Implémentation de l’apprentissage profond (deep learning) en histopathologie spectrale infrarouge : application à la prédiction du rejet de greffe en néphrologie

Appel d'offre : Université de Reims Champagne-Ardenne

Durée : 2020-2023

Porteurs : Vincent VUIBLET et Cyril GOBINET

Résumé : L’histopathologie spectrale est un outil diagnostique basé sur l’analyse numérique d’images spectrales vibrationnelles (Raman et infrarouge) pour lequel l’apport de l’apprentissage profond n’a été que très peu étudié. Ce travail de thèse a pour but d’explorer les potentielles applications de l’apprentissage profond en histopathologie spectrale, en particulier pour la caractérisation et la quantification par imagerie spectrale infrarouge des différents types de fibroses et inflammations sur des biopsies de greffons rénaux. Un premier objectif sera d’étudier l’indépendance de l’apprentissage profond aux prétraitements des spectres infrarouge, comme suggéré dans la littérature. Dans un deuxième temps, l’impact de la définition spatiale des images spectrales acquises sur les performances de réseaux de neurones convolutifs sera étudié. Le troisième objectif de cette thèse sera de comparer les réseaux de neurones convolutifs aux méthodes traditionnelles de classification supervisée telles que les séparateurs à vastes marges (SVM) et les random forests (RF). Un quatrième objectif de ce travail sera de mettre à profit les capacités des autoencodeurs à apprendre les fonctions de transfert de différents imageurs infrarouge pour rendre la méthodologie proposée transférable en routine clinique. Le dernier objectif de ce travail sera d’étudier si l’apprentissage profond est capable d’identifier et de quantifier les sous-types de fibrose et d’inflammation afin d’affiner le diagnostic et de proposer un meilleur pronostic des greffons rénaux ainsi que de guider le clinicien dans une prise en charge thérapeutique adaptée à chaque patient transplanté rénal.

Imagerie vibrationnelle en histopathologie clinique

Appel d'offre : ARC

Durée : 2019-2022

Porteur : Olivier PIOT

Partenaire : IRFAC (Interface de Recherche Fondamentale et Appliquée en Cancérologie), Inserm U1113, Strasbourg, et CHU de Reims

Résumé : L’objectif du projet est d’évaluer le potentiel de l’imagerie vibrationnelle Raman dans la prédiction de la réponse au traitement des cancers coliques. La réalisation de ce projet nécessite d’abord d’identifier des marqueurs numériques spectroscopiques (Raman spontané) spécifiques de la réponse au traitement ; ensuite il s’agira de mettre au point la technique d’imagerie tissulaire par diffusion Raman stimulée (Stimulated Raman Scattering ou SRS).

Caractérisation de la réorientation adipocytaire tumorale par spectroscopie Raman

Appel d'offre : Ligue Nationale Contre le Cancer - Appel d'offre interrégional CCIR Est 2018

Durée : 2019-2021

Porteur : Emilie BUACHE

Résumé : Les avancées récentes en biologie des cancers ont fait émerger un rôle paracrine majeur du stroma dans la progression tumorale, notamment dans les phases d’invasion locale, un prérequis pour la formation des métastases. Les données issues de l’étude du stroma permettent actuellement d’améliorer les critères pronostiques et diagnostiques dans certains cancers. Cependant, en termes de traitement, bien que des études précliniques aient montré le potentiel de développement d’outils thérapeutiques efficaces ciblant des facteurs du stroma, beaucoup reste à faire. Le défi actuel est de disséquer, au niveau moléculaire, la dynamique réciproque qui s’établit entre les cellules épithéliales cancéreuses et leur microenvironnement, dans le but de mettre en avant des cibles stromales potentiellement intéressantes.
Notre projet, situé à l’interface physique/biologie, s’inscrit parfaitement dans ce contexte. En effet, nous souhaitons caractériser les CAAs (ou adipocytes associés au cancer), présents au front d’invasion tumoral, véritables acteurs de la progression tumorale mammaire. Grâce à un modèle pertinent de co-culture entre adipocytes et cellules cancéreuses mammaires, nous proposons une étude par spectroscopie Raman, nous permettant d’accéder à l’imagerie cellulaire non invasive adipocytaire. Dans un second temps, l’imagerie spectrale sera entreprise sur des biopsies de tumeurs mammaires humaines.
In fine, cette approche vise à proposer, sur la base de signatures vibrationnelles spécifiques du statut des CAAs, de nouveaux biomarqueurs pronostiques dans le contexte du cancer du sein.

