Projet ANR-12-JSV5-0004 – MUSLI : Imagerie par super-localisation ultrasonore des microbulles
Programme : JCJC - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (JCJC SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier Couture (CNRS PARIS B)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 298500.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Imagerie microscopique en profondeur par ultrasonsL’échographie est limitée par un compromis entre la résolution et la profondeur d’imagerie. De fins détails peuvent être observés, mais seulement à faible profondeur. La super-localisation par ultrasons pourrait nous permettre de contourner ce compromis et rendre possible l’imagerie microscopique des vaisseaux à plusieurs centimètres de profondeur.
Une imagerie des vaisseaux tumoraux en profondeur.Comme toute méthode d'imagerie, l'échographie est limitée par la diffraction des ultrasons qui varie, en clinique, entre 100 micromètres et 1 millimètre. Ce projet concerne une méthode d'imagerie par ultrasons qui permet de localiser des objets bien au-delà de la limite de résolution des ondes acoustiques (super-résolution). Cette innovation, protégée par un brevet déposé par l'institut Langevin, peut être vue comme un analogue ultrasonore de la méthode optique FPALM, qui est devenue incontournable en microscopie au cours des 5 dernières années. Elle devrait nous permettre de réaliser une imagerie de microscopie acoustique jusqu'a plusieurs cm dans les tissus, ce qui est un saut technologique majeur dans le domaine de l'imagerie ultrasonoreNous espérons, en particulier, pouvoir imager les réseaux vasculaires des tumeurs avec des résolutions de l'ordre du micromètre. Cela donnerait une information de grande valeur pour les biologistes et les cliniciens. Cette technique pourrait ainsi cartographier l’angiogénèse, un processus implicite à la propagation des tumeurs. 
La superlocalisation est effectuée en faisant éclater des agents de contraste par ultrasonsNous proposons de n'activer qu'un nombre limité de diffuseurs à la fois afin de pouvoir distinguer le front d'onde individuel provenant d'une cible que l'on veut localiser. Le front d'onde n'étant plus une superposition de l'écho de plusieurs cibles, sa forme est précisément définie par la position d'un diffuseur distinct. Afin de n'activer qu'un nombre limité de diffuseurs, nous exploitons divers effets de seuil générant des sources ponctuelles d'ultrasons, comme par exemple l’explosion des microbulles.
Résumé de la soumission : L'imagerie par ultrasons est réalisée en émettant des impulsions acoustiques et en analysant les échos des structures rencontrées. Les échos rétrodiffusés sont complexes et résultent de l'interférence entre tous les diffuseurs présents à l'intérieur d'une cellule de résolution. En raison de cette superposition, il devient impossible de distinguer les structures à l'intérieur de ce pixel. Comme les autres processus ondulatoires, la limite de résolution axiale et latérale est donc de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde (lambda/2). Lorsque l'imagerie ultrasonore est réalisée à 5 MHz, par exemple, la position des cibles ne peut pas être résolue en deçà de 150 micromètres. Cette limite fondamentale de la physique des ondes, restreint l'information que nous pouvons obtenir sur la microvasculature, jusqu'au capillaire, qui tient souvent la clé pour l'imagerie du cancer et les maladies cardiovasculaires. L'Imagerie par super-localisation ultrasonore des microbulles (MUSLI) permettrait d'améliorer significativement la résolution de l'imagerie ultrasonore. En effet, nous proposons de n'activer qu'un nombre limité de diffuseurs à la fois afin de pouvoir distinguer le front d'onde individuel provenant d'une cible que l'on veut localiser. Cette activation sélective s'effectue en raison de la destruction graduelle des microbulles sous l'effet des ultrasons. Le front d'onde n'étant plus une superposition de l'écho de plusieurs cibles, sa forme est précisément définie par la position d'un diffuseur distinct. Notre hypothèse, en partie vérifiée par des expériences préliminaires, est que cette position peut être établie à quelques micromètres près, bien au-delà de la limite de diffraction. Si le diffuseur