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UV4Life : Un laser UV dédié à la recherche sur le cancer

 

UV4life : Spectroscopie Raman UV pour le vivant

Contexte et objectifs du projet

La médecine est à la recherche de méthodes rapides de diagnostic, si possible les moins invasives possibles. Le diagnostic d’une pathologie et de son étiologie peut être opéré sur des échantillons sanguins ou sur des tissus. Parmi les pathologies cibles de ce projet figurent les infections, les pathologies tumorales et les pathologies métaboliques. Ainsi, pour les infections, l’objectif est d’identifier rapidement les bactéries et leurs résistances potentielles aux antibiotiques, sans réaliser de culture bactérienne. Pour les pathologies tumorales, l’identification de la tumeur, de ses limites et de son phénotype de sévérité est essentielle chez le patient, non seulement au cours du diagnostic, mais aussi au cours de la chirurgie pour préciser les marges chirurgicales autour de l’exérèse et limiter ainsi le risque de récidive locale. Pour les maladies métaboliques, l’identification rapide, par l’analyse du sérum, de lésions associées est un facteur important pour le suivi des patients.

Le développement de nouvelles méthodes permettant d’obtenir des profils caractéristiques des situations d’intérêt est donc un enjeu majeur. Ces dernières années, les techniques optiques ont démontré des capacités à identifier des bactéries et des cellules cancéreuses. Parmi elles, l’imagerie par spectroscopie Raman a l’avantage de ne pas être destructrice. Dans cette technique, le choix de la longueur d’onde d’excitation est crucial car elle peut exacerber certains signaux et déplacer le signal d’excitation par rapport à la fluorescence. Les courtes longueurs d’onde du proche UV sont, à ce titre, très prometteuses.

La spectroscopie Raman est une méthode non destructive d’observation et de caractérisation de la composition moléculaire et de la structure externe d’un matériau, qui exploite le phénomène physique selon lequel un milieu modifie légèrement la fréquence de la lumière y circulant. Ce décalage en fréquence dit « effet Raman » correspond à un échange d’énergie entre le rayon lumineux et le milieu, et donne des informations sur le substrat lui-même. La spectroscopie Raman consiste donc à envoyer une lumière monochromatique sur un échantillon de façon à faire vibrer les liaisons moléculaires qui le composent et à analyser la lumière diffusée. Ces vibrations se matérialisent par une émission de lumière secondaire dont le décalage en longueur d’onde (ou en fréquence) par rapport à l’onde excitatrice représente une signature caractéristique de chaque liaison.

Principe expérimental de la spectrométrie Raman (cliquez sur l’image pour l’agrandir)
 

L’évolution des lasers et détecteurs permet désormais de visualiser le contenu moléculaire des cellules (protéines, lipides, acides nucléiques, …) sous forme de spectres dont chaque pic correspond à une liaison atomique (groupement fonctionnel). La signature spectrale ainsi obtenue peut-être associée au phénotype cellulaire et permet ainsi de différencier les composés tissulaires (matrice extracellulaire, vaisseaux,…) ainsi que les types cellulaires et de différencier une cellule saine d’une cellule tumorale. Pour la première fois, nous allons utiliser une longueur d’onde d’excitation dans l’UV. Cela devrait permettre de s’affranchir d’un fond de fluorescence qui masque de nombreux pics Raman.

Au-delà des objectifs spécifiques du projet UV4Life et au vue du grand nombre de publications récentes, la spectroscopie Raman a un avenir certain dans le domaine de la santé. C’est une technique non invasive, peu onéreuse et rapide qui sera d’un grand apport pour les médecins dans le diagnostic par l’établissement de bases de données de signatures spectrales en cancérologie mais pas uniquement. L’évolution de la sensibilité des détecteurs et des lasers permet depuis quelques années d’utiliser cette technologie pour caractériser des tissus biologiques. L’adaptation des spectromètres sur des microscopes confocaux équipés de platines motorisées permet également d’imager et d’analyser les cellules et les constituants tissulaires de coupes d’organes. Plusieurs travaux montrent la possibilité d’identifier des souches bactériennes, et poursuivent l’objectif de différencier les souches résistantes ou non aux antibiotiques. La spectroscopie Raman pourrait aussi être d’un intérêt majeur également dans la caractérisation et le suivi des microbiotes, fort enjeu de la médecine personnalisée.

Spectromètre Raman adapté sur microscope confocal actuellement sur le marché
 

De nombreuses publications mettent en évidence l’apport de la spectroscopie Raman dans le domaine de la biologie que ce soit en recherche médicale in vivo et in vitro, en pharmacologie, cosmétologie, bactériologie, cancérologie, ou dans l’étude du métabolisme cellulaire. L’utilisation de laser UV va permettre le développement de nouveaux équipements plus sensibles et explorant des domaines non analysés. À moyen terme un transfert des laboratoires de recherche vers le monde médical sera opéré : outil support pour les anatomo-pathologistes, les laboratoires d’analyses médicales, voir les chirurgiens et endoscopistes avec le développement de fibres optiques déportées. La mise en place d’algorithme d’analyse et de classification permettra accroître l’accessibilité du matériel à des utilisateurs non spécifiquement formés à la spectroscopie Raman, ce qui permettra d’ouvrir le marché.

