Utiliser les visuels pour améliorer la communication dans les équipes pluridisciplinaires

Présentation

C'est avec grand plaisir que je vous présente notre prochain intervenant, le Dr Guillermo Tearney. Professeur de pathologie à la Harvard Medical School, le Dr Tearney possède un parcours exceptionnellement riche en recherche, en imagerie médicale et en ingénierie. Il est titulaire de plus d'une centaine de brevets et licences ayant abouti à la création de dispositifs médicaux commerciaux. Il a été chercheur principal pour plus de 40 subventions et a publié plus de 150 articles dans des revues spécialisées à comité de lecture, imposant des normes rigoureuses en matière de présentation et de communication scientifique. Nous sommes ravis d'accueillir le Dr Tearney pour cette session. Sans plus attendre, je lui cède la parole.

Comme cela a été mentionné, je suis à la fois pathologiste et ingénieur. Ma carrière a été en grande partie inspirée par le livre et le film « Le Voyage fantastique ». Actuellement, en pathologie, la norme consiste à prélever des tissus pour les examiner au microscope après traitement et coloration ; c'est ainsi que nous posons les diagnostics. Mais « Le Voyage fantastique » a stimulé notre imagination en posant cette question : et si nous pouvions miniaturiser des microscopes pour les introduire directement dans le corps ? Nous pourrions alors observer ces structures microscopiques, comme les cellules, qui sont les marqueurs ou les signes avant-coureurs de la maladie. Mieux encore, nous pourrions potentiellement imager le corps entier, voyager à l'intérieur et intervenir au niveau cellulaire, ce qui nous permettrait de guérir les maladies à un stade beaucoup plus précoce et de sauver de nombreuses vies.

Cette vision a donné naissance à un domaine appelé la micro-imagerie. L'idée est de voir l'invisible chez les patients vivants. Aujourd'hui, l'imagerie macroscopique, comme les radiographies, les scanners ou l'IRM, permet d'observer les maladies au niveau des organes. Ce que je souhaite, c'est visualiser la maladie à l'échelle microscopique. Sur cette diapositive principale, une échelle indique différentes tailles, de 10 millimètres à un angström. Les glandes épithéliales, les nerfs, les vaisseaux, le noyau et les mitochondries sont autant d'éléments visibles dans les tissus à mesure que l'on augmente la résolution. Parmi les technologies que nous avons développées pour rendre l'invisible visible dans le corps humain, citons la tomographie par cohérence optique (OCT), qui offre une résolution d'environ 10 microns. À plus haute résolution, on peut observer des cellules individuelles grâce à la microscopie confocale à encodage spectral et à la microscopie à rétrodiffusion oblique. Enfin, une résolution encore plus élevée et des informations dynamiques peuvent être obtenues grâce à une technologie appelée OCT à résolution d'un micron, ou micro-OCT.

Un autre avantage majeur de cette approche in vivo, par rapport au prélèvement de tissus, est la possibilité d'imager le corps entier. Ces technologies permettent d'explorer des organes complets. Au lieu de se limiter à un petit échantillon de tissu, qui n'est pas toujours représentatif de la pathologie du patient, on peut examiner l'organe dans sa globalité et localiser précisément la zone la plus atteinte.

Je vais d'abord vous parler de l'OCT. Comme je l'ai dit, il s'agit d'une technologie d'imagerie avec une résolution de 10 microns. L'une de nos premières applications a été d'ouvrir la voie au diagnostic microscopique des artères coronaires, qui irriguent le muscle cardiaque. Lorsqu'elles sont obstruées, elles provoquent des crises cardiaques. Avant l'OCT, il était impossible de voir les structures microscopiques de ces artères. Or, ce sont précisément ces structures qui sont à l'origine des plaques responsables des infarctus. Nous avons donc conçu des cathéters que nous avons insérés dans les artères coronaires des patients. Ces données proviennent du tout premier patient imagé avec cette technologie en 2007. Dans le coin inférieur gauche, vous voyez une vidéo des images capturées par le cathéter lors de sa rotation et de son retrait dans l'artère. Après avoir colorisé les différents constituants du tissu, on peut effectuer un rendu 3D, permettant des survols virtuels de l'artère coronaire, comme le montre l'image en bas à droite, très proche de ce que l'on voyait dans le film « Le Voyage fantastique ».