i-CHEM’ALGAE : Integrated chemotyping of microalgae: a necessary tool for biodiversity exploration and blue biotechnology development

Appel d'offre : ANR

Durée : 2018-2021

Coordinateur : Ganesh SOCKALINGUM

Partenaire : Jean-Hugues RENAULT (porteur), ICMR UMR 7312 CNRS, Reims, France

Résumé : The i-CHEM’ALGAE project aims at developing an innovative integrated strategy based on metabolomics by using chemometric tools to merge multimodal and multiscale spectroscopic data), process engineering and chromatography, to address the technological issues related to the chemotyping of microalgae and thus to develop an optimized and intensified biorefinery approach for their entire valorization.

ONCOBIL : Génotypage des cancers bilio-pancréatiques par analyse de la bile chez les malades ayant une sténose tumorale des voies biliaires extrahépatiques

Appel d'offre : Appel d’Offres Local (AOL) 2015 du CHU de Reims

Durée : 2016-2021

Porteur : Gérard THIEFIN

Partenaire : Service d’Hépato-Gastroentérologie, CHU de Reims, et Laboratoire Central d’Anatomo-Pathologie et de Cytologie, CHU de Reims, et Service de de Chirurgie Générale, Digestive et Endocrinienne, CHU de Reims, et Unité d’Aide méthodologique, CHU de Reims

Résumé : Le diagnostic des cancers biliaires et pancréatiques des formes révélées par une obstruction biliaire repose sur l’imagerie complétée par l’histologie et la cytologie biliaire obtenues par voie endoscopique. La spécificité de ces techniques est excellente mais leur sensibilité est insuffisante. Seul un petit nombre de malades peuvent bénéficier d’une résection à visée curative. Il a été rapporté que l’analyse génétique de la bile permettait de détecter la présence de mutations associées aux tumeurs de la tête du pancréas. Les données sont rares et fragmentaires chez les malades ayant un cholangiocarcinome. Notre hypothèse de travail est que l’analyse de la bile chez des patients atteints d’une tumeur bilio-pancréatique pourrait permettre d’obtenir un génotypage tumoral similaire à celui obtenu par l’analyse d’une pièce opératoire. Si elle est validée, cette approche ne nécessitant aucun prélèvement tissulaire et applicable à des malades non opérables aurait un intérêt diagnostique, pronostique et thérapeutique pour guider les thérapies ciblées. Parallèlement à cette étude génétique, deux biomarqueurs impliqués dans la croissance tumorale, le Vascular Endothélial Growth Factor (VEGF) et les métalloprotéinases matricielles -1, -2, -7, -9 (MMP-1, MMP-2, MMP -7, MMP -9), seront dosés dans la bile à visée diagnostique et pronostique. De plus, des données spectrales seront aussi collectées pour identifier des marqueurs spectroscopiques qui seront ensuite corrélés aux marqueurs génétiques et biochimiques.

MIDIM : Molecular Imaging for Deeper Investigation of bioMedical samples

Appel d'offre : Region Grand Est / Industrie

Durée : 2019-2020

Porteur : Olivier PIOT

Partenaire : CHU de Reims et Horiba France SAS

Résumé : Ce projet technologique a pour objectif de développer l’imagerie par diffusion Raman stimulée pour la caractérisation de différents types échantillons (cellules, tissus) dans le cadre de problématiques biomédicales étudiées au sein de l’unité.

Identification de nouveaux marqueurs de l’altération du pouvoir invasif des cellules tumorales au cours du remodelage du collagène de type I matriciel associé au vieillissement

Appel d'offre : Ligue Nationale Contre le Cancer - Appel d'Offre Interrégional CCIR Est 2018

Durée : 2018-2019

Porteur : Hamid MORJANI

Partenaires : Frédéric SALTEL, INSERM U1053 BaRITOn, Bordeaux, France

Résumé : Nous avons d’une part caractérisé récemment des modifications structurales associées au vieillissement chronologique du collagène de type I par micro-imagerie Raman polarisée. D’autre part, nous avons mis en évidence les répercutions fonctionnelles de ces modifications en termes d’impact sur l’invasion tumorale. Ces données ont suggéré que le remodelage du collagène de type I associé au vieillissement diminue le pouvoir invasif des cellules tumorales et que cela pourrait être lié à une altération de l’organisation structurale des fibres du collagène de type I matriciel.
Nous proposons dans ce projet d’analyser les processus de mise en place des invadosomes linéaires en présence du collagène de type I (jeune et âgé). Par la suite, grâce à une analyse protéomique, nous proposons d’identifier mes acteurs à l’origine du pouvoir invasif important des cellules tumorales en présence du collagène de type I jeune. Ceci permettra d’identifier les protéines dont l’expression pourra être régulée d’une manière différentielle dans les deux collagènes.
En identifiant les profils d’expression de ces protéines dans les deux contextes matriciels, ces approches permettront d’identifier de nouveaux marqueurs/acteurs qui régulent le pouvoir invasif des cellules tumorales au cours du remodelage du collagène de type I matriciel associé au vieillissement.

