Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir de l'agent infectieux dans l'hôte

1. Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir de l'agent infectieux dans l'hôte Serge BERNARD UR 1282 – IASP 311 Centre INRA de Tours 37380 Nouzilly bernard@tours.inra.fr Master 2 – Infectiologie 10 Septembre 2008

2. méthodes d'imagerie • - Image • Imagerie médicale : • Signaux intrinsèques • Traceurs Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir de l'agent infectieux dans l'hôte l'agent infectieux dans l'hôte - agent infectieux - l'hôte : modèle infectieux

3. Agents Infectieux : Définitions Agent infectieux Ce terme décrit tout agent ayant la capacité de provoquer une infection Infection Une infection est caractérisée par l'invasion anormale de l'organisme par un agent étranger (considéré alors comme agent infectieux). Cet agent infectieux (bactérie ou virus) a un pouvoir pathogène plus ou moins important : il en résulte une maladie infectieuse.

4. Agents Infectieux : Définitions Pathogenèse (syn. : pathogénie) La période pendant laquelle la maladie apparaît, où les différents mécanismes se mettent en place pour aboutir à la maladie La virulenceest une notion quantitative alors que le pouvoir pathogène est une notion qualitative.

5. Agents Infectieux : Définitions • Manifestations de l’infection • multiplication de l’agent infectieux, et/ou invasion de l’organisme • lésions élémentaires des cellules et tissus • troubles métaboliques, perturbations hémodynamiques et circulatoires • inflammation, réaction du système immunitaire • oncologie (cancérologie), dysgénèses (malformations et embryo-fœtopathies) -> Ce sont ces manifestations (de la cellule à l’organe) que l’on pourra suivre

6. Hôte : Modèles animaux • Suivi de l’agent infectieux : • Animal : Infection naturelle / Infection expérimentale • Modèles animaux : Plans expérimentaux affinés pour analyser et décrypter un ou plusieurs facteurs déterminés • Infection expérimentale • Suivi expérimental • Prélèvements, analyses, ….. • => Créer des connaissances nouvelles • Suivi de l’agent infectieux : • Homme : Infection naturelle

7. Agents Infectieux : Modèles animaux Intérêt des modèles animaux Qu’est ce qu’un modèle ? Représentation simplifiée d’un processus ou d’un système qui ne peut pas être étudié pour des raisons éthiques ou techniques sur l’original. Pourquoi un modèle animal ? L’ animal va permettre d’étudier dans des conditions de laboratoires contrôlées, sur des animaux adaptés (trangénèse, KO, ….) les causes , les processus et les traitements éventuels d’une pathologie

8. Agents Infectieux : Modèles animaux Qu’est ce qu’un « bon »modèle ? L’analogie d’un modèle animal avec la pathologie humaine (ou animal) correspondante doit satisfaire au critère d’isomorphisme Symptômes Le modèle animal doit présenter des symptômes identiques avec ceux de la pathologie humaine compte tenu des différences anatomiques, physiologiques ...

9. Agents Infectieux : Modèles animaux Qu’est ce qu’un « bon »modèle ? Symptomes Mécanismes La connaissance initiale ( souvent faible) des mécanismes de la pathologie permet une comparaison qui s’affine avec l’utilisation du modèle ( et donc une meilleure connaissance des mécanismes)

10. Agents Infectieux : Modèles animaux Qu’est ce qu’un « bon »modèle ? Symptômes Mécanismes Causes les causes de la pathologie humaine n’étant pas toujours connues (exemple maladies neurodégénératives) la comparaison est souvent délicate et l’analogie difficile à établir

11. Agents Infectieux : Modèles animaux Qu’est ce qu’un « bon »modèle ? Symptômes Mécanismes Causes Traitements Si l’on dispose de pharmaceutiques dont on connaît l’effet sur la pathologie humaine , le modèle animal doit également y répondre de la même manière.

12. Agents Infectieux : Modèles animaux Qu’est ce qu’un « bon »modèle ? Tout dépenddu niveau de complexité et de globalité que l’on souhaite étudier - Expression génique - Observation cellulaire - Organisation tissulaire - Interaction cellulaires et tissulaire - …. - Réaction globale de l’organisme il n’existe pas de modèle parfait et il faut se garder d’extrapoler trop directement des résultats obtenus chez le rongeur

13. Agents Infectieux : Modèles animaux Qu’est ce qu’un « bon »modèle ? • Autres critères de choix • - Problèmes économiques, • - Problèmes logistiques, • - Problèmes éthiques

14. Agents Infectieux : Modèles animaux Expérimentation animale et éthique : Règle des 3 R Remplacement Réduction Raffinement Malheureusement, pour certaines études, et notamment pour l’évaluation pré-clinique des nouvelles thérapeutiques, il n’est pas possible de s ’affranchir des études sur modèles animaux.

