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Introduction : les promesses de la spectroscopie optique dans la prise en charge du cancer
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Le cancer est un problème majeur de santé publique dans les pays industrialisés. Il représente la première cause de mortalité en France [1Hill C., Doyon F. Fréquence du cancer en France : évolution de la mortalité depuis 1950 et résumé du rapport sur les causes du cancer Bull Cancer 2008 ; 95 (1) : 5-10
Cliquez ici pour aller à la section Références]. Malgré tous les progrès diagnostiques et thérapeutiques, la mortalité globale par cancer n’a que peu diminué au cours des 30 dernières années.
Une des principales limites dans l’évaluation des tumeurs est qu’il existe de grandes disparités d’évolution entre des maladies qui présentent des aspects cliniques et pathologiques identiques. Ces différences sont très certainement dues à des variations moléculaires que les techniques actuelles ne sont pas capables de détecter.
Depuis de nombreuses années, la recherche oncologique a évalué de multiples biomarqueurs histologiques, génomiques et/ou protéomiques dans le but d’améliorer le diagnostic, la classification et le traitement des tumeurs malignes. Les journaux scientifiques abondent tous les mois de nouveaux marqueurs qui laissent entrevoir l’émergence d’une médecine individualisée où les décisions seraient prises pour chaque patient en fonction de paramètres diagnostiques et pronostiques précis établissant une « carte d’identité » de la tumeur et prédisant la réponse thérapeutique. Néanmoins, si les avancées scientifiques sont réelles, les obstacles restent nombreux et très peu de biomarqueurs sont utilisés en pratique clinique [2Bensalah K., Montorsi F., Shariat S.F. Challenges of cancer biomarker profiling Eur Urol 2007 ; 52 (6) : 1601-1609 [cross-ref]
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Il apparaît donc plus que jamais nécessaire d’explorer de nouvelles voies pour évaluer les tumeurs malignes. Cet article a pour but de présenter les méthodes de spectroscopie qui utilisent l’interaction de la lumière avec les tissus, de détailler leurs résultats dans l’étude des cancers urologiques et d’entrevoir les promesses qu’elles portent.
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La spectroscopie : que la lumière soit sur les tissus !
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La spectroscopie optique (SO) fait référence à un groupe de nouvelles technologies qui analysent l’interaction de la lumière avec les cellules et les tissus pour obtenir des informations sur leur structure, leur composition chimique ou leur fonction. La SO peut différencier un tissu normal d’un tissu tumoral mais aussi les tumeurs bénignes des tumeurs malignes.
Il existe trois types de spectroscopie :
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la spectroscopie de fluorescence : le tissu reçoit une lumière de faible longueur d’onde (par exemple une lumière bleue ou ultraviolette) et la renvoie à une longueur d’onde plus importante (par exemple jaune ou rouge). Ce type de SO est utilisé pour obtenir des informations sur des fluorophores endogènes (tryptophane, tyrosine, collagène, porphyrines) ou exogènes (molécules fluorescentes injectées par voie intraveineuse) [ 3DaCosta R.S., Andersson H., Wilson B.C. Molecular fluorescence excitation-emission matrices relevant to tissue spectroscopy Photochem Photobiol 2003 ; 78 (4) : 384-392 [cross-ref]
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la SO par réflectance utilise une source de lumière blanche avec laquelle on illumine l’échantillon que l’on veut analyser. Lorsqu’elle traverse le tissu, la lumière est dispersée puis réfléchie vers une sonde collectrice. Les photons sont déviés par les composants cellulaires, plus particulièrement les mitochondries et les noyaux, ou absorbés par les chromophores naturellement présents dans les tissus (l’hémoglobine est le chromophore prépondérant). La sonde détecte ces changements d’énergie qui sont restitués à travers une interface informatique sous forme d’un spectre optique ( Figure 1, Figure 2) ; |
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la spectroscopie de Raman repose sur un principe physique selon lequel la plupart de la lumière est dispersée de façon élastique : la lumière réfléchie a la même longueur d’onde que la lumière incidente. Cependant, une petite fraction de la lumière est réfractée de façon inélastique (réfraction de Raman), c’est-à-dire avec de faibles variations de longueur d’onde. Ces variations d’amplitude de longueur d’onde sont dues à l’interaction des photons incidents avec des groupes chimiques de type amide, méthyle ou encore avec les acides nucléiques ou les protéines. L’avantage du spectre Raman est qu’il comporte beaucoup plus d’informations (sous forme de pics et de vallées, Figure 3, Figure 4) qu’un spectre de réflectance. Ainsi on peut espérer analyser de façon plus fine et plus complète la structure et la biochimie des tissus [ 4Ntziachristos V., Bremer C., Weissleder R. Fluorescence imaging with near-infrared light: new technological advances that enable in vivo molecular imaging Eur Radiol 2003 ; 13 (1) : 195-208
Cliquez ici pour aller à la section Références, 5Petry R., Schmitt M., Popp J. Raman spectroscopy--a prospective tool in the life sciences Chemphyschem 2003 ; 4 (1) : 14-30 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. La plupart des mesures Raman sont faites avec une source optique infrarouge (NIR), qui diminue l’excitation due à la fluorescence spontanée du tissu tout en permettant une meilleure pénétration en profondeur. |
Figure 1.
