ATLAS DU COEUR

Une imagerie unique du cœur humain :

Une cartographie 3D de l’organe aux cellules grâce à une technique synchrotron

Des chercheurs de University College London (UCL) et du Synchrotron Européen de Grenoble (ESRF) ont, pour la première fois, imagés en 3D deux cœurs humains adultes, un provenant d’un donneur sain et l’autre d’un donneur malade, allant de l’organe complet jusqu’au niveau des cellules du cœur.

Cette cartographie avec un niveau inédit de détails a été réalisée en utilisant une technique d’imagerie synchrotron novatrice développée à l’ESRF, appelée HiP-CT pour ‘Hierarchical Phase-Contrast Tomography’. Cet atlas du cœur, qui représente une avancée majeure pour l’anatomie, pourrait permettre de développer des traitements pour des maladies telles que l'arythmie ou les malformations  cardiaques. Les résultats sont publiés dans Radiology.

Dans les études sur le cœur humain, les chercheurs utilisent habituellement des techniques d’imagerie médicale, comme les Ultrasons, la Tomodensitométrie (TDM) ou l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Si ces méthodes sont adaptées pour diagnostiquer des maladies cardiovasculaires, elles ne fournissent pas de détails suffisants pour comprendre d’éventuels changements structurels aux différentes échelles de l’organe. Les scientifiques utilisent alors l’histologie, ce qui implique de découper en tranches les organes des donneurs. Bien que cette méthode fournisse des données plus détaillées, cela ne permet pas d’avoir une vue globale au niveau de l’organe.

La nouvelle méthode d’imagerie synchrotron, développée à l’ESRF, appelée Hip-CT, a permis de surmonter ces limites et offre, avec une seule technique, une cartographie d’ensemble détaillée et complète en 3D d’un cœur humain adulte, de l’organe jusqu’au niveau cellulaire. « HiP-CT nous offre une vue globale des organes à une résolution inédite, permettant de réduire le manque d’informations qui existaient entre l’imagerie médicale traditionnelle et l’histologie » explique Peter Lee, Professeur à UCL (University College London), leader du projet HiP-CT.

L’équipe scientifique internationale dirigée par UCL et l’ESRF, et incluant le Wellcome Sanger Institute, Siemens Healthineers, Great Ormond Street Hospital, Hannover Medical School, Aachen Medical University, Helios University Clinic Wuppertal, University Medical Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, et le Laboratoire d’Anatomie des Alpes Françaises (LADAF), a imagé deux cœurs adultes  entiers, l’un provenant d’un donneur sain et l’autre d’un donneur malade, sur la ligne de lumière BM18 à l’ESRF. « BM18 est à ce jour le seul endroit au monde où des organes humains entiers peuvent être imagés avec un contraste aussi élevé, et nous sommes pourtant loin d’avoir atteint les limites de cette ligne de lumière. Le principal facteur limitant est le traitement des données, très volumineuses, produites par la technique HiP-CT » explique Paul Tafforeau, chercheur à l’ESRF.

L’intérêt de la technique synchrotron HiP-CT est sa capacité à obtenir une vue d’ensemble de l’organe, en 3D, à une résolution élevée de 20 micromètres (environ 20 fois plus élevée qu’un scanner médical), tout en offrant la possibilité de zoomer à l’échelle cellulaire à une résolution de 2 micromètres (200 fois plus élevée qu’un scanner médical). Cette technique permet donc d’atteindre une résolution histologique tout en gardant intact l’organe, révélant des détails et liens anatomiques auparavant inconnus.

Des études synchrotron ont déjà été réalisées sur des cœurs entiers mais ils s’agissaient de cœur provenant de fœtus ou de petits animaux, c’est-à-dire de 1 à 2 cm de diamètre. Dans cette étude, pour la première fois, l’équipe scientifique a pu imager des cœurs humains adultes de de 14 cm de diamètre, avec une qualité de détails exceptionnels.

Dans cette étude, la résolution multi-échelles a permis de mettre en évidence des détails histologiques du myocarde (le tissu musculaire du cœur), des valves, des artères coronaires et du système de conduction cardiaque (le système à l’origine des contractions du cœur). « La première fois que vous voyez le cœur  avec la technique HiP-CT, c’est stupéfiant; vous pouvez observer des tissus mous qui ne sont pas visibles  avec des méthodes d’imagerie par rayon X plus conventionnelles, cela ouvre des perspectives de recherche  incroyables », explique Joseph Brunet, chercheur à l'UCL et scientifique affilié à l'ESRF, correspondant de  la publication.

Vers de nouveaux traitements de l’arythmie (ou trouble du rythme cardiaque)

L’un des points forts de cette étude est de fournir une imagerie détaillée du système de conduction cardiaque, qui génère et transmet les impulsions électriques qui sont à la source du battement cardiaque.

La découpe virtuelle du système de conduction a permis de donner aux chercheurs des informations essentielles sur l’infiltration graisseuse, la vascularisation, et les connections entre le nœud sinusal et les structures adjacentes. Ce niveau de détail sur le système de conduction au sein d’un cœur adulte était auparavant inatteignable avec les techniques d’imagerie existantes.

