Stephen Lee, stagiaire postdoctoral, effectue une démonstration des capacités de la sonde à ultrasons. (Photo : Martin Primeau)

Diagnostiquer certains troubles du cerveau demeure l’un des grands défis de la médecine moderne. La maladie d’Alzheimer et la démence vasculaire, par exemple, restent imperceptibles lors des premiers stades de leur évolution. Il en va de même pour les dommages engendrés par certains types d’AVC qui, bien que mineurs, annoncent souvent des événements plus problématiques.

Si ces conditions ne mènent pas immédiatement à l’apparition de symptômes perceptibles, elles engendrent tout de même des changements subtils dans les cerveaux affectés. Dans les capillaires, le sang ne circule plus comme avant. Les globules rouges y font même parfois des arrêts. Une situation potentiellement fatale pour les cellules environnantes si la situation perdure, étant privées à la fois de nutriments et d’oxygène et d’une voie pour éliminer leurs déchets.

Savoir que le phénomène existe ne représente qu’une étape, mais encore faut-il pouvoir le détecter. Le hic, c’est qu’il s’opère à une échelle si fine qu’il échappe aux outils d’imagerie médicale actuels. Une nouvelle approche en développement laisse cependant entrevoir une percée dans ce domaine. Son nom : la microscopie de localisation ultrasonore (ULM).

Repousser les limites du visible par des ultrasons

Comme pour une échographie, l’ULM permet de visualiser ce qui se déroule à l’intérieur du corps à l’aide d’une sonde à ultrasons qu’on appose sur la peau. Ici, on ne cherche toutefois pas à découvrir les traits d’un futur bébé ou l’état de santé d’un appendice, mais plutôt à cartographier l’état du système sanguin en suivant le déplacement de fines bulles à travers les vaisseaux sanguins. Des bulles déjà couramment utilisées en cardiologie.

L’approche a tout pour réussir, mais en pratique, elle se heurte encore à quelques obstacles. Certains d’entre eux viennent d’être surmontés par l’équipe de Jean Provost, professeur titulaire au Département de génie physique de Polytechnique Montréal.

« La microscopie par ultrasons est limitée d’abord par la résolution des images qu’elle produit, explique le professeur Provost. Les capillaires sanguins sont si petits qu’ils ne laissent passer qu’un globule rouge ou une microbulle à la fois, et c’est déjà plus petit que la limite de résolution. »

À cet obstacle s’en ajoute un autre, celui-là d’ordre temporel. Comme les microbulles passent rarement dans un capillaire, obtenir une image précise de ceux-ci nécessite plusieurs minutes de temps d’acquisition de façon à obtenir suffisamment d’images de microbulles différentes pour obtenir un tracé complet d’un réseau de capillaires. Un aspect qui rend l’approche plus difficile à implanter.

Le chercheur postdoctoral Stephen Lee était bien au fait de ces enjeux lorsqu’il a rejoint le laboratoire de Polytechnique Montréal en 2022. Il s’était même donné pour mission de trouver une solution.

« On savait que les informations permettant d’imager les capillaires se trouvaient déjà dans chacune des images d’une certaine façon, explique l’Américain d’origine. Le défi, c’était de trouver une façon d’extraire cette information. »

Pour y arriver, il a suggéré une approche radicalement différente : plutôt que de reconstruire les images à partir de toutes les microbulles photographiées au cours d’un temps d’acquisition prolongé, peut-être que suivre le déplacement d’une seule microbulle suffirait.

Et il avait raison.

Une approche qui change la donne

Vidéo extraite de l'article de PNAS qui montre comment l'approche par « rapporteurs capillaires » SCaRe permet de visualiser chaque capillaire individuellement. (Source : Stephen Lee)
 

L’idée de Stephen était la suivante : si on est capable de suivre une microbulle depuis une artère jusqu’à une veine, elle aura nécessairement transité par un capillaire. Il suffisait donc de suivre une même microbulle pour observer une signature dynamique caractéristique : vitesse élevée dans les artères, vitesse très lente dans les capillaires, puis vitesse de nouveau élevée dans les veines. Cette signature en forme de « U » devient une sorte d’empreinte fonctionnelle.

C’est de cette idée qu’est né l’approche baptisée « rapporteurs capillaires », ou Single Capillary Reporters (SCaRe) en anglais, dont les secrets sont dévoilés dans un article dévoilé dans l’édition d’aujourd’hui du prestigieux magazine PNAS.

Plutôt que de considérer chaque microbulle comme un simple point servant à reconstruire une représentation complète d’un capillaire, les chercheurs analysent son déplacement d’image en image pour obtenir sa trajectoire et mesurer le changement de sa vitesse de déplacement. Lorsque la microbulle ralentit ou s’arrête temporairement, c’est qu’elle est en train de traverser un capillaire tout simplement.

L’approche SCaRe permet ainsi d’imager le capillaire, mais ce n’est pas tout. Elle permet aussi de comprendre son état de santé en estimant le temps que met une microbulle à le traverser. Le groupe en a fait la démonstration sur un modèle de neuroinflammation chez la souris, en plus de valider le tout par des simulations informatiques.

« On soupçonne qu’un phénomène baptisé “stalling”, où la circulation arrête temporairement dans le capillaire, est annonciateur de problèmes à venir, explique Jean Provost. Notre équipe a réussi à visualiser pour la première fois ce phénomène par microscopie à ultrasons. »

Selon les deux chercheurs, SCaRe ne transforme pas encore l’ULM en outil hospitalier clé en main. Les temps d’acquisition restent longs, le traitement des données complexe, et l’imagerie 3D demeure un objectif à atteindre. Mais en montrant qu’il est possible d’extraire de l’information fonctionnelle pertinente à partir d’événements rares, cette approche change profondément la donne. Elle permet d’envisager concrètement l’utilisation de l’ULM pour détecter des signes avant-coureurs de maladies neurodégénératives, et ce, sans que l’on doive ouvrir une boîte crânienne.

L’équipe de Jean Provost mettra d’ailleurs son approche en valeur au cours des prochains mois en collaboration avec des centres hospitaliers montréalais.

En savoir plus

L’article « Assessing cerebral capillary function and stalling using single capillary reporters in ultrasound localization microscopy » publié dans PNAS (en anglais)
Fiche d’expertise du professeur Jean Provost
Site web du Département de génie physique