Représentation de spectres de réflectance optique à partir de mesures faites sur des tumeurs du rein. En abscisse est figurée la longueur d’onde (en nm) et en ordonnée l’intensité du signal. On voit une différence globale des caractéristiques optiques des courbes bénignes et malignes.
Figure 2.
Dispositif de spectroscopie portable de réflectance.
Figure 3.
Spectre optique d’une tumeur rénale (carcinome à cellules claires) acquis par spectroscopie de Raman.
Figure 4.
Dispositif d’acquisition des spectres Raman. En haut à gauche est représentée la sonde qui acquière le signal. Celui-ci est transmis au spectromètre qui est lui-même relié à un portable qui montre le signal obtenu en temps réel.
La SO est capable d’identifier les différences de structure et de composition chimique. Les spectres obtenus sont directement fonction de la composition moléculaire et de l’architecture du milieu et représentent une « empreinte » tissulaire spécifique. La SO a donc été évaluée dans de nombreuses tumeurs solides. Elle apparaît comme prometteuse pour l’évaluation de l’œsophage de Barret [6Lovat L., Bown S. Elastic scattering spectroscopy for detection of dysplasia in Barrett’s esophagus Gastrointest Endosc Clin North Am 2004 ; 14 (3) : 507-517ix.
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Cliquez ici pour aller à la section Références], des cancers de la cavité buccale [7Heintzelman D.L., Utzinger U., Fuchs H., Zuluaga A., Gossage K., Gillenwater A.M., et al. Optimal excitation wavelengths for in vivo detection of oral neoplasia using fluorescence spectroscopy Photochem Photobiol 2000 ; 72 (1) : 103-113 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références], des tumeurs cérébrales [8Toms S.A., Konrad P.E., Lin W.C., Weil R.J. Neuro-oncological applications of optical spectroscopy Technol Cancer Res Treat 2006 ; 5 (3) : 231-238 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références], du cancer cervical [9Mitchell M.F., Cantor S.B., Ramanujam N., Tortolero-Luna G., Richards-Kortum R. Fluorescence spectroscopy for diagnosis of squamous intraepithelial lesions of the cervix Obstetr Gynecol 1999 ; 93 (3) : 462-470 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références] et des cancers cutanés [10Chwirot B.W., Chwirot S., Sypniewska N., Michniewicz Z., Redzinski J., Kurzawski G., et al. Fluorescence in situ detection of human cutaneous melanoma: study of diagnostic parameters of the method J Invest Dermatol 2001 ; 117 (6) : 1449-1451 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références].
La SO possède plusieurs avantages qui en font une technique particulièrement intéressante :
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c’est une méthode simple ;
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elle n’est pas invasive ;
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elle n’entraîne aucune toxicité ce qui la rend facilement utilisable chez l’être humain ;
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elle donne des résultats en temps réel qui peuvent être interprétés grâce à des algorithmes informatiques qui analysent le signal optique et donnent un diagnostic avec une précision significative (de l’ordre de 85 à 90 %) et 5).
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Cette information peut être restituée sous forme simple (à travers une interface informatique) aisément utilisable en pratique clinique. La SO peut ainsi être considérée comme un outil de « biopsie optique » dont les applications cliniques potentielles sont nombreuses.
