cannabis sur la vision ont déjà été décrits sans cependant de formulation sur les mécanismes sous-jacents. Ces résultats comportementaux suggèrent, malgré tout, la présence de ce système eCB dans le système visuel, et particulièrement dans la rétine. Cette thèse vise donc à caractériser l’expression, la localisation et le rôle du système eCB dans la rétine du singe vervet, une espèce animale ayant un système visuel semblable à celui de l’humain. Nous avons mis au point un protocole expérimental d’immunohistochimie décrit dans l’article apparaissant dans l’Annexe I que nous avons utilisé pour répondre à notre objectif principal. Dans une première série de quatre articles, nous avons ainsi caractérisé l’expression et la localisation de deux récepteurs eCBs reconnus, les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1R) et de type 2 (CB2R), et d’un 3e présumé récepteur aux cannabinoïdes, le récepteur GPR55. Dans l’article 1, nous avons démontré que CB1R et une enzyme clé de ce système, la fatty acid amide hydrolase (FAAH), sont exprimés dans les parties centrale et périphérique de la rétine, et abondamment présents dans la fovéa, une région où l’acuité visuelle est maximale. Dans l’article 2, nous avons localisé le CB2R dans des cellules gliales de la rétine : les cellules de Müller et nous avons proposé un modèle sur l’action de cette protéine dans la fonction rétinienne faisant appel à une cascade chimique impliquant les canaux potassiques. Dans l’article 3, nous avons observé le GPR55 exclusivement dans les bâtonnets qui sont responsables de la vision scotopique et nous avons soumis un deuxième modèle de fonctionnement de ce récepteur par le biais d'une modulation des canaux calciques et sodiques des bâtonnets. Vu que ces 3 récepteurs se retrouvent dans des cellules distinctes, nous avons suggéré leur rôle primordial dans l’analyse de l’information visuelle au niveau rétinien. Dans l’article 4, nous avons effectué une analyse comparative de l’expression du système eCB dans la rétine de souris, de toupayes (petits mammifères insectivores qui sont sont considérés comme l’étape intermédiaire entre les rongeurs et les primates) et de deux espèces de singe (le vervet et le rhésus). Ces résultats nous ont menés à présenter une hypothèse évolutionniste quant à l’apparition et à la fonction précise de ces récepteurs. Dans les articles subséquents, nous avons confirmé notre hypothèse sur le rôle spécifique de ces trois récepteurs par l’utilisation de l’électrorétinographie (ERG) après injection intravitréenne d’agonistes et d’antagonistes de ces récepteurs. Nous avons conclu sur leur influence indéniable dans le processus visuel rétinien chez le primate. Dans l’article 5, nous avons établi le protocole d’enregistrement ERG normalisé sur le singe vervet, et nous avons produit un atlas d’ondes ERG spécifique à cette espèce, selon les règles de l’International Society for Clinical Electrophysiology of Vision (ISCEV). Les patrons électrorétinographiques se sont avérés semblables à ceux de l’humain et ont confirmé la similarité entre ces deux espèces. Dans l’article 6, nous avons démontré que le blocage de CB1R ou CB2R entraine une modification de l’électrorétinogramme, tant au niveau photopique que scotopique, ce qui supporte l’implication de ces récepteurs dans la modulation des ondes de l’ERG. Finalement, dans l’article 7, nous avons confirmé le modèle neurochimique proposé dans l’article 3 pour expliquer le rôle fonctionnel de GPR55, en montrant que l’activation ou le blocage de ce récepteur, respectivement par un agoniste (lysophosphatidylglucoside, LPG) ou un antagoniste (CID16020046), entraine soit une augmentation ou une baisse significative de l’ERG scotopique seulement. Ces données, prises ensemble, démontrent que les récepteurs CB1R, CB2R et GPR55 sont exprimés dans des types cellulaires bien distincts de la rétine du singe et ont chacun un rôle spécifique. L’importance de notre travail se manifeste aussi par des applications cliniques en permettant le développement de cibles pharmacologiques potentielles dans le traitement des maladies de la rétine. / Cannabis produces a range of psychological and physiological effects on the human body. Cannabinoids are the chemical compounds found in cannabis that activate an endogenous system, termed the endocannabinoid (eCB) system. Reports made in the 1970s have noted that cannabis consumption affects vision. It is therefore suggested that the eCB system is present in the visual system, particularly in the retina. This thesis aims at characterizing the expression, localization, and role of the eCB system in the vervet