ARTICLE
Auteur(s) :, Emmanuel Coron
Institut des Maladies de l’appareil digestif, CHU Hôtel-Dieu, 1
place Alexis Ricordeau, 44093 Nantes cedex
Les nouvelles méthodes d’imagerie endoscopique comportent la
microscopie confocale, la Narrow Band Imaging (NBI),
l’autofluorescence, la fluorescence induite, la spectroscopie de
dispersion élastique, la spectroscopie Raman et l’interférométrie
[1, 2] (tableau 1). Elles permettent théoriquement une analyse du
tissu à l’échelon cellulaire (microscopie confocale, tomographie de
cohérence optique), subcellulaire (dispersion élastique) ou même
moléculaire (Raman). Leur principe de fonctionnement repose sur les
bases physiques des interactions entre la lumière incidente et le
tissu exploré.
Bases physiques des interactions lumière/tissu
( Tableau 1 )Toutes les méthodes
d’imagerie optique sont basées sur les photons réfléchis par la
muqueuse [3]. L’endoscopie conventionnelle permet de détecter les
aspects anormaux de l’image créée par la lumière blanche réfléchie
par la muqueuse. Cependant, trois phénomènes sont limitatifs :
a) l’œil de l’endoscopiste ne détecte que le spectre de la lumière
visible (400-700 nm) ; b) la profondeur de pénétration dans la
muqueuse est faible (<100 µm) car la bande visible est
principalement absorbée par l’hémoglobine ; et c) la lumière
blanche n’est pas cohérente, c’est-à-dire que la trajectoire des
photons est diffuse et non pas organisée comme dans un laser.
La bioendoscopie repousse ces limites en exploitant les
propriétés physiques du spectre de la lumière non visible et du
trajet intratissulaire de la lumière. En effet, le spectre de la
lumière s’étend aux ultraviolets (UV) et aux infrarouges (IR), non
visibles car ayant des longueurs d’ondes respectivement plus
courtes et plus longues que la lumière visible, et qui ont des
propriétés intéressantes pour l’imagerie tissulaire. Ainsi, les UV
peuvent produire de la fluorescence via certaines biomolécules, et
les IR pénètrent facilement au-delà de 1000 µm dans la muqueuse car
ils sont moins sensibles à la dispersion intra-tissulaire et à
l’absorption par l’hémoglobine [4]. En ce qui concerne le trajet
intratissulaire de la lumière, on distingue la dispersion
intratissulaire élastique qui correspond aux photons réfléchis
ayant la même longueur d’onde que les photons incidents et la
dispersion inélastique lorsque cette longueur d’onde est
différente. De plus, les photons peuvent être réfléchis après un
seul événement intratissulaire (photons balistiques), ou au
contraire subir plusieurs événements intratissulaires (photons
diffus). Ces derniers sont utiles pour la mesure de structures
fines [5]. L’application de ces propriétés de la lumière à
l’imagerie endoscopique est désormais possible grâce à des avancées
technologiques spectaculaires concernant les fibres optiques, les
sources lumineuses et la biologie moléculaire.
Tableau 1 Description des principales techniques de
bioendoscopie.
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Technique
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Description de l’image endoscopique
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Champ de vision
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Résolution
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Profondeur
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Microscopie confocale
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Image histologique virtuelle de la muqueuse (parallèlement au
plan de la muqueuse) par un microscope miniaturisé
|
+
|
++++
|
++
|
|
Narrow Band Imaging
|
Rehaussement de la microvascularisation tissulaire par filtre du
spectre lumineux
|
+++
|
++
|
+
|
|
Autofluorescence
|
Mise en évidence de zones fluorescentes par des biomolécules
endogènes
|
++++
|
+
|
+
|
|
Fluorescence induite
|
Mise en évidence de zones fluorescentes par des biomolécules
exogènes
|
++++
|
+
|
+
|
|
Spectroscopie
|
Graphe analysant la structure tissulaire à partir de la dispersion
élastique ou inélastique (Raman)
|
+
|
+
|
+ / ++
|
|
Tomographie par cohérence optique
|
Image histologique virtuelle de la muqueuse et de la
sous-muqueuse (perpendiculairement au plan de la muqueuse) par
interférométrie
|
++