Nous avons également exploré l'utilisation de cette imagerie dans le système digestif. L'une des méthodes employées utilise des capsules reliées à un fil. Ces capsules, de la taille d'une grosse vitamine, sont avalées, et le fil permet à la fois de transmettre la lumière nécessaire à la microscopie et de contrôler le dispositif à l'intérieur du corps. Voici à quoi ressemble une procédure typique. Il s'agit de la toute première intervention réalisée : un post-doctorant, un peu méfiant, a accepté d'avaler la capsule. Après quelques secondes, on obtient des images en coupe très nettes à mesure que la capsule progresse dans le tractus gastro-intestinal. On peut distinguer toutes les couches avec une clarté incroyable. Surtout, ces images nous permettent de diagnostiquer des maladies. À gauche, un œsophage normal avec son aspect stratifié. À droite, un précurseur du cancer de l'œsophage appelé œsophage de Barrett. On observe une perte de cette structure stratifiée, ce qui constitue le critère simple pour diagnostiquer cette affection précancéreuse. Nous utilisons cette méthode pour dépister les patients atteints de Barrett afin de les surveiller de plus près et de détecter le cancer à un stade précoce.

L'estomac est un autre domaine intéressant. Il s'agit du même post-doctorant que précédemment, et ce que vous voyez, ce sont des aliments digérés dans l'estomac. Le motif tourbillonnant est magnifique, et l'on peut distinguer la paroi stomacale dans le coin inférieur droit, ainsi que le mucus entre les aliments digérés.

Nous avons également imagé l'intérieur de l'intestin grêle, le segment suivant du tube digestif. Il est tapissé de projections en forme de doigts, appelées villosités, qui facilitent l'absorption des aliments. On peut observer la dynamique de ces villosités de manière incroyable pendant que la capsule progresse. Il est stupéfiant qu'une telle image puisse être capturée par une minuscule capsule. Voici un survol 3D réalisé à partir de ces données. L'aspect est très spongieux à cause des villosités. Ici, on peut voir la bile, un liquide intestinal accumulé. En dessous, on découvre l'ouverture appelée ampoule de Vater, par laquelle la bile et les sucs pancréatiques se déversent dans l'intestin grêle. Comme je l'ai dit, tout cela est capturé par une capsule avalée, et la procédure ne prend que quelques minutes. Les applications pour le diagnostic de la maladie cœliaque ou le dépistage du cancer du pancréas sont nombreuses. La procédure est réalisable chez les patients sans sédation, et ils préfèrent largement avaler cette capsule plutôt que de subir une endoscopie plus invasive.

Passons à une technologie de résolution supérieure : la microscopie confocale à encodage spectral, qui permet de voir des cellules individuelles. Il s'agit d'une image typique, immense, de 100 000 par 100 000 pixels. Comme sur Google Earth, on peut effectuer des panoramiques et des zooms. Vous voyez ici le noyau de toutes ces cellules ainsi que les membranes cellulaires. C'est comme Google Earth, mais pour votre corps. On peut observer à très faible grossissement, puis zoomer sur une « maison » individuelle — ici, un noyau — et se déplacer dans tout le tissu. Cette technologie est prometteuse pour l'œsophagite à éosinophiles, une inflammation de l'œsophage causée par des allergies alimentaires. Lorsque vous consommez un aliment allergène, des cellules inflammatoires, les éosinophiles, envahissent l'œsophage et causent des dommages. Actuellement, les patients doivent subir de nombreuses endoscopies, ce qui est pénible, chronophage, et particulièrement difficile pour les enfants. Nous essayons de développer une capsule à avaler qui capturerait le même type d'images sans nécessiter de biopsie. Il suffit d'avaler la capsule pour obtenir des images cellulaires et vérifier si le traitement fonctionne. Voici un patient avalant la capsule. La procédure est simple et nous permet d'obtenir une image microscopique immense de l'œsophage, couvrant ici 20 centimètres, de l'estomac à droite jusqu'à la gorge à gauche. Là encore, en zoomant, on peut voir différentes cellules. On distingue une zone d'œsophage normal, assez grise et banale, puis une zone où les cellules inflammatoires sont présentes, caractérisées par ces points blancs indiquant une inflammation.