Néanmoins, il s’agit de technologies très récentes et les études qui ont été publiées sont des petites études de phase I qui n’ont été faites qu’in vitro ou sur des spécimens chirurgicaux ex vivo. Des études complémentaires sont donc nécessaires avant d’envisager le transfert de ces technologies dans la pratique quotidienne. Néanmoins, il ne s’agit pas d’une utopie car des systèmes d’assistance chirurgicale optique sont déjà en cours d’évaluation in vivo pour l’aide à la résection de tumeurs cérébrales [8Toms S.A., Konrad P.E., Lin W.C., Weil R.J. Neuro-oncological applications of optical spectroscopy Technol Cancer Res Treat 2006 ; 5 (3) : 231-238 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références, 11Lin W.C., Toms S.A., Motamedi M., Jansen E.D., Mahadevan-Jansen A. Brain tumor demarcation using optical spectroscopy; an in vitro study J Biomedical Opt 2000 ; 5 (2) : 214-220 [cross-ref]
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La spectroscopie en urologie
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C’est la SO de Raman qui a été principalement étudiée dans le cancer prostatique. Une étude in vitro a mis en évidence que la SO de Raman pouvait identifier avec une excellente précision (sensibilité et spécificité > 95 %) différents types de lignées cellulaires prostatiques en fonction de leur agressivité (caractérisée par leur différenciation et leur hormono-sensibilité) [12Crow P., Stone N., Kendall C.A., Uff J.S., Farmer J.A., Barr H., et al. The use of Raman spectroscopy to identify and grade prostatic adenocarcinoma in vitro Br J Cancer 2003 ; 89 (1) : 106-108 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. La même équipe a ensuite fait des mesures ex vivo sur des échantillons congelés de prostate provenant de 38 patients [13Crow P., Molckovsky A., Stone N., Uff J., Wilson B., WongKeeSong L.M. Assessment of fiberoptic near-infrared raman spectroscopy for diagnosis of bladder and prostate cancer Urology 2005 ; 65 (6) : 1126-1130 [inter-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. Les spectres Raman étaient significativement différents selon que le tissu était bénin (HBP et/ou prostatite) ou malin (adénocarcinome Gleason 6 à 9). Un algorithme élaboré à partir des différences spectrales a permis de différencier tissu prostatique bénin et malin avec une précision globale de 85 %.
Une étude analysant l’intérêt de la SO par réflectance pour l’étude de pièces de prostatectomie radicale a récemment été rapportée et a montré qu’elle pouvait différencier les tissus prostatique normal et tumoral ex vivo [14Sharma V., Kashyap D., Mathker A., Narvenkar S., Bensalah K., Kabbani W., et al. Optical reflectance spectroscopy for detection of human prostate cancer Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2009 ; 1 : 118-121 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références].
La SO pourrait être une alternative intéressante pour établir le grade tumoral des cancers prostatiques et constituer une assistance pour l’anatomo-pathologiste lors de son analyse. On peut aussi envisager de développer une sonde optique qui guiderait la réalisation des biopsies de façon à augmenter la sensibilité en cas de suspicion de cancer. Sur le plan chirurgical, une application potentielle pourrait être d’utiliser la SO lors de la prostatectomie radicale pour éviter les marges d’exérèse positives.
Dans une étude in vitro, la SO de Raman pouvait distinguer efficacement trois groupes de tissu vésical : normal, inflammatoire (cystite) et tumoral (CIS et carcinome urothélial) [15Crow P., Uff J.S., Farmer J.A., Wright M.P., Stone N. The use of Raman spectroscopy to identify and characterize transitional cell carcinoma in vitro BJU Int 2004 ; 93 (9) : 1232-1236 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. Au sein des échantillons tumoraux, les algorithmes établis à partir des spectres pouvaient différencier de façon précise les tumeurs de bas grade (G1G2) des tumeurs de haut grade (G3) ainsi que les stades pTa des stades pT1 et pT2.
Une équipe anglaise a analysé des échantillons de tissu vésical provenant de 29 patients (11 normaux, huit cystites inflammatoires et dix carcinomes urothéliaux) [13Crow P., Molckovsky A., Stone N., Uff J., Wilson B., WongKeeSong L.M. Assessment of fiberoptic near-infrared raman spectroscopy for diagnosis of bladder and prostate cancer Urology 2005 ; 65 (6) : 1126-1130 [inter-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. En comparant les spectres moyens bénins et malins, plusieurs différences significatives dans l’amplitude des pics ont été mises en évidence. Les algorithmes dérivés de ces spectres ont montré que la SO de Raman pouvait différencier tissu tumoral et tissu bénin (normal et cystite) avec une précision de 84 %. La sensibilité pour détecter les tissus bénins (89 %) était supérieure à la sensibilité de diagnostic les tissus malins (79 %).
Compte tenu de ces performances, la SO Raman pourrait être à l’avenir une technique prometteuse pour différencier des plages de tissu tumoral ou inflammatoire en combinaison avec la cystoscopie par fluorescence utilisant l’acide 5-aminolevulinique [16Irani J. Prise en charge des carcinomes vésicaux Ta, T1 et du carcinome in situ : quoi de neuf ? Prog Urol 2008 ; 18 (Suppl. 5) : S94-S98 [inter-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. D’un point de vue pratique, les sondes Raman pourraient tout à fait être utilisées à travers le canal opérateur d’un cystoscope.