monkey retina. This animal model has a similar visual system as humans. Using immunohistochemistry methods presented in the article of Annexe I, we have established an experimental protocol to answer our goal. In the first series of four articles, we have characterized the expression and localization of the cannabinoid receptor 1 (CB1R), cannabinoid receptor 2 (CB2R), and the putative cannabinoid receptor GPR55. In Article 1, we have demonstrated that CB1R and a key enzyme of this system, FAAH (fatty acid amide hydrolase), are expressed in the central and peripheral retina, but heavily present in the fovea, the retinal region responsible for high acuity vision. In Article 2, we have localized CB2R in the glial Müller cells and hypothesized a possible mechanism of action of CB2R involving potassium buffering. In Article 3, we found that GPR55 is exclusively expressed in rods and have proposed its role through the modulation of calcium and sodium channels in rods. Given that these three receptors are segregated in the vervet monkey retina, we suggested that they might have distinct roles in retinal physiology. In Article 4, we reported a comparative analysis of the expression of the eCB system components in the retina of rodents, tree shrews (small mammals considered as early primates), and monkeys. This paper provides evidence that the eCB system is differently expressed in the retina of these mammals and suggests a distinctive role of eCBs in visual processing. In the subsequent series of three articles, we confirmed their suggested roles in the retina by using electroretinography (ERG) and intravitreal injections of agonist and antagonist of these receptors. We concluded that they indeed play important roles in the retina. In Article 5, we developed a standard protocol for ERG testing in our animal model and have published an ERG atlas with normalized amplitudes and latency values similar to that of humans, following the guidelines of the International Society for Clinical Electrophysiology of Vision. In Article 6, we showed that blockade of CB1R or CB2R with specific antagonists modifies the ERG, both in photopic and scotopic conditions, which confirms the implication of these receptors in normal retinal function. Finally, in Article 7 (expression of GPR55 in rods only), we confirmed the suggest role of GPR55 in rods by showing that activation or blockade of GPR55 with a specific agonist (lysophosphatidylglucoside) or antagonist (CID16020046) increases or decreases the amplitude of the scotopic ERG waveforms. Taken together, these articles demonstrate that CB1R, CB2R, and GPR55 are differentially expressed in the vervet monkey retina and have distinct roles. This work has also clinical relevance in the way that we have discovered new pharmacological targets that can be used for treatment of many retinal diseases.

Objectif: La dépression est un problème fréquent chez les personnes atteintes de dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) et de rétinopathie diabétique (RD). Les antidépresseurs et les thérapies psychologiques sont souvent sous utilisés. Notre objectif était de déterminer si les outils d’auto-soins associés au support téléphonique limité pouvaient réduire les symptômes dépressifs. Méthodes: Un essai clinique randomisé à simple insu a été mené à l’Hôpital Maisonneuve Rosemont, Canada. Tous les patients éligibles étaient invités à participer à l’essai. Pour être éligibles, les participants devaient 1) avoir un diagnostic de DMLA avancée ou de RD, 2) au moins des symptômes dépressifs moyens et 3) une acuité visuelle meilleure que 20/200 dans leur meilleur oeil. Une moitié des participants était randomisée au bras d’intervention et l’autre moitié à l’intervention retardée/traitement usuel. L’intervention était composée d’outils audio et écrits en gros caractères, incluant des principes cognitifs comportementaux plus trois appels téléphoniques d’un coach d’une durée de 10 minutes chacun. Les données de suivi étaient collectées huit semaines plus tard, par téléphone. L’issu primaire était le changement de symptômes dépressifs à huit semaines, mesuré par le questionnaire sur la santé du patient, PHQ-9. Résultats: Quatre-vingts participants, âgés de 50 ans et plus ont été recrutés, dont 70 ayant des données complètes et 10 perdus de vue (12.5%). Le score moyen du iv PHQ-9 à l’inclusion était de 9.5 (SD=3.9) indiquant des symptômes dépressifs modérés. La réduction moyenne du score de PHQ-9 au terme du suivi était de 4.9 (SD=4.2) dans le groupe d’intervention et de 3.2 (SD=4.6) dans le groupe de traitement usuel, soit une différence intergroupe