Une autre technologie en cours de développement vise à libérer la capsule de son fil. Il s'agit d'un microscope totalement sans fil utilisant la technologie OBM, une forme de microscopie à contraste de phase adaptée aux tissus humains. Le post-doctorant montre ici l'absence de fils. L'appareil est alimenté par batterie et transmet les données sans fil. Il est activé magnétiquement : placé près de ce disque métallique (un aimant), il repose sur un fantôme contenant des billes. Si on le retourne, on voit ces billes de 10 microns, de la taille d'une cellule, dont les images sont transmises sans fil vers l'écran de l'ordinateur. Cette technologie pourrait faire du « Voyage fantastique » une réalité. Nous pourrions utiliser ces microscopes sans fil, contrôler leur position dans le corps grâce à un système magnétique, obtenir des images 3D intégrables dans des systèmes de réalité virtuelle pour piloter la capsule, et même intégrer des lasers chirurgicaux pour effectuer des interventions non pas macroscopiques, mais au niveau cellulaire. L'objectif ultime est qu'un jour, ces microrobots circulent dans notre corps, nous évitant ainsi des chirurgies invasives.

Je vais maintenant parler de notre technologie à la plus haute résolution : la micro-OCT, une forme avancée d'OCT. Si l'on compare les images micro-OCT aux images OCT standard, on constate une amélioration spectaculaire de la qualité et de la résolution. Ici, nous voyons des noyaux individuels et des bordures cellulaires. Dans ce cas précis, nous observons des cellules inflammatoires. Avec l'OCT standard, l'image est floue et ces détails sont invisibles. Nous avons exploré la micro-OCT dans le système cardiovasculaire : au lieu d'une résolution de 10 microns, nous obtenons une résolution d'un micron, permettant de voir les cellules contribuant à l'athérosclérose, comme les cellules musculaires lisses, les macrophages (cellules inflammatoires), l'endothélium qui tapisse les artères, ainsi que des structures comme les cristaux et les plaquettes. Nous pouvons obtenir des détails incroyables sur les stents implantés dans les artères et observer la réponse cellulaire à ces dispositifs.

Nous avons également développé un cathéter dédié. Grâce à un faisceau spécial produisant une série d'anneaux, il permet d'atteindre cette haute résolution. Voici une partie d'une artère coronaire imagée par ce cathéter. En perspective 3D, on observe une surface très irrégulière. Cette rugosité est due aux cellules qui adhèrent à la surface et attaquent la paroi artérielle. Sur l'image en coupe, on peut voir ces macrophages communiquer entre eux. On en voit même un autre s'attaquer à des cristaux logés dans la paroi artérielle.

L'un des aspects fascinants de la micro-OCT est qu'elle offre un aperçu non seulement de la structure des tissus, mais aussi de leur dynamique. Prenons l'exemple des cils situés sur les cellules des voies respiratoires. Ces cils agissent comme de petites rames battant d'avant en arrière pour propulser le mucus hors de nos poumons. La micro-OCT permet de visualiser ces cils, ce qui est impossible avec toute autre technologie. Ici, en culture cellulaire, on peut voir les cils battre et le mucus se déplacer, un phénomène également observable dans les cultures de tissus humains.

Nous avons récemment commencé à appliquer cette technique au nez, car les cils nasaux sont représentatifs de ceux des poumons. Lors de nos procédures, nous insérons une petite sonde dans le nez pour obtenir des images in vivo, où l'on peut voir ces petits cils s'agiter à la surface du tissu. Nous pouvons étudier des états pathologiques, comme la mucoviscidose, où les cils et le mucus deviennent anormaux. Comme le montre l'image en bas à gauche, les cils ont disparu et le mucus ne circule plus. Sur les images en bas à droite, on distingue des cellules inflammatoires et d'autres anomalies du mucus, qui devient beaucoup plus réfléchissant, avec une surface irrégulière et érodée.