Ainsi, la micro-spectroscopie Raman s’intégrera en soutien aux :

  • anatomo-pathologistes, au laboratoire et/ou directement au bloc opératoire par l’utilisation en endoscopie de fibres optiques ;
  • microbiologistes dans le domaine de l’infectiologie, avec notamment une identification et une caractérisation rapide de souches bactériennes (résistance aux antibiotiques, microbiote,…) ;
  • biochimistes dans le domaine des pathologies métaboliques et de leurs complications ;

Mais aussi aux :

  • chercheurs i) dans le domaine de la santé pour la caractérisation cellulaire et tissulaire (signature de transformation maligne, de prolifération), pour le suivi de nouveaux traitements au niveau cellulaire et chez le patient (test compagnon) et pour les études de pharmacocinétique; ii) dans les domaines des sciences ;
  • industries agroalimentaires et du médicament pour l’analyse de la présence de composés et leur répartition dans les granulés alimentaires et dans les comprimés, pour le traçage de molécules vectorisées dans le tissu vivant (cosmétologie, biologie végétale, biologie cellulaire).

Aujourd’hui, les spectromètres Raman sont devenus plus compacts et plus stables grâce au remplacement des lasers à gaz par des lasers à solide (à 532 nm, 640 nm et 785 nm). Malheureusement, la quatrième longueur d’onde la plus utilisée (325 nm dans le proche UV) est apportée par un laser à gaz Hélium-Cadmium (HeCd), 200 fois plus volumineux et 20 fois plus consommateur d’énergie que les lasers à solide. C’est non seulement un frein à l’utilisation de cette longueur d’onde en laboratoire, mais cela interdit sa future utilisation dans un instrument médical.

Le premier objectif de ce projet est donc de développer des lasers à solide dans le proche UV : l’un à 320 nm en remplacement direct du laser à HeCd, et l’autre à 375 nm à base de diode laser, ceci pour permettre à la recherche médicale d’utiliser cette longueur d’onde dans un spectromètre Raman, c’est le deuxième objectif. Un troisième est d’analyser des cellules cancéreuses et des bactéries avec ce nouvel outil et d’en déduire des procédés de détection et d’identification.

 
Les acteurs du projet

Le groupe SP/PLA de l’Institut Foton (CNRS) apporte son expertise dans l’étude des propriétés de bruits d’intensité et de fréquence, en contre-réaction optique et injection optique de lasers. Il est en charge de la partie affinement spectral de la diode laser à 375 nm, et contribuera à l’adaptation du spectromètre Raman aux objectifs ciblés par le projet.

La division iXblue Photonics basée à Lannion possède une vaste expertise dans le domaine de la fabrication des fibres optiques spéciales et des composants optiques fibrés, en particulier les réseaux de Bragg dont il sera le fournisseur naturel pour le laser à diode affinée à 375 nm.

L’équipe CIMIAD est l’une des 3 équipes de l’UMR 1241 de l’institut Numécan (Inserm) qui étudie les liens entre anomalies nutritionnelles et métaboliques et la survenue de pathologies. Elle développe et utilise de nouvelles stratégies diagnostiques par la recherche de signatures pathologiques. Elle sera en charge des expérimentations Raman UV sur des échantillons du vivant et de l’adaptation du spectromètre Raman.

La société Oxxius, porteur du projet, est fabricant de lasers pour l’instrumentation. Son objectif est d’amener sur le marché un laser à solide à 320 nm et un laser à diode affinée à 375 nm. Oxxius contribuera tout particulièrement au développement du laser à 320 nm basé sur sa technologie innovante de cavité monolithique à cristaux. Elle fournira également le laser à diode à 375 nm préparé en vue de l’affinement spectral opéré par l’action conjointe de Foton et iXblue.

Dans la chaîne de valeur de ce projet, iXBlue développe un composant clé du laser (réseau de Bragg), Oxxius et Foton développent le laser, Oxxius est en support de l’intégration du laser dans un spectromètre Raman et Numecam utilise le spectromètre dans sa recherche sur les cellules cancéreuses et les bactéries.

 
Les partenaires

Le projet est labélisé par les pôles de compétitivité I&R et Atlanpole Biothérapies.
Il est financé par LTC, la Région Bretagne et le FEDER.

 
Contacts

Julien Rouvillain (OXXIUS), chef de projet, jrouvillain oxxius.com
Stéphane Trebaol (FOTON), stephane.trebaol univ-rennes1.fr
Alain Fautrel (NUMECAN), alain.fautrel univ-rennes1.fr
Laurent Lablonde (IXBLUE), laurent.lablonde ixblue.com