de 1.7 point (p=0.104). Après avoir contrôlé pour les disparités observées à l’inclusion notamment pour l’acuité visuel, l’utilisation des antidépresseurs et la participation à la psychothérapie, cette différence est passée de 1.7 à 2.3 et est devenue statistiquement significative (p=0.037). Soixante pourcent des participants du groupe d’intervention ont rapporté avoir utilisé les outils d’auto-soins au terme de l’étude ou de l’exploitation des données Conclusion: Les outils d’auto-soins accompagnés de support téléphonique conduisent à une petite amélioration des symptômes dépressifs chez les patients atteints de pathologies oculaires liées à l’âge. Des recherches additionnelles ciblant les meilleures stratégies pour soutenir les patients déprimés atteints de maladies oculaires liées à l’âge sont nécessaires. / Purpose: Depression is a common problem in people with age-related macular degeneration (AMD) and diabetic retinopathy (DR). Antidepressants and psychotherapy are often underutilized. Our goal was to determine if self-care tools plus limited telephone support could reduce depressive symptoms. Methods: A single-blind randomized controlled clinical trial was conducted at Maisonneuve-Rosemont Hospital in Montreal, Canada. All eligible patients were invited to participate in the trial. To be eligible, participants must have had either late stage AMD or DR, at least mild depressive symptoms, and visual acuity better than 20/200 in their better eye. Half were randomized to the intervention arm and half to delayed intervention/usual care. The intervention consisted of large print written and audio tools incorporating cognitive-behavioral principles plus three 10-minute telephone calls from a coach. Eight-week follow-up data were collected by telephone. The primary outcome was the 8-week change in depressive symptoms as measured by the Patient Health Questionnaire (PHQ-9). Results: Eighty participants, aged 50 years and older, were recruited while 10 were lost to follow-up (12.5%) giving 70 with complete data, 35 in each group. The mean baseline PHQ-9 score was 9.5 out of 27 (SD=3.9) indicating moderate depressive symptoms. The average decrease in PHQ-9 scores over the 8 weeks was 4.9 (SD=4.2) in the intervention group and 3.2 (SD=4.6) in the usual care group, a 1.7 point difference (P=0.104). After adjusting for baseline imbalances in visual acuity, ii antidepressant use, and participation in psychotherapy, the difference increased from 1.7 to 2.3 and became statistically significant (p=0.037). Sixty percent of those in the intervention group reported having used the tools at the end of the study. Conclusions: Self-care tools plus telephone coaching led to a small improvement in depressive symptoms in patients with age-related eye disease. Additional research into the best way to support depressed patients with age-related eye disease is necessary.

Les ultrasons (US) thérapeutiques sont devenus un sujet d'intérêt croissant en ophtalmologie. Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) pour le traitement du glaucome et pour la délivrance de médicaments dans l'oeil sont les deux principaux domaines de recherche dans ce domaine. Cette thèse traite des deux sujets en deux parties distinctes : l'administration de médicaments ou drug delivery par d'ultrasons (USDD) à travers la sclère et la caractérisation par rayonnement infrarouge (IR) d'un dispositif HIFU ophtalmique pour le traitement du glaucome. Bien que plus perméable que la cornée, l'administration de médicaments efficace à travers la sclère reste un réel challenge. Dans ce travail, nous avons évalué l'effet d'une propagation d'us en mode pulsé sur l'administration de médicaments à travers la sclère. Parmi les mécanismes sous-jacents, la cavitation semble être un contributeur à une USDD renforcée. L'activité maximale de cavitation sous-jacente à une émission d'ultrasons en mode pulsé peut donc être une méthodologie viable pour l'amélioration de l'administration de médicaments à travers l'oeil. Dans la deuxième partie de la thèse, une nouvelle méthode de caractérisation ultrasonore de terrain a été développée pour un dispositif HIFU multi-éléments. Ce dispositif médical développé par Eyetechcare est destiné au traitement du glaucome réfractaire (Rillieux -la-pape, France). Une alternative basée sur la thermographie par infra-rouge a été développée pour une évaluation rapide et qualitative de la distribution d'intensité émise spécifiquement par ce dispositif à haute fréquence (19-21 mhz) constitué de multiéléments à focalisation en ligne. Cette méthodologie permettra de caractériser les sondes de thérapie