L’objectif de ce travail de recherche est d’évaluer la capacité des spectroscopies optiques d’autofluorescence et de réflectance diffuse à caractériser les différents stades de la transformation néoplasique de la peau et ainsi d’aider au diagnostic des deux lésions de peau les plus létales : le mélanome malin et le carcinome épidermoïde. Dans l’étude portant sur le mélanome, un objet-test (« fantôme ») a été développé pour modéliser différentes épaisseurs de mélanome (indice de Breslow). La spectroscopie de réflectance diffuse résolue spatialement (grâce à l’utilisation de cinq fibres optiques réceptrices situées à cinq distances différentes de la fibre optique excitatrice) a montré sa capacité à discriminer (p<0,05) des indices de Breslow simulés grâce à des fantômes d’épaisseur variant par pas d’1 mm. D’autre part, des mesures de spectroscopie bimodale (combinant autofluorescence en multi-excitation et réflectance diffuse) ont été réalisées sur peau murine tout au long des sept mois de photocarcinogenèse. Des prélèvements cutanés ont permis d’établir trois classes histologiques (en plus de la classe saine du groupe contrôle) : hyperplasie compensatoire, hyperplasie atypique et dysplasie. Puis la précision diagnostique a été évaluée par analyse statistique multivariée. Nos principaux résultats montrent que la bimodalité associant autofluorescence (excitation à 410 nm) et réflectance diffuse permet une amélioration de la spécificité de 9% comparées aux performances de chacune des modalités utilisée seule lors de la discrimination des trois types d’hyperplasie. Des études cliniques doivent maintenant confirmer l’intérêt de ces résultats. / Autofluorescence and diffuse reflectance spectroscopies were studied as non-invasive tools to discriminate different stages of skin neoplastic transformation and thus to help diagnose the two most lethal skin lesions: cutaneous melanoma and squamous cell carcinoma. Concerning melanoma, skin phantoms were made to simulate several melanoma thicknesses (Breslow index). Spatially-resolved diffuse reflectance spectroscopy (using five collection optical fibers set at five different distances from the excitation optical fiber) allowed discrimination (p<0.05) of melanoma layers, the thickness of which was 1 mm different. Since diffuse reflectance spectroscopy has already shown good results in assessing malignancy of pigmented skin lesions, such a spectroscopy could be used as a complementary tool of cutaneous melanoma diagnosis. Using ultra-violet induced squamous cell carcinoma of mouse skin, bimodal spectra (multi-excitation fluorescence and diffuse reflectance) were acquired throughout the 7 month-carcinogenesis. Histological sampling followed spectral acquisition and three histological classes were determined by histo-pathological examination: compensatory hyperplasia, atypical hyperplasia and dysplasia. A fourth “healthy” class consisted in the skin sampled on mice that were never irradiated (control group). Multivariate statistical analysis of the spectral data set showed that combining autofluorescence (best results obtained with a 410 nm excitation) and diffuse reflectance resulted in a 9% increase of specificity when discriminating the three types of hyperplasia from one another compared to each modality used alone. Such results need to be confirmed through clinical trials on human patients.

L'objectif de ce travail de recherche est d'évaluer la capacité des spectroscopies optiques d'autofluorescence et de réflectance diffuse à caractériser les différents stades de la transformation néoplasique de la peau et ainsi d'aider au diagnostic des deux lésions de peau les plus létales : le mélanome malin et le carcinome épidermoïde. Dans l'étude portant sur le mélanome, un objet-test (« fantôme ») a été développé pour modéliser différentes épaisseurs de mélanome (indice de Breslow). La spectroscopie de réflectance diffuse résolue spatialement (grâce à l'utilisation de cinq fibres optiques réceptrices situées à cinq distances différentes de la fibre optique excitatrice) a montré sa capacité à discriminer (p<0,05) des indices de Breslow simulés grâce à des fantômes d'épaisseur variant par pas d'1 mm. D'autre part, des mesures de spectroscopie bimodale (combinant autofluorescence en multi-excitation et réflectance diffuse) ont été réalisées sur peau murine tout au long des sept mois de photocarcinogenèse. Des prélèvements cutanés ont permis d'établir trois classes histologiques (en plus de la classe saine du groupe contrôle) : hyperplasie compensatoire, hyperplasie atypique et dysplasie. Puis la précision diagnostique a été évaluée par analyse statistique multivariée. Nos principaux résultats montrent que la bimodalité associant autofluorescence (excitation à 410 nm) et réflectance diffuse permet une amélioration de la spécificité de 9 points de pourcentage comparées aux performances de chacune des modalités utilisée seule lors de la discrimination des trois types d'hyperplasie. Des études cliniques doivent maintenant confirmer l'intérêt de ces résultats.

Le mélanome est un cancer rare de la peau qui se développe à partir des cellules responsables de la pigmentation : les mélanocytes. Depuis quelques années, nous observons une augmentation significative du nombre de personnes atteintes par cette maladie, de mauvais pronostic et très agressive (132 000 nouveaux cas chaque année dans le monde). Le taux de mortalité de ce cancer est très élevé en raison de la rapidité de propagation des cellules cancéreuse dans d’autres régions du corps. En France, on remarque un nombre relativement élevé de cas détectés, plus particulièrement en Bretagne. La tumeur se présente comme une tâche dont l’apparence est très proche du grain de beauté. Si elle est détectée suffisamment tôt, un prélèvement suffit à la guérison et les risques de récidives sont très faibles. En revanche, une fois que les métastases se propagent, les chances de survie à long terme sont très faibles. Malgré les récentes avancées en thérapie ciblée, les traitements du mélanome métastatique restent encore limités. En partenariat avec le groupe Malakoff Médéric, nous développons actuellement un système optique pour la détection précoce du mélanome cutané. Celui-ci est basé sur les propriétés de polarisation de la lumière. La thèse présente la conception du système, de l’étude de faisabilité jusqu’à l’étape finale d’étalonnage. Nous proposons également différents tests sur des échantillons de simulation. Ces derniers nous permettent de démontrer la corrélation qu’il existe entre les effets de polarisation et les modifications biologiques en cours lors du développement du mélanome. Cette étude préliminaire nous prépare aux expérimentations sur de vrais échantillons. / Melanoma is a rare cancer that develops from the pigmentation cells of the skin. Recently, we notice a significant increase in the number of people affected by this aggressive disease with a poor prognosis (132 000 new cases each year worldwide). The mortality rate of this cancer is very high, which is due to the rapid spread of cancerous cells to other parts of the body. In France, there is a relatively high number of cases detected, especially in Britanny. The tumor is a spot which looks like a mole. If detected early, a levy is sufficient to healing and the risk of recurrence is very low. However, once metastasis spread, the long-term prognosis is very low. Despite recent advances in targeted therapy, the treatments of metastatic melanoma are still limited. In partnership with the Malakoff Mederic group, we are currently developing an optical system for early detection of cutaneous melanoma. It is based on the polarization properties of light. The PhD focuses on the design of the system, from the feasibility study to the final calibration. We also present various tests on samples of simulation. These allow us to demonstrate the correlation between the effects of polarization and biological changes during the development of melanoma. This preliminary study prepares us to experiments on real samples.