Parekh et al. ont été les premiers à décrire l’intérêt de la SO pour l’analyse des tumeurs du rein. Ils ont utilisé une combinaison de SO par réflectance et de fluorescence pour caractériser dix tumeurs du rein (six carcinomes à cellules claires, trois papillaires et un néphrome kystique) [17Parekh D.J., Lin W.C., Herrell S.D. Optical spectroscopy characteristics can differentiate benign and malignant renal tissues: a potentially useful modality J Urol 2005 ; 174 (5) : 1754-1758 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. Leur conclusion était que les signatures optiques des tissus sains différaient significativement de celles des tissus rénaux tumoraux ex vivo. La même équipe a rapporté une étude sur un modèle animal porcin et établi que la SO pouvait différencier significativement les degrés de lésions thermiques secondaires à la radiofréquence [18Parekh D.J., Chiang L.W., Herrell S.D. In vivo assessment of radio frequency induced thermal damage of kidney using optical spectroscopy J Urol 2006 ; 176 (4 Pt 1) : 1626-1630 [cross-ref]
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L’équipe d’urologie de Dallas a ensuite successivement publié deux études portant sur 21 patients chez qui des mesures étaient faites ex vivo sur des reins tumoraux juste après néphrectomie partielle ou totale :
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dans la première publication, ils ont mis en évidence que la SO par réflectance pouvait clairement distinguer le tissu rénal tumoral du parenchyme sain [ 19Bensalah K., Tuncel A., Peshwani D., Zeltser I., Liu H., Cadeddu J. Optical reflectance spectroscopy to differentiate renal tumor from normal parenchyma J Urol 2008 ; 179 (5) : 2010-2013 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. Le principal intérêt de cette observation est que sur dix patients ayant eu une néphrectomie partielle, la SO a pu efficacement détecter l’unique cas où la marge d’exérèse passait en tissu tumoral ( Figure 5) ; |
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dans la deuxième publication, ils ont rapporté que la SO pouvait significativement différencier les tumeurs rénales malignes (carcinome à cellules claires et papillaires) et bénignes (six oncocytomes) [ 20Bensalah K., Peswani D., Tuncel A., Raman J.D., Zeltser I., Liu H., et al. Optical reflectance spectroscopy to differentiate benign from malignant renal tumors at surgery Urology 2009 ; 73 (1) : 178-181 [inter-ref]
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Figure 5.
Comparaison de spectres de réflectance dans la région infra-rouge pour deux types de tumeurs rénales traitées par chirurgie partielle : (1) La première retirée avec une marge négative ne montre pas le même profil que la deuxième pour laquelle la marge d’exérèse passe en tissu tumoral. Les numéros correspondent à des localisations identiques où les mesures optiques ont été faites.
On peut dans cet optique envisager que la SO puisse devenir un outil d’assistance à la chirurgie partielle en permettant de s’assurer que la marge d’exérèse passe en tissu sain. En cas de doute sur un reliquat tumoral, le chirurgien pourrait rapidement décider de faire une recoupe sans majorer de façon importante le temps d’ischémie chaude. On pourrait aussi imaginer la SO comme un complément à l’analyse de biopsies de petites masses rénales car l’examen histologique manque toujours de spécificité [21Volpe A., Kachura J.R., Geddie W.R., Evans A.J., Gharajeh A., Saravanan A., et al. Techniques, safety and accuracy of sampling of renal tumors by fine needle aspiration and core biopsy J Urol 2007 ; 178 (2) : 379-386 [cross-ref]
Cliquez ici pour aller à la section Références]. Enfin, lors de la chirurgie de petites lésions, l’examen optique peropératoire pourrait orienter la stratégie opératoire : en cas de suspicion importante de tumeur bénigne, le chirurgien pourrait décider de faire une thermoablation (par cryothérapie ou radiofréquence) de façon à éviter la résection tumorale et diminuer la morbidité.
La SO est une nouvelle technologie qui envisage l’analyse des tumeurs sous un angle nouveau. Ses applications potentielles sont prometteuses notamment dans le domaine de l’urologie où elle pourrait représenter une aide au diagnostic histologique ainsi qu’un dispositif d’assistance chirurgicale. On ne peut donc qu’encourager les urologues à s’investir dans ce nouveau domaine de recherche.
Les auteurs n’ont pas transmis de conflit d’intérêt.
Ce travail a été partiellement financé par une bourse de l’ANR.