à l'échelle industrielle / Therapeutic ultrasound has become a topic of growing interest in ophthalmology. High intensity focused ultrasound (HIFU) for the treatment of glaucoma and ultrasound (US) drug delivery are the two main areas of research in this field. This work addresses these domains in two separate parts: transscleral ultrasound drug delivery (USDD), and infrared (IR) field characterization of an ophthalmic HIFU device for glaucoma treatment. The sclera is a promising pathway for ocular drug delivery, since transscleral administration can address both the anterior and posterior segments of the eye. Due to the low permeability however, efficient drug delivery is challenging. In this study, HIFU was investigated as a potential modality for an enhanced transscleral drug delivery (in vitro). Among US effects, cavitation was shown to be the major contributor to an enhanced USDD. A pulsed US protocol designed to maximum cavitation activity may therefore be a viable method for enhancing ocular drug delivery. In the second part, a new method of ultrasonic field characterization was developed for a multi-element HIFU device. This system is designed and produced for glaucoma treatment by Eyetechcare Company (Rillieux-la-Pape, France). The traditional hydrophone method for field characterization was prohibitively slow on an industrial scale. An alternative modality for rapid qualitative assessment of the intensity distribution based on infra-red (IR) thermography was developed specific to this high frequency (19-21 MHz) device with line-focus US radiators. The second part of the study was aimed to expand the application of a R&D technique for ultrasonic field characterization to an industrial scale

La capacité de la tomographie par cohérence optique (OCT) à délivrer des images tomographiques de tissus biologiques in vivo, de manière non invasive et en temps réel, a suscité un intérêt croissant pour de nombreuses applications biomédicales, principalement en ophtalmologie pour l’imagerie de la rétine et du segment antérieur de l’œil. Toutefois, pour l’imagerie à haute résolution de tissus biologiques fortement diffusants, comme la sclérotique et la cornée œdémateuse, la technique nécessitait des améliorations technologiques. Dans cette thèse, un système d’OCT « Fourier-domain » (FD-OCT) à très haute résolution spatiale (< 4 µm), à la longueur d’onde de 1,3 µm, a été développé dans la Laboratoire Charles Fabry – Institute d’Optique Graduate School. Avec ce système original, nous avons réussi, pour la première fois, à visualiser correctement le canal de Schlemm de l’œil humain qui se trouve à une profondeur d’environ 0,8 mm dans le limbe de la cornée, milieu fortement diffusant. L’imagerie du canal de Schlemm est capitale afin d’envisager la chirurgie par laser du glaucome, qui consiste à inciser cette partie de l’œil afin d’améliorer l’écoulement de l’humeur aqueuse. Par ailleurs, en collaboration avec le Laboratoire d’Optique Appliquée de l’ENSTA ParisTech, nous avons démontré la possibilité de contrôler en temps réel par OCT des découpes par laser femtoseconde pratiquées dans la cornée humaine in vitro. Ces travaux ont montré que l’opération du Glaucome par laser femtoseconde, contrôlée par OCT, devrait être possible. / The ability of optical coherence tomography (OCT) to deliver tomographic images of biological tissues in vivo non-invasively and in real-time has been a growing interest in many biomedical applications, mainly in ophthalmology for imaging the retina and the anterior segment of the eye. However, developing high-resolution OCT for imaging strongly scattering biological tissues like sclera and edematous cornea has still been the main challenge. In this PhD work, an ultrahigh-resolution (< 4 µm) Fourier-domain OCT (FD-OCT) system optimized at 1.3 µm center wavelength was developed in Laboratoire Charles Fabry – Institut d’Optique Graduate School. Using this OCT system, we have, for the first time, properly visualized the Schlemm’s canal of the human eye that is located in the strongly scattering corneal limbus at depth of ~ 0.8 mm. Schlemm’s canal has been our target for OCT imaging because it plays an important role for the management of the aqueous humor that is responsible for causing glaucoma - an eye disease that can potentially lead to blindness. In collaboration with Laboratoire d’Optique Appliquée at ENSTA ParisTech, we have also demonstrated real-time OCT imaging of the femtosecond laser surgery in excised human cornea. These studies have thus shown that the surgery of glaucoma by femtosecond laser, monitored by OCT, would be possible.