15. L’imagerie médicale "Voir à l'intérieur du corps sans lui nuire"... C’était le rêve d’ Hippocrate, ce médecin grec de l'Antiquité, …. … rêve devenu réalité de puis la fin du XIXème siècle L'imagerie médicale est le procédé par lequel un médecin peut examiner l'intérieur du corps d'un patient sans l'opérer. Utilisation à des fins - cliniques (diagnostic ou traitement de pathologies) - de recherche scientifique étudiant la physiologie des êtres vivants.

16. L’imagerie médicale Le principe de l'imagerie médicale Le but de l'imagerie médicale est de créer une représentation visuelle intelligible d'une information à caractère médical. L'objectif : représenter sous un format relativement simple une grande quantité d'informations issues d'une multitude de mesures acquises.

17. L’imagerie médicale Imagerie : images Le traitement de l'image

18. L’imagerie médicale Le traitement de l'imagerie médicale L’image est véhiculée par des photons et l’ordinateur ne gère que de chiffres entiers. • Transformation d’un signal continu analogique en signal discontinu (digital)

19. 7 pixels par cm 30 pixels par cm Image matricielle/vectorielle • La résolution • Le codage • Les couleurs • Les formats • La résolution • Le codage • Les couleurs • Les formats

20. 1 bit pour 1 pixel (0 pour noir, 1 pour blanc) 8 bits = 1 octet: 256 possibilités (on dit 256 niveaux de gris) 10 000 pixels : 10 000 bits 10 000 pixels : 2 560 000 octets Le codage de l'information L'information est codée en binaire un même élément -> 2 états différents : mémoire élémentaire ou bit 1 bit : 2 possibilités 0/1 ou noir/blanc2 bits : 2x2 = 4 possibilités : 00/01/10/113 bits : 2x2x2 = 8 possibilités : 000/001/010/011/100/101/110/1118 bits : 2x2x2x2x2x2x2x2 = (2)8 = 256 possibilités (octet)

21. La synthèse additive de la lumière, ou le mode RVB Une image RVB est composée de la somme de trois rayonnements lumineux rouge, vert, et bleu dont les faisceaux sont superposés. les trois couleurs "primaires" sont le cyan (C) , le magenta (M) et le jaune (J) renforcer par un quatrième passage d'encre noire (N). La gamme des couleurs reproductibles est très étendue, et reproduit bien les couleurs saturées.mais elle convient mal à la restitution des nuances délicates des lumières intenses et des tons pastels. Les encres déposées sur le papier agissent comme des filtres qui absorbent la lumière. Codage d'une image en couleurs La synthèse soustractive de la lumière, ou le mode CMJN • Autres espaces : HSL (TSL : Teinte, Saturation, Luminance)

22. en couleurs 24 bits Codage image en couleurs 8 bits 8 bits par couleur : le rouge de 0 à 255 , le vert de 0 à 255, le Bleu de 0 à 255. 256 octet à partager (palette de 256 couleurs) :- rouge : 0 à 84 , - vert de 0 à 84, - Bleu de 0 à 84 Ces 256 couleurs sont choisies parmi une palette de couleur RVB. Pour chaque image le programme recherche les 256 couleurs les plus pertinentes. addition de ces 3 couleurs primaires en proportions convenables.On obtient ainsi 256 x 256 x 256 = 16777216 (plus de 16 millions de couleurs différentes)

23. Image numérique vectorielle Images décrites par un ensemble de formes Ex : Rond’coul=bleu,ray10,pos(20,20) + ligne’col=rouge,pos=(10,10), pos=(30,30)

25. Imagerie in vivo • Intérêt des techniques d’imagerie in vivo • Évitent le sacrifice de l’animal • Permettent d’obtenir sur un même et unique animal des images 2D ou 3D • Autorise un suivi dans le temps d’un même animal (non invasif) • Vision globale sur un organe, ou le corps entier • Permet l’étude d’une maladie ou d’un traitement sur un individu, (plus de différences interindividuelles qui nécessitent une normalisation). • Différents techniques à disposition

26. Imagerie in vivo • Inconvénients des techniques d’imagerie in vivo • Vision globale (minimum cellulaire) • technique apporte des informations spécifiques inhérentes à l’appareil • Nécessiter d’utiliser différentes approches (techniques généralement complémentaires) • Nécessite un appareillage complexe et onéreux, • Nécessité d’avoir un appareillage dédié pour les animaux de laboratoire,

27. Souvent son propre modèle Pas de transposition essai en grandeur nature Modèle sur animal de laboratoire Problèmes économiques, Problèmes logistiques, Problèmes éthiques Imagerie in vivo : Animal domestique • Imagerie animal domestique • Evite le sacrifice de l’animal • Pour les mammifères domestiques pas de miniaturisation de l’équipement • Actuellement utilisation des réactifs humains pour l’animal Choix du modèle

28. Imagerie in vivo : Animal de laboratoire Faible dimension des organes et des structures : Haute résolution spatiale Faible concentration des molécules à détecter : Haute sensibilité • si l’on gagne un facteur 10 en résolution spatiale sur les 3 dimensions, on aura un  voxel qui sera 1000 fois plus petit Anesthésie : Suivi des paramètres physiologiques Ces contraintes imposent le développement d’appareils dédiés à l’imagerie des petits animaux

29. Principes physiques des différents procédés utilisés en imagerie médicale : utilisation des ondes électromagnétiques US

30. Introduction L’imagerie médicale Les différentes techniques d'imagerie médicale - informations sur l’anatomie des organes (leur taille, leur volume, leur localisation, la forme d’une éventuelle lésion, etc.) imageriestructurelle ou anatomique - informations sur le fonctionnement des organes (la physiologie, le métabolisme, etc.), pharmacologie, biodistribution, « imagerie moléculaire ». imagerie fonctionnelle.