|
+++
|
+++
|
Principales méthodes d’imagerie endoscopique en
bioendoscopie
Microscopie confocale
La microscopie confocale est une nouvelle technique de diagnostic
optique capable d’obtenir une image grossie jusqu’à environ 1000
fois d’une zone d’intérêt au cours d’endoscopie dans le but
d’obtenir un diagnostic de nature en temps réel. Le principe est le
suivant : un faisceau laser de faible puissance balaye une
zone d’intérêt en illuminant un seul point à la fois dans un champ
de vision microscopique. La lumière provenant du point illuminé est
concentrée jusqu’au niveau d’un détecteur alors que la lumière
produite en dehors du spot lumineux est écartée de la zone de
détection. L’image résultante est une section optique représentant
environ un plan conjugué focal (d’où le terme de microscopie
confocale) situé dans la zone d’intérêt étudiée. La microscopie
confocale permet donc de reproduire une image proche de
l’anatomopathologie standard à partir de tissus frais non
sectionnés, soit in vivo. Les avancées technologiques récentes ont
permis la miniaturisation de microscopes confocaux, soit intégrés
dans l’endoscope (Optiscan, Australie/Pentax, Japon) [6], soit sous
la forme d’une sonde fibrée que l’on peut passer par le canal
opérateur de l’endoscope (F400, Mauna Kea Technologies,
France ; Fluoview, Olympus, Japon) [7]. Les principaux
fluorophores utilisés sont l’acriflavine, la fluorescéine et le
crésyl violet [6, 8]. Les résultats des premières études cliniques
chez l’homme sont très prometteurs. Ainsi, Kiesslich et al. ont
récemment rapporté une excellente sensibilité et spécificité
(respectivement 97,4 % et 99,4 %) de la microscopie
confocale pour prédire le diagnostic de néoplasie intraépithéliale
colorectale à partir de 390 sites étudiés in vivo chez 42 patients
[6]. Si elle est confirmée comme étant fiable, l’obtention d’une
telle information histologique virtuelle en temps réel représente
un progrès majeur en endoscopie car elle permet :
premièrement, d’éviter les résections ou biopsies inutiles qui
augmentent le risque d’infection, d’hémorragie ou de perforation
[9, 10], et deuxièmement, d’éviter un traitement endoscopique
insuffisant, comme par exemple de ne réaliser qu’une simple biopsie
sur une lésion qui devrait être réséquée par mucosectomie.
À l’avenir, on peut encore espérer une amélioration des
performances de la microscopie confocale par l’utilisation
d’anticorps anti-tumoraux spécifiques, couplés à des fluorophores
afin de visualiser une « signature moléculaire » du
cancer. Cette approche, que l’on peut qualifier
« d’immunoendoscopie » permettrait d’envisager de
dépister plus tôt des lésions cancéreuses, de prédire le risque de
dégénérescence cancéreuse, de déterminer les marges précises de la
lésion, de sélectionner une thérapie adaptée sur le plan
moléculaire ou encore de suivre la réponse au traitement en temps
réel.
Narrow Band Imaging
Contrairement à la lumière blanche conventionnelle qui utilise
l’intégralité du spectre visible (400-700 nm), la NBI ne laisse
passer qu’une partie du spectre lumineux par un système de filtres
qui augmentent le passage de la lumière bleue. Il en résulte une
image plus détaillée de la microvascularisation tissulaire grâce à
l’absorption préférentielle de la lumière bleue par l’hémoglobine.
Couplée à un endoscope zoom, cette technique simple paraît
prometteuse à la fois dans la détection et la caractérisation de
lésions cancéreuses précoces. Au niveau du tube digestif haut, des
études récentes ont montré que la NBI améliorait la caractérisation
de la muqueuse cardiale [11], de l’EBO [12] ou des lésions
cancéreuses gastriques précoces [13]. Dans le colon, la capacité de
la NBI à prédire le caractère néoplasique d’une lésion a été
comparée à la chromoendoscopie avec indigocarmin et à l’endoscopie
conventionnelle sur 43 lésions obtenues chez 34 patients [14].
Dans cette étude, la NBI était nettement supérieure à
l’endoscopie conventionnelle avec une spécificité de 75 %
versus 44 % respectivement (p < 0,05). En revanche, il
n’y avait pas de différence significative entre NBI et
chromoendoscopie, ce qui suggère une efficacité comparable mais une
utilisation plus simple en faveur de la NBI.