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Les dommages au nerf optique (neuropathie optique) peuvent entraîner la perte permanente de la vision ou la cécité causée par la mort des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR). Nous avons identifié qu’une surproduction de l'anion superoxyde constitue un événement moléculaire critique précédant la mort cellulaire induite par des lésions. Récemment, Suarez-Moreira et al (JACS 131:15078, 2009) ont démontré que la vitamine B12 peut capter l’anion superoxyde aussi efficacement que l’enzyme superoxyde dismutase. La carence en vitamine B12 peut conduire à une neuropathie optique causée par des mécanismes inconnus. Nous avons étudié la relation entre la captation de superoxyde par la cyanocobalamine (forme de vitamine B12 la plus abondante) et ses propriétés neuroprotectrices dans les cellules neuronales. La cyanocobalamine aux concentrations de 10 μM et 100 μM a réduit le taux de production de superoxyde respectivement par 34% et 79% dans les essais sans-cellule. Dans les cellules RGC-5 traités avec la ménadione, les concentrations de cyanocobalamine supérieures à 10 nM ont diminué l’anion superoxyde à des valeurs similaires à celles traitées par PEG-SOD. La cyanocobalamine aux concentrations de 100 μM et 1 μM a réduit la mort des cellules RGC-5 exposées à la ménadione par 20% et 32%, respectivement. Chez les rats avec section du nerf optique unilatérale, une dose intravitréenne de 667 μM de cyanocobalamine a réduit le nombre de CGRs exposées au superoxyde. Cette dose a également augmenté le taux de survie des CGRs comparativement aux rats injectés avec la solution témoin. Ces données suggèrent que la vitamine B12 peut être un neuroprotecteur important, et sa carence nutritionnelle pourrait causer la mort de CGRs. La vitamine B12 pourrait aussi potentiellement être utilisée comme une thérapie pour ralentir la progression de la mort CGR chez les patients avec les neuropathies optiques caractérisés par une surproduction de superoxyde. / Damage to the optic nerve (optic neuropathy) can result in permanent loss of vision or blindness through retinal ganglion cell (RGC) death. Our prior work identified a burst of superoxide anion as a critical molecular event in RGCs prior to injury-induced cell death. Recently, Suarez-Moreira et al (JACS 131:15078, 2009) demonstrated that vitamin B12 scavenges superoxide as effectively as superoxide dismutase. Vitamin B12 deficiency can lead to optic neuropathy through unknown mechanisms. We investigated the relationship between superoxide scavenging by cyanocobalamin, the most abundant vitamin B12¬¬ vitamer, and its neuroprotective properties in neuronal cells. Cyanocobalamin at concentrations of 10 μM and 100 μM reduced the rate of superoxide generation by 34% and 79% in cell free assays, respectively. In menadione-treated RGC-5 cells, cyanocobalamin concentrations above 10 nM scavenged superoxide anion similar to those treated with pegylated-SOD. Cyanocobalamin at concentrations of 100 μM and 1 mM reduced RGC-5 cell death from menadione by 20% and 32%, respectively. In rats with unilateral optic nerve transection, a single intravitreal dose of 667 μM cyanocobalamin significantly reduced the number of RGCs with superoxide. This dose also increased RGC survival rate compared to rats injected with saline control. These data suggest that vitamin B¬¬12 may be an important neuroprotectant, which could cause death of RGCs when depleted in nutritional deficiency. Vitamin B12 could also potentially be used as a therapy to slow progression of RGC death in patients with optic neuropathies characterized by overproduction of superoxide.