« Cette technique a un potentiel énorme pour permettre au monde médical de développer de nouveaux traitements » explique Perry Elliot, Directeur de l’Institut de Science Cardiovasculaires à UCL. Un exemple de ceci est l’arythmie ou trouble du rythme cardiaque : « Avec les technologies actuelles, il est très difficile d’avoir une interprétation fiable de l’anatomie sous-jacente à l’arythmie, » explique le Professeur Andrew Cook, anatomiste du cœur à UCL et second auteur de l’article. Et d’ajouter, « nous sommes convaincus que nos découvertes peuvent aider des chercheurs à mieux comprendre non seulement l’apparition d’irrégularités du rythme cardiaque, mais aussi l’efficacité des stratégies d’ablation cardiaque qui les guérissent. » En particulier, les résultats ont montré que les scientifiques peuvent identifier les différences d’épaisseur des couches de tissu et de graisse situées entre la surface externe du cœur et le sac protecteur entourant le cœur. Ces informations pourraient être pertinentes pour le traitement de l’arythmie.

En plus de l’arythmie, la technique synchrotron HiP-CT pourrait fournir des informations précieuses pour améliorer la compréhension d’autres maladies cardiovasculaires. Sur la base de ces données HiP-CT, des études anatomiques sont en cours pour analyser les malformations cardiaques congénitales (ou cardiopathies congénitales) ou encore les défauts de malformation des ventricules cardiaques.

Pour l’équipe scientifique, la prochaine étape est d’augmenter le nombre d’échantillons étudiés, afin d’améliorer les stratégies de diagnostic et de traitement. Ces recherches font partie du projet scientifique Human Organ Atlas (Atlas des Organes Humains), qui a pour objectif d’établir une base de données, en open access, de tous les organes humains, malades ou sains, pour faire avancer la recherche et la médecine. Ces données sont publiées sur un site : human-organ-atlas.esrf.eu

Ce projet a reçu un financement de la fondation CZI (Chan Zuckerberg Initiative).

Contacts scientifiques :

Joseph Brunet, chercheur à UCL et utilisateur scientifique à l’ESRF, auteur correspondant : j.brunet@ucl.ac.uk

Andrew Cook, Professeur, anatomiste du cœur avec UCL, second auteur : a.cook@ucl.ac.uk

Paul Tafforeau, chercheur à l’ESRF : paul.tafforeau@esrf.fr

Crédits photographiques et légendes

Description: View from Mount Jalla on the ESRF and ILL in Grenoble *Source: Photograph by German Wikipedian Hendrich, October 2004 *Photographer: Christian Hendrich {{GFDL}}

Figure 1: 3D cinematic renderings of the control and diseased heart in anatomic orientation. Epicardial fat has been removed digitally to show course of the major coronary arteries plus detail of smaller arteries penetrating into the myocardium which are not typically seen on clinical CT. In the control (A), the coronary arteries remain close to the epicardial surface while in the diseased heart (B) they are lifted away by epicardial fat increasing the perfusion distance between the major coronaries and the myocardium. Segmentations and high resolution detail of coronaries in the diseased heart are also shown in Figure 5. Credit: Brunet et al., Radiology

Figure 2: Using an advanced synchrotron technique called HiP-CT, scientists have imaged, for the first time, two whole human hearts at 20-micron resolution, zooming in to 2-micron details in 3D. Credit: Brunet et al., Radiology

Figure 3: Joseph Brunet, researcher at UCL and ESRF visiting scientist and Hector Dejea I Velardo, junior scientist member of the Humain Organ Atlas Porject, during the experiments at the ESRF, the European Synchrotron, at BM18 beamline. Using an advanced synchrotron technique called HiP-CT, scientists have imaged, for the first time, two whole human hearts at 20-micron resolution, zooming in to 2-micron details in 3D. Credit: ESRF/Stef Cande

VIDEO: Multidimensional Analysis of the Adult Human Heart in Health and Disease using Hierarchical Phase-Contrast Tomography (HiP-CT)

POUR EN SAVOIR PLUS

L'European Synchrotron Radiation Facility, en abrégé ESRF (en français « Installation européenne de rayonnement synchrotron »), société civile de droit français créée le 12 janvier 19891, est un des plus importants synchrotrons actuellement en fonctionnement dans le monde avec l'APS du Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis, SPring-8 (en) dans la préfecture de Hyōgo au Japon, et le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN proche de Genève.

Livré aux scientifiques début 1994 et inauguré sur la presqu'île scientifique de Grenoble le 30 septembre 1994, cet accélérateur d'électrons de 844 mètres de circonférence permettant d'explorer la matière et le vivant à l'échelle de l'atome est financé par vingt-deux pays membres et accueille chaque année près de 7 000 chercheurs.

Plusieurs lauréats de prix Nobel ont utilisé les installations de l'ESRF, notamment lors de la découverte de la structure et du fonctionnement du ribosome.

https://fr.wikipedia.org/wiki/European_Synchrotron_Radiation_Facility

INFORMATIONS PRATIQUES

ESRF- European Synchrotron Radiation Facility

71, avenue des Martyrs - CS 40220

F-38043 GRENOBLE Cedex 09

FRANCE

Tel : +33 (0) 476 88 26 04

GSM +33 (0) 6 07 16 18 79

http://www.esrf.eu

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