Présentation de l’activité de recherche interdisciplinaire Multi-Opto-Diag

L’activité de recherche interdisciplinaire Multi-Opto-Diag vise à développer de nouvelles stratégies optiques et lasers au service du diagnostic médical. 

Repousser les frontières de la connaissance biomédicale nécessite parfois d’inventer et de concevoir les instruments de demain. Lorsque les instruments de diagnostic actuels comme la radiographie, l’IRM, l’échographie ou le scanner atteignent leurs limites, il devient nécessaire de concevoir de nouvelles stratégies instrumentales. 

S’appuyant sur les besoins biomédicaux identifiés par les cliniciens, les stratégies d’optique non linéaire, couplées à des approches d’intelligence artificielle, ouvrent la voie à un diagnostic plus précis, plus ciblé et moins invasif à l’échelle microscopique.

C’est dans cette dynamique interdisciplinaire que s’inscrit l’activité de recherche Multi-Opto-Diag, portée à l’Institut de recherche XLIM par Claire Lefort, Chargée de recherche CNRS. Cette activité s’appuie sur un consortium interdisciplinaire réunissant les trois compétences :

  • XLIM à Limoges pour le volet optique non linéaire, stratégies lasers, instrumentation pour l’imagerie, génération, détection, contrôle de la lumière, production de données spectroscopiques CARS (Coherent anti-Stokes Raman Scattering), mais également avec l’aide de l’INRS-EMT à Montréal (François Légaré) pour le volet nouvelles approches de microscopie multiphotonique incluant l’information de phase et leur complémentarité avec les stratégies développées à XLIM
  • Inria OPIS à Saclay (Emilie Chouzenoux, Jean-Christophe Pesquet) pour le volet traitement numérique, stratégies d’intelligence artificielle et exploitation des données
  • Centre de Référence des Maladies Neuromusculaires du CHU de Limoges (Simon Frachet, Aurore Danigo et Mathilde Duchesne) pour le volet besoin biomédical clinique.

L’ensemble des projets regroupés dans l’activité Multi-Opto-Diag repose sur un triptyque scientifique centré sur une problématique médicale ou biologique identifiée. Pour y répondre, une stratégie instrumentale originale d’optique non linéaire délivre des informations sur les cibles qui sont exploitées par les stratégies numériques les plus performantes incluant l’intelligence artificielle afin de développer une nouvelle génération d’outils de diagnostic.

Plusieurs projets financés viennent alimenter l’activité de recherche Multi-Opto-Diag : 

Figure illustrant le triptyque scientifique interdisciplinaire adressé par l’activité Multi-Opto-Diag

Le besoin clinique identifié par les praticiens hospitaliers guide le développement de nouvelles stratégies d’optique non linéiare ciblées et couplée aux méthodes de traitement des donneées les plus en pointes. 

Figure illustrant le triptyque scientifique de l’activité Multi-Opto-Diag

La synergie entre optique non linéaire et intelligence artificielle permet de transformer le besoin médical ou biologique en une nouvelle génération d’outils de diagnostic.

Une rupture technologique portée à XLIM pour révéler de nouveaux biomarqueurs du vivant

L’activité Multi-Opto-Diag vise à développer une nouvelle génération de dispositifs d’imagerie biomédicale visant l’échelle microscopique (résolution de l’ordre de 300 nm), reposant sur trois principes clés :

  • De nouvelles stratégies lasers pour une stimulation ciblée
  • Une caractérisation sans marquage par des phénomènes d’optique non linéaires combinés
    • génération de seconde harmonique
    • fluorescence multiphotonique
    • Spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente stimulée et multiplexée
  • La découverte de nouveaux biomarqueurs responsables de maladies

L’originalité majeure de l’activité Multi-Opto-Diag repose en particulier sur l’exploration simultanée et concomitante des non-linéarités d’ordre 3 résonantes et non résonantes des cibles biomédicales. Ce nouveau paradigme est rendu possible grâce à la mise en place de stratégies inédites de stimulation laser par source à spectre ultralarge (dites « supercontinuum ») et d’exploitation des données spectroscopiques produites.

L’objectif ultime porté dans le projet Khi-MAlMa-PIQ est d’accéder à des informations biochimiques jusqu’ici invisibles pour l’anatomopathologie conventionnelle en identifiant de nouveaux biomarqueurs encore inconnus et inexplorés. À terme, cette caractérisation fine permettra non seulement de poser un diagnostic pathologique précoce, précis et non invasif (sans biopsie chirurgicale), mais aussi d’apporter les indices biochimiques nécessaires pour comprendre les causes des maladies étudiées et en développer de nouvelles thérapies.

Des partenariats interdisciplinaires au cœur de l’innovation

Pour y parvenir, le laboratoire XLIM conçoit des instruments innovants depuis la source laser d’excitation jusqu’à l’exploitation des données produites en associant des approches d’optique non linéaire, stimulées par des sources laser supercontinuum, à des méthodes inédites d’analyse des données développées réalisé en collaboration avec 

  • L’équipe OPIS de Inria Saclay, au sein du Laboratoire Centre pour la Vision Numérique (CVN) de CentraleSupélec (https://opis-inria.eu/)

Ces développements répondent à des besoins concrets exprimés par nos partenaires médecins et biologistes, notamment dans trois grands domaines d’application :

  • Les maladies neuromusculaires (Myopathies, avec le CHU de Limoges).
  • L’étude des mécanismes biologiques fondamentaux (Fascia, avec le laboratoire RESTORE à Toulouse).
  • Le diagnostic de l’amylose cutanée (Amylose, avec l’Hôpital du Kremlin-Bicêtre à Paris).

Figure illustrant la production d’image par microscopie multiphotonique

Image non linéaire d’une alvéole pulmonaire sans marquage

en rouge l’élastine imagée par fluorescence à deux photons,
en vert le collagène imagé par génération de seconde hamronique,
en jaune : la superposition des deux protéines. 

Un partenariat international décisif pour renforcer la stratégie

Cette approche instrumentale inédite est renforcée par une collaboration avec l’INRS à Montréal. L’expertise de l’INRS en microscopie de génération de seconde harmonique résolue en polarisation (P-SHG) et interférométrique (I-SHG) apporte une information complémentaire cruciale sur l’organisation et l’architecture des tissus biologiques.

En combinant les résultats des stratégies originales d’imagerie d’XLIM et de l’INRS, ces travaux ouvrent la voie à une caractérisation encore plus fine des pathologies musculaires et cutanées, tout en offrant de nouvelles perspectives pour comprendre le rôle du fascia dans les mécanismes du vieillissement musculaire.

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