AO ARCAMMHE : Dosage de la phénylalanine et de la tyrosine dans les urines par spectroscopie Raman

Appel d'offre : Association Regionale Champagne-Ardenne Pour Le Depistage Et La Prevention Des Maladies Metaboliques Et Des Handicaps De L’enfant (A.R.C.A.M.M.H.E.)

Durée : 2018-2019

Porteurs : Ganesh SOCKALINGUM et Roselyne GARNOTEL

Résumé : La phénylcétonurie est une pathologie autosomique récessive dépistée chez tous les nouveau-nés au troisième jour de vie. Actuellement, le dépistage est basé soit sur le dosage de la phénylalanine par méthode fluorimétrique, soit par spectrométrie de masse en tandem avec la détermination du rapport des concentrations en phénylalanine et en tyrosine. Ce projet vise à mettre au point une approche originale par spectroscopie Raman pour déterminer en une seule mesure les concentrations de ces deux acides aminés simultanément et de calculer leur rapport dans les urines. Dans cette étude de preuve de concept, nous déterminerons les concentrations en phénylalanine et en tyrosine sur les urines de patients atteints ou non de phénylcétonurie. Les données seront d’abord analysées afin de pouvoir discriminer les deux populations puis nous développerons un modèle de prédiction par analyse PLS (régression des moindres carrés partiels).

Raman, FTIR and Synchrotron FTIR imaging of drugs in live cells

Appel d'offre : Royal Society International Exchanges Programme

Durée : 2018-2019

Porteur : Ganesh SOCKALINGUM

Partenaire : Andrew Chan (co-porteur), King’s College London, Londres, Grande-Bretagne

Résumé : Vibrational spectroscopy and spectroscopic imaging have shown great promises for living cells analysis because these techniques are not destructive or disruptive while label-free. FTIR and Raman are complementary tools. Raman and synchrotron FTIR have enough spatial resolutions to analyse sub-cellular features while ATR-FTIR has enough sensitivity to quantify drugs at <10 µg/mL in live cells. However, to date, there is a lack of combined approach for live cells analysis. This project is aimed to realise the synergy of these techniques by establishing collaboration between King’s College London and University of Reims in France. The scope is broad but we will initially focus on the study of drug/metabolite in live cells that are important for understanding drug mechanisms and resistances in chemotherapies.

Searching for spectroscopic markers of Non-Alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD) at single cell level

Appel d'offre : Programme Hubert Curien – Polonium, financement par Campus France

Durée : 2018-2019

Porteur : Ganesh SOCKALINGUM

Partenaire : Malgorzata BARANSKA, Jagiellonian University, Cracovie, Pologne

Résumé : The project is focused on the characterization of changes in liver sinusoidal endothelial cells and hepatocytes at single cell level associated to development of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) with the use of Raman microspectroscopy and imaging. It is a unique tool for investigating very small objects such as single cell and subcellular compartments under physiological conditions. The expected results could be beneficial in terms of understanding of NAFLD pathophysiology and potentially applied for diagnostics. In this study samples are collected from male mice fed with high fat diet (NAFLD model) and with standard diet (control group).

Détection, caractérisation et identification rapide et précoce d'agents bactériologiques par (micro)spectroscopie vibrationnelle

Appel d'offre : Direction Générale de l’Armement (DGA)

Durée : 2016-2019

Porteur : Ganesh SOCKALINGUM

Partenaire : Matthew J BAKER (co-porteur), Université de Strathclyde, Glasgow, Grande-Bretagne

Résumé : La menace portée par les agents bactériologiques est une réalité. Il est donc important de disposer de nouvelles approches permettant leur détection, caractérisation et identification rapide. Cette thèse a pour objectifs de développer la (micro)spectroscopie vibrationnelle comme un tel outil et le travail visera à démontrer cette preuve de concept jusqu’au niveau de l’espèce en utilisant des agents non dangereux. L'identification précoce sera développée via l'analyse de micro-colonies de 30-50 microns âgées de quelques heures et des marqueurs de susceptibilité identifiés via l'action des antibiotiques.