Imagerie endoscopique par fluorescence
Une molécule fluorescente (ou fluorophore) possède la propriété
d’absorber de l’énergie lumineuse (lumière d’excitation) et de la
restituer rapidement sous la forme d’une lumière fluorescente
(lumière d’émission). Cette lumière d’émission est un signal
spécifique délivré par le fluorophore car elle a une longueur
d’onde plus longue que la lumière d’excitation du fait de la perte
d’énergie par rapport à l’énergie initiale [15]. Les fluorophores
peuvent être soit endogènes comme le collagène, la forme réduite de
la NADH ou encore la porphyrine [16], soit exogènes comme l’acide
aminolévulinique (5-ALA). Les différences de fluorescence entre une
muqueuse normale et pathologique sont liées aux différences de
concentration et de distribution de ces fluorophores et aux
changements de la microachitecture tissulaire [17, 18]. Le principe
de l’imagerie endoscopique par autofluorescence est le
suivant : la lumière bleue d’une lampe xénon ou d’un laser est
utilisée pour l’excitation du tissu via un endoscope optique. Des
caméras avec CCD intensifiés sont nécessaires pour la détection en
raison du relativement faible niveau de fluorescence. La
fluorescence est divisée par un miroir dichroïque et filtrée en
vert (480-580 nm) et en rouge (620-720 nm). Trois systèmes sont
décrits : le système Light-Induced Fluorescence Endoscope
(LIFE, Xillix corporation, Richmond, Canada), le système D-Light
(Karl Storz, Germany) et le système Auto Fluorescence Imaging
(Olympus, Japon). L’intérêt principal de l’imagerie endoscopique
par fluorescence réside dans son large champ de vision qui lui
confère une capacité de détection à une échelle plus importante que
celle des autres techniques de bioendoscopie. Cependant, les
résultats cliniques de l’autofluorescence sont hétérogènes. Par
exemple, dans une étude récente réalisée chez 34 patients avec un
court segment d’EBO, l’exploration initiale en mode
autofluorescence dépistait un nombre significativement supérieur de
zones de dysplasie de haut grade (DHG) que l’endoscopie
conventionnelle (9 versus 1 ; p = 0,016) [19]. En
revanche, dans une autre étude réalisée chez 35 patients ayant un
EBO, la sensibilité de l’autofluorescence n’était que de 21 %
pour la détection de zones néoplasiques comportant respectivement
88 zones de dysplasie de bas grade, 19 zones de DHG et 12 cancers)
[20].
Pour certains, les résultats contrastés de l’autofluorescence
plaident en faveur de l’utilisation de fluorophores exogènes,
dénommée fluorescence induite ou diagnostic photodynamique. Ces
biomolécules s’accumulent dans les cellules néoplasiques et
permettent ainsi d’augmenter l’intensité de la fluorescence et la
détection spécifique des lésions néoplasiques. Un exemple type est
le 5-ALA, substrat naturel intervenant dans la synthèse de l’hème
qui est converti en protoporphyrine IX dans le compartiment
intracellulaire et augmente la quantité de protoporphyrine IX dans
les cellules néoplasiques [21]. Mayinger et al. [22] ont montré que
l’administration orale d’ALA (15 mg/kg) avait une sensibilité
de 85 % versus 25 % par rapport à l’endoscopie
conventionnelle pour la détection de lésions néoplasiques
œsophagiennes chez 22 patients. Messmann et al. [23] ont également
rapporté une excellente sensibilité de la fluorescence induite par
l’ALA administré oralement ou localement dans la détection de
lésions dysplasiques colorectales chez 37 patients atteints de
rectocolite hémorragique ancienne. Cependant, il ne faut pas
méconnaître les inconvénients principaux de la fluorescence induite
que sont le délai nécessaire à l’émission de la fluorescence, la
mauvaise connaissance actuelle des doses de fluorophores exogènes
requises ainsi que les effets secondaires de ces produits [2].
Spectroscopie de dispersion élastique
Cette technique, également basée sur la fluorescence, ne permet pas
d’obtenir une image endoscopique mais une information tissulaire
plus détaillée qui correspond à l’analyse des constituants de la
muqueuse à l’échelle sub-cellulaire (noyaux, mitochondries). Le
principe est le suivant : une sonde optique, introduite dans
le canal opérateur de l’endoscope, émet un faisceau de lumière
blanche de type xénon ou un faisceau laser et collecte le signal
fluorescent émis en retour à partir de la lumière élastique visible
[24]. Le spectre provenant des photons balistiques est obtenu en
supprimant au préalable celui des photons diffus. Un modèle
mathématique est utilisé pour calculer la fréquence et l’amplitude
des oscillations du spectre collecté, et ainsi déterminer la
distribution et la densité des photons dispersés [25]. Le signal
est ensuite affiché sous la forme d’un graphe représentant
l’intensité de la fluorescence en fonction de la longueur d’onde
émise.