Un autre avantage de la micro-OCT est la possibilité d'observer le mouvement des molécules et des organites à l'intérieur des cellules, et de caractériser le contraste de l'image en fonction de la vitesse de ces mouvements. En capturant plusieurs images au fil du temps, on observe une modulation : l'image change à des vitesses différentes selon les zones. En utilisant un code couleur — rouge pour une absence de mouvement ou un mouvement lent, bleu pour une vitesse moyenne et vert pour un mouvement rapide — nous obtenons une image composite offrant un contraste bien supérieur à l'image en niveaux de gris originale, un contraste qui est en outre significatif. Il nous renseigne sur l'activité intracellulaire. Il s'avère que ce mouvement bleu et vert correspond à une activité métabolique. Ainsi, les cellules métaboliquement actives apparaissent en bleu et vert, tandis que les cellules statiques ou les zones mortes apparaissent en rouge.

Voici un exemple : en haut, l'image micro-OCT standard en niveaux de gris ; en dessous, l'image micro-OCT dynamique. La structure est beaucoup plus visible et ressemble presque exactement à l'histologie conventionnelle. En zoomant, on constate que la couche inférieure est très bleue, ce qui indique une activité métabolique, ce qui est exact. La couche intermédiaire reste quelque peu bleue, tandis que le bleu disparaît dans la couche supérieure. Cela nous renseigne sur la croissance du tissu : les cellules se divisent à la base, mûrissent, puis meurent et desquament à la surface. La technologie micro-OCT dynamique nous permet d'observer ce processus. C'est très prometteur et cela ouvrira de nouvelles opportunités pour le diagnostic du cancer et d'autres anomalies des revêtements internes de nos organes.

En résumé, nous nous efforçons de faire du « Voyage fantastique » une réalité. Nous avons développé toutes ces technologies d'imagerie, créé des sondes et des capsules pour les introduire chez les patients, et nous travaillons même sur des capsules sans fil pour visualiser ces cellules. Tout cela est rendu possible grâce au pipeline existant dans notre laboratoire : nous inventons ces microscopes, d'abord imposants sur de grandes tables avec des lasers, puis nous apprenons à les miniaturiser. Nous fabriquons ces composants dans un atelier équipé d'outils avancés, notamment des imprimantes 3D, des tours et des fraiseuses à commande numérique. Ces pièces sont ensuite assemblées en dispositifs cliniques finaux dans des salles blanches. Enfin, nous testons ces dispositifs sur des patients au Mass General Hospital. Ce pipeline est excellent : il nous permet d'apprendre auprès du patient, de réinjecter ces connaissances dans le processus d'invention, et de poursuivre ce cycle vertueux.

Nous utilisons beaucoup BioRender et nous sommes très enthousiastes à propos de ce programme. Cette diapositive illustre son utilité pour nous. Premièrement, son interface simple permet de créer rapidement des figures conceptuelles de qualité professionnelle. Il nous aide à communiquer la science avec un minimum de texte, le rendant accessible à un large public tout en minimisant le jargon disciplinaire et en facilitant l'intégration de nos images et données. Nous apprécions énormément cet outil ; il correspond parfaitement à notre façon de visualiser les choses. Nous sommes un groupe très visuel. Voici un exemple, tiré d'une publication, montrant l'une de nos sondes micro-OCT insérée dans l'oreille interne via la fenêtre ronde pour visualiser la cochlée et l'organe de Corti. C'est un moyen très efficace d'utiliser et d'éditer des modèles pour présenter nos concepts simplement. Il est également précieux pour la rédaction de demandes de subventions. Nous l'avons utilisé à maintes reprises pour montrer nos endoscopes à l'intérieur du corps humain et décrire des processus complexes en une seule figure. Dans une demande de subvention, contrairement à une présentation ou une vidéo, il est difficile de montrer un processus. Mais les outils de visualisation de BioRender et sa mise en page nous permettent de le faire. Ici, nous montrons comment développer une nouvelle technologie pour visualiser l'intérieur du poumon avec nos techniques d'imagerie avancées. Je tiens à remercier tous les membres de mon laboratoire, mes collaborateurs et toutes nos sources de financement. Voici une photo récente de notre équipe sur Zoom. Merci beaucoup de m'avoir écouté. Vous trouverez mes coordonnées si vous souhaitez obtenir des informations complémentaires. Je suis maintenant prêt à répondre à vos questions.