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Le glaucome est une neuropathie optique progressive caractérisée par une perte des fibres nerveuses ganglionnaires. Cette atteinte provoque une diminution graduelle du champ visuel pouvant mener à la cécité. Cependant, le glaucome est présent chez plusieurs patients qui ne présente pas une pression intraoculaire élevée et plusieurs patients ayant une pression intraoculaire anormalement élevée ne développent pas le glaucome. Pour mieux comprendre la pathophysiologie de la maladie, plusieurs chercheurs se sont intéressés aux composantes hémodynamiques de l’œil. L’oxymétrie oculaire est représentée par plusieurs technologies commercialement disponibles qui proposent de mesurer de façon non invasive la saturation en oxygène des structures vasculaires de l’œil. Plusieurs études ont évaluées l’association entre l’état d’oxygénation des différentes structures rétiniennes et le glaucome. L’objectif de cette étude était de vérifier la répétabilité des mesures d’oxymétrie à la tête du nerf optique obtenues avec l’appareil Zilia ainsi que d’étudier l’acquisition afin de déterminer les caractéristiques nécessaires pour obtenir des résultats optimaux. De plus, cette étude a comparé la saturation en oxygène (SaO2) mesurée sur la tête du nerf optique de sujets normaux et de personnes atteintes de glaucome. Une corrélation a aussi été faite entre les valeurs d’oxymétrie et les différentes variable affectées dans le glaucome Ceci est une étude prospective à mesures répétées et à cas-témoins. Les participants ont été recrutés à l’Institut de l’œil des Laurentides. Les participants complétaient un examen oculovisuel complet en plus d’une mesure de la pression artérielle et de la saturation en oxygène pulsée (SpO2). Les valeurs de l’oxymétrie oculaire étaient obtenues avec l’appareil Zilia sur la portion temporale du nerf optique et le logiciel intégré permettait d’obtenir la valeur moyenne de l’acquisition. Aucune différence statistiquement significative n’a été obtenue entre la moyenne des trois mesures de la SaO2 au niveau du nerf optique. Pour la durée de l’acquisition, l’analyse des données a démontré une différence statistiquement significative entre les différentes durées sélectionnées, démontrant une différence entre les acquisitions d’une durée de 5 secondes comparativement aux autres durée d’acquisition. Il n’y avait pas de différence statistiquement significative entre la moyenne de la première mesure obtenue avant et après l’utilisation de la technique d’optimisation. Les résultats indiquent aussi une différence significative entre les valeurs moyennes de SaO2 mesurées à la tête du nerf optique des sujets glaucomateux comparativement aux sujets normaux. On note également une corrélation significative entre les valeurs de SaO2 et le RNFL global obtenu avec l’OCT. Cette étude constitue l’une des premières effectuées avec l’appareil Zilia. Les valeurs moyennes de la SaO2 obtenues à un point précis du nerf optique acquis par l’appareil Zilia sont répétables et une acquisition de 10 secondes pourrait permettre d’obtenir une valeur adéquate. La SaO2 mesurée par l’appareil Zilia sur la tête du nerf optique est diminuée chez les patients atteints de glaucome comparativement aux sujets sains. Il semble aussi avoir une relation entre la valeur de la SaO2 et l’épaisseur du RNFL. Plus d’études sont nécessaires afin d’établir le rôle de cet appareil dans le diagnostic et la gestion des patients atteints de glaucome. / Glaucoma is a progressive optic neuropathy characterized by loss of the retinal nerve fibers layer. This disease causes a decrease in the visual field that can lead to blindness. The main risk factor for glaucoma is the increase of intraocular pressure. However, not all glaucoma patients have an elevated intraocular pressure and many patients continue to progress despite good intraocular pressure control with current therapies. Several authors have focused on the hemodynamic components of the eye. They obtained significant differences in these factors between normal and glaucoma patients. Ocular oximetry is technology that can non-invasively measure oxygen saturation of eye tissues. Several studies have verified the association between ocular oximetry and glaucoma. The Zilia device uses diffuse spectroscopic reflectance to measure oxygen saturation at a specific point. The objective of this study was to verify the repeatability of the oximetry measurements on the head of the optic nerve obtained with the Zilia device and to study the acquisition in order to determine the characteristics necessary to obtain it optimally. Also, we measured the oxygen saturation (SaO2) on the optic nerve of normal subjects and compared it with patients with glaucoma. Additionally, the SaO2 was correlated with different variables affected by glaucoma. This is a prospective repeated-measures and case-cohort study. Participants were recruited at the Laurentian Eye Institute (IOL). They completed a complete eye exam under pupil dilation including a blood pressure measurement with an automated device and the pulse oximetry was obtained by a pulse oximeter (SpO2). The ocular oximetry measures was acquired by the Zilia imaging system on the temporal side of the optic nerve. No statistically significant differences were observed between the average of three SaO2 measurements at the optic nerve. For the duration of the acquisition, the data analysis showed a statistically significant difference between the 5 seconds acquisition compared to the other acquisition duration. There was no statistically significant difference between the average of the first measurement obtained before and after the use of the data optimization technique. The result showed a significant difference in the SaO2 values between glaucomatous participants and normal. We also see a correlation statistically significantly between the SaO2 values and the global RNFL. This study is one of the first one done with the Zilia device. The average value of SaO2 obtained at a specific point of the optic nerve acquired by the Zilia device are repeatable and a 10-second acquisition could provide a precise value. Also, the SaO2 measured with the Zilia imaging system on the optic nerve is significantly lower in glaucoma patients compared to normal patients. More studies are needed to really establish the role of that device in the diagnostic and fully up of patients with glaucoma.