Par rapport à l’imagerie endoscopique de fluorescence, cette
approche a l’inconvénient de ne permettre l’exploration que de
petites zones de tissu (1 à 3 mm2). De plus, la
sonde doit être positionnée sur une lésion préalablement repérée
[2]. Cette technique n’est donc pas destinée à la détection
proprement dite de lésions néoplasiques. En revanche, d’excellents
résultats sont obtenus en ce qui concerne la caractérisation
tissulaire. Ainsi, Mayinger et al. ont rapporté une excellente
sensibilité (98 %) et spécificité (89 %) de la
spectroscopie de dispersion élastique pour différencier les lésions
adénomateuses et non adénomateuses colorectales [26]. Comme pour
l’imagerie endoscopique par fluorescence, l’intensité et la
spécificité de la fluorescence peuvent être améliorées par
l’administration de fluorophores exogènes [27].
Spectroscopie Raman
La spectroscopie Raman permet l’analyse des constituants de la
muqueuse à l’échelon moléculaire en mesurant l’énergie
vibrationnelle/rotationnelle qui lie les biomolécules d’un tissu
entre elles. La lumière d’émission consiste en un faisceau laser IR
(700 à 1 300 nm) à travers une fibre optique, résultant en une
dispersion inélastique des photons IR au travers le tissu. Le
signal de retour analysé est spécifique de la molécule cible, ce
qui permet d’obtenir une véritable « empreinte
moléculaire » du tissu [28]. Une étude in vivo récente a
souligné le potentiel de cette technique en montrant une
sensibilité de 100 %, une spécificité de 89 % et une
précision diagnostique de 95 % pour différencier 10 adénomes
coliques de 9 polypes hyperplasiques chez 3 patients, après
validation préalable d’un algorythme diagnostique établi ex vivo
[29].
Tomographie par cohérence optique (TCO)
Cette technique est basée sur l’interférométrie, méthode
d’observation qui exploite les interférences entre les images
obtenues par 2 sources distinctes mais cohérentes entre elles [30].
Une source délivre de la lumière IR, qui est divisée en deux, à
travers une fibre optique. La majeure partie de cette lumière est
focalisée dans le tissu par un objectif alors que le reste est
dirigé sur un miroir de référence. La lumière revenant par les 2
trajets est analysée et un signal est produit lorsque la distance
de ces 2 trajets est approximativement la même. L’intensité du
signal dépend de la quantité de lumière réfléchie par les
structures intratissulaires à une profondeur déterminée par la
longueur du trajet de référence. L’image fournie par la sonde de
TCO correspond à une coupe sagittale de la paroi digestive sur
environ 2 mm de profondeur avec une résolution d’environ 10
µm, affichant ainsi une résolution 10 fois supérieure à celle d’une
minisonde d’échoendoscopie mais une profondeur d’exploration
beaucoup plus limitée. La TCO permet donc d’explorer finement
l’épithélium de surface, la muqueuse, la musculaire muqueuse et la
sous-muqueuse [31]. Dans l’œsophage, Poneros et al. ont caractérisé
les aspects en TCO de la muqueuse chez 121 patients, et ont retenu
les critères suivants comme étant prédictifs d’un EBO : a)
l’absence de couches normales d’épithélium malpighien et la
présence de cryptes verticales ayant les caractéristiques
morphologiques des cryptes muqueuses gastriques ; b) une
architecture désorganisée et une surface muqueuse
irrégulière ; et c) la présence de glandes sous-muqueuses
[32]. Evalués prospectivement, ces critères avaient une sensibilité
de 97 % et une spécificité de 92 % pour la détection de
l’EBO. Dans le côlon, Pfau et al. ont évalué l’OCT in vivo chez 24
patients à partir de 44 polypes (30 adénomes, 14 polypes
hyperplasiques) et ont montré que la TCO était capable de
distinguer les polypes hyperplasiques des polypes adénomateux, ces
derniers ayant un aspect moins organisé et une intensité moindre
que les précédents [33].
Conclusion
En comparaison de l’endoscopie standard qui permet uniquement de
voir la surface de la muqueuse en lumière blanche, la bioendoscopie
comporte un ensemble de techniques qui permettent non seulement une
analyse extrêmement détaillée de la surface de la muqueuse
digestive mais également d’interroger le tissu en profondeur et/ou
en fonction de l’expression de molécules cibles.
Ces techniques, éventuellement utilisées de manière combinée,
devraient permettre dans un avenir proche : a) d’améliorer le
dépistage de lésions cancéreuses à un stade précoce, en particulier
sur des muqueuses à risque de dégénérescence ; b) d’éviter la
réalisation de biopsies « à l’aveugle » ; c)
d’obtenir en temps réel un diagnostic de la nature des lésions
dépistées pour guider le geste endoscopique.
Des études cliniques prospectives randomisées et contrôlées sont
indispensables pour évaluer leur rôle diagnostique en pratique
clinique.
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