31. Introduction L’imagerie médicale Les différentes techniques d'imagerie médicale Imagerie anatomique/structurelle • Détection de signaux intrinsèques à l’organisme • - visible • - Imagerie basées sur les rayons X (radiologie conventionnelle, radiologie 3D ou CT-scan, tomodensitomètre, angiographie, ...) • - méthodes échographiques (qui utilisent les ultra-sons). • - Imagerie tomographique par résonance magnétique(IRM)

32. Introduction L’imagerie médicale Les différentes techniques d'imagerie médicale Imagerie fonctionnelle/moléculaire Détection d’un traceur spécifique d’une cible biologique • Imagerie nucléaire (TEP, TEMP) basés sur l'émission de rayons gamma par des traceurs radioactifs, • imagerie par Fluorescence et Bioluminescence basés sur l'émission de rayons lumineux par des traceurs fluorescent ou luminescent • techniques d’électrophysiologies (en particulier en lien avec l'activité nerveuse) ou encore les mesures thermographiques, mais aussi d’IRM fonctionnel (IRMf), ou X avec agents de contraste

33. Imagerie anatomique Les rayons visibles : imagerie Optique ou photonique US

34. Imagerie anatomique Les rayons visibles : imagerie Optique ou photonique • L’imagerie optique des tissus se divise en trois catégories principales : • - imagerie de surface • - imagerie sub-surface • - surfaces accessibles du corps : Organes creux internes (cavité buccale, bronches, tractus gastro-intestinal, vessie, appareil reproducteur féminin) • - endoscopie : émission et/ou captation de la lumière avec une fibre optique • - imagerie de volume. • biais de sources et de détecteurs de lumière multiples (couplés à de la fibre optique) placés autour de la cible (exemple sein ou cerveau) • L’imagerie optique des tissus se divise en trois catégories principales : • - imagerie de surface (Observations visuelles, photos • Explorations macroscopiques visuelles,  • microscopique de surface • - Prélèvements, Biopsie sous contrôle de la vue

35. Imagerie anatomique Les rayons visibles : imagerie Optique ou photonique

36. Imagerie anatomique Les rayons X (RX) l=10-9 m US

37. •Röntgen, 1896 Imagerie anatomique Les rayons X (RX) l=10-9 m Technique de radiographique traditionnelle. Les rayons résiduels (ceux qui auront traversé le corps) provoquent le noircissement du film placé derrière la table de radiographie

39. Imagerie anatomique Les rayons X (RX) l=10-9 m Technique de radiographique traditionnelle. Les rayons résiduels (ceux qui auront traversé le corps) provoquent le noircissement du film placé derrière la table de radiographie Technique nouvelle de radiographie Les films radiographiques peuvent être remplacés par des détecteurs électroniques, ce qui permet une numérisation et donc un traitement informatique des images obtenues en radiographie.

44. Imagerie anatomique Les rayons X (RX) l=10-9 m Technique de radiographique traditionnelle. Les rayons résiduels (ceux qui auront traversé le corps) provoquent le noircissement du film placé derrière la table de radiographie Technique nouvelle de radiographie Les films radiographiques peuvent être remplacés par des détecteurs électroniques, ce qui permet une numérisation et donc un traitement informatique des images obtenues en radiographie. Radiographie de contraste Il est aussi possible de visualiser certains organes ou parties creuses, habituellement invisibles aux rayons X, en les « remplissant » d’un produit de contraste, opaque aux rayons X.

45. (1904) Les rayons X : L’angiographie Injection dans la circulation d’un produit de contraste opaque aux rayons X -> visualiser la vascularisation • Angiographie numérisée (2007): • artères coronaires

46. Imagerie anatomique : Agents infectieux Les rayons X (RX) Tuberculose pulmonaire

47. Maladie à champignon chez le chien Pneumonie à Rhdococcus equi chez le poulain

48. Imagerie anatomique Les rayons X (RX) conventionnels : Bilan • • Information anatomique • • Bonne résolution spatiale (~ 0,5mm) • • Des précautions doivent être prises pour • – le patient (dose et région exposée bien définies) • – le radiographe (mesure et contrôle des doses subies) • •Représente 70% des actes d’imagerie La troisième dimension de l’espace est perdue: image = projection 2D de structures 3D

49. Imagerie tomographique (3D) (tomein signifiant « couper » en grec).

50. Imagerie tomographique (3D)