FibIR : Diagnostic de la fibrose hépatique par spectroscopie infrarouge du sérum

Appel d'offre : Région Champagne-Ardenne/FEDER

Durée : 2015-2019

Porteurs : Gérard THIEFIN et Ganesh SOCKALINGUM

Résumé : Le diagnostic et l'évaluation du degré de la fibrose hépatique sont des éléments déterminants de la stratégie thérapeutique chez les patients atteints d’hépatopathie chronique. Jusque récemment, le diagnostic de fibrose hépatique et de son extension reposait sur l’analyse histopathologique d’une biopsie de foie considérée comme l’examen de référence. L’objectif du projet FibIR est de détecter la fibrose hépatique par spectroscopie optique sur sérum. La technologie utilise la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier couplée à une évaluation statistique spécifique basée sur le contenu de l’information spectrale issue de l’échantillon sanguin. Ainsi, le projet vise à une optimisation du pouvoir diagnostique pour différencier les différents stades de fibrose depuis le foie normal (F0) jusqu’au stade de cirrhose (F4).

GLYCANC : Matrix glycans as multifactional pathogenesis factors and therapeutic targets in cancer

Appel d'offre : Union Européenne Horizon 2020

Durée : 2015-2019

Corodinateur : Ganesh SOCKALINGUM

Partenaires : Martin GOTTE (porteur), Université de Münster, Allemagne, et Stéphane BREZILLON (porteur URCA), MEDyC UMR 7369 CNRS, Reims, France

Résumé : Cancer is a leading cause of mortality within the aging European population. Therapeutic targeting is hampered by the complexity of the disease, which includes not only molecular changes within the tumor cell itself, but also within its microenvironment. Proteoglycans (PGs) and glycosaminoglycans (GAGs) – structurally diverse carbohydrates of the extracellular matrix and cell surfaces - have emerged as novel biomarkers and molecular players both within tumor cells and their microenvironment. Importantly, their expression is dysregulated in numerous tumor entities, and has been shown to modulate each of the hallmarks of cancer. We hypothesize that dysregulated function of PGs and GAGs simultaneously affects all molecular steps towards cancer metastasis as a general principle applicable to multiple tumor entities. Pharmacological modulation of their function thus emerges as an attractive multitargeted antitumoral approach which simultaneously acts at multiple levels of disease progression. The GLYCANC consortium aims at performing a detailed structural analysis of PG and GAG glycans in disease using state-of-the art methodology, analysing their regulation via epigenetic mechanisms and microRNAs, and elucidating molecular mechanisms underlying aberrant PG and GAG function. GLYCANC will lead to a deeper understanding of glycan structures and glycan-dependent mechanisms promoting cancer progression, providing the basis for rational multitargeted anticancer approaches.

SpectroDiag Développement de méthodes biophotoniques appliquées aux biofluides pour le diagnostic rapide et non-invasif du cancer

Appel d'offre : Conseil Régional Champagne-Ardenne (50%), University of Central Lancashire, Grande-Bretagne (50%)

Durée : 2014-2017

Porteurs : Ganesh SOCKALINGUM et Gérard THIEFIN

Partenaire : Allison JONES (co-porteur), University of Central Lancashire, Preston, Grande-Bretagne, et Matthew J BAKER (co-porteur), Université de Strathclyde, Glasgow, Grande Bretagne

Résumé : Le pronostic du cancer dépend essentiellement de son stade évolutif au moment du diagnostic. Le dépistage précoce est donc un élément déterminant du pronostic et pour cela, il est important de rechercher de nouveaux outils qui permettraient de développer un test diagnostique rapide et fiable. Le projet SpectroDiag propose d’explorer des méthodologies basées sur l’interaction rayonnement-matière biologique, ici les biofluides pour développer un tel test. Cette étude portera temps sur le diagnostic des pathologies tumorales telles que le carcinome hépatocellulaire et les gliomes. L’identification de marqueurs spectroscopiques par ces techniques pourrait permettre d’aboutir à un test diagnostique rapide, facilement applicable en pratique clinique car reposant sur de simples prélèvements. Un tel test sera peu cher car elle requiert aucun réactif, un personnel peu qualifié et permettra la libération des indispensables ressources économiques dans les centres de santé.