unique est une microbulle injectée dans le sang, cela permettrait de cartographier l'ensemble des vaisseaux sanguins avec une résolution de quelques microns à grandes profondeurs, représentant un gain d'un facteur 100 en résolution. Le développement de l'échographie par super-localization des microbulles (MUSLI) couvre la physique de base jusqu'aux applications sur les modèles animaux. La première tâche est de décrire les limites de résolution de la technique, à travers des expérimentations in vitro avec des échographes et des modèles de microvaisseaux . Le passage à la 3D est la deuxième phase du projet. Des événements ponctuels doivent être interceptés dans leur intégralité, un grand nombre de sondes doivent ainsi être utilisées et des systèmes hautement parallèles doivent être développés. Avant de passer  à l'expérience in vivo, une compensation de mouvement doit être ajoutée au système afin de positionner avec précision les perturbations des microbulles. Enfin, les deux dernières tâches seront exécutées chez le petit animal. La tâche 3 consistera à cartographier la vascularisation des organes sains comme le rein et le cerveau d'un rongeur. Le but est d'ajouter plusieurs branches sur l'arbre vasculaire observé grâce à d'autres techniques existantes. Cette carte sera alors comparé à l'imagerie des mêmes organes avec le micro-CT et la microscopie confocale, qui ont une haute résolution, mais qui ne peuvent se faire in vivo. Enfin, la tâche 4 confirmera que la cartographie de la microvascularisation dans une tumeur peut fournir des informations supplémentaires pour le diagnostic et la surveillance des médicaments. L'angiogenèse sera mesurée par microscopie et comparés aux images MUSLI.
Résultats : La figure suivante résume nos résultats in-vitro, c'est-à-dire en injectant des microbulles dans des très fins canaux qui auraient, sinon, été impossibles à imager. Ces canaux, produits en microfluidique, simulent un système vasculaire. La longueur d'onde utilisée pour l'échographie était de 1 mm et les canaux avaient une taille de 50 micromètres (imagerie optique, figure 1 du bas). En utilisant une méthode classique, limitée par la physique de la diffraction, ces canaux ne peuvent pas être séparés (figure 2 du bas). Mais, en appliquant la technique de superlocalisation, nous avons pu distinguer des détails beaucoup plus petits que la longueur d'onde (figures 3 et 4 du bas). Deux tubes très proches (200 micromètres) sont également séparables, ce qui est un gain très net par rapport à la résolution que l'ont croyait théoriquement maximale (USL sur figures du haut). Cette méthode nous a également permis de développer la première imagerie par ondes planes en trois dimensions. Ces développements nous laissent donc envisager cette forme d'imagerie in-vivo pour avoir accès, en profondeur, à toute la structure vasculaire des organes ou des tumeurs.
Perspectives : Maintenant que la preuve de concept in-vitro a été effectuée, nous allons réaliser plusieurs étapes qui nous séparent de l'application clinique de la superlocalisation. La première est de décrire les limites théoriques de la méthode. En effet, il n'y pas à l'heure actuelle de description physique de la résolution que nous pourrions atteindre. Nous résoudrons ensuite les problèmes de sensibilité au mouvement pour faire la première imagerie par superlocalisation in-vivo sur un embryon de poulet. Ces études nous permettront de jeter la base pour l'imagerie super-résolue du système vasculaire dans le cerveau de rat. Puisque la méthode ultrasonore par ondes planes et les microbulles sont approuvées en clinique, nous pourrons ensuite passer rapidement aux premières études chez l'homme.
Publications et brevets : Un premier article ayant pour titre « Sono-Activated Ultrasound Localization Microscopy » a été soumis à Applied Physics Letters en septembre 2013. Il démontre le principe de la super-localisation in-vitro. Ce papier est la première publication sur le sujet et nous souhaitons effectuer deux autres publications dans la prochaine année concernant, 1) Les limites théoriques et expérimentales de la méthode 2) Les applications in-vivo de la méthode. 
Le brevet « Super-Resolution par ultrasons » est en processus d'examen aux États-Unis.