Analyse automatisée des cellules pour le diagnostic du cancer

L'extraction automatisée, rapide et sans enzymes de cellules vivantes avec le TissueGrinder pour l'étude d'échantillons de biopsie. © Fraunhofer IPA

Grâce au TissueGrinder développé à l'Institut Fraunhofer IPA – une mini-moulinette automatisée pour les tissus cellulaires sensibles – les cliniques pourront à l'avenir analyser rapidement et précisément les échantillons de cellules des patients atteints de cancer, même sans l'aide d'un pathologiste formé. Ce sont principalement les patients qui en bénéficieront. Lorsqu'une analyse cellulaire est effectuée pendant une opération chirurgicale et que les bonnes mesures de traitement sont prises presque immédiatement, cela permet souvent d'éviter une nouvelle intervention chirurgicale.

Lors d'une opération contre le cancer, des informations précises sur le tissu prélevé sont rapidement nécessaires pour aider le chirurgien dans ses prochaines étapes. Jusqu'à présent, un échantillon de biopsie était envoyé à un pathologiste, qui évaluait si le tissu était sain ou dans quelle mesure le cancer s'était propagé. Cela prend beaucoup de temps et de ressources.

En collaboration avec l'Institut Fraunhofer pour la technologie de la production et l'automatisation IPA à Mannheim, l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg et le Centre hospitalier universitaire d'Erlangen, des chercheurs du Centre Max-Planck pour la physique de la lumière et du Centre Max-Planck pour la physique et la médecine ont réussi à automatiser en grande partie l'analyse cellulaire et l'évaluation qui en découle grâce à l'intelligence artificielle. L'étude publiée dans Nature Biomedical Engineering par l'équipe de Dr. Despina Soteriou et Dr. Markéta Kubánková du Centre Max-Planck pour la physique et la médecine, ainsi que le Professeur Jochen Guck, directeur de l'Institut Max-Planck pour la physique de la lumière, montre comment un « pathologiste artificiel » pourrait aider à l'avenir.

Première étape : fragmentation du tissu avec le « TissueGrinder »

La nouvelle méthode permet d'obtenir plus rapidement des cellules vivantes grâce au TissueGrinder. L'appareil a été développé à l'Institut Fraunhofer IPA par le Dr Jens Langejürgen et ses collègues, et fonctionne de manière similaire à un moulin à épices : grâce à des lames spécialement conçues, mises en rotation dans un mécanisme de broyage, il déchiquette en douceur le tissu sans détruire ou modifier les cellules. « Le TissueGrinder offre un potentiel énorme pour la préparation des échantillons en diagnostic du cancer et dans d'autres applications médicales, notamment pour les méthodes d'analyse diagnostique basées sur des cellules individuelles, qui constituent la base de la médecine personnalisée », explique Jens Langejürgen, responsable du département Technologies de la santé clinique. Jusqu'à présent, les cellules devaient être extraites manuellement ou dissoutes à l'aide d'enzymes, ce qui pouvait laisser des traces sur la surface cellulaire et influencer les résultats des analyses ultérieures.

Le processus automatisé, rapide et sans enzymes d'extraction de cellules vivantes avec le TissueGrinder simplifie considérablement l'examen des échantillons de biopsie. « La préparation efficace des échantillons au début du processus diagnostique ouvre la voie à des méthodes d'analyse de pointe telles que la cytométrie de déformation en temps réel (RT-DC) ou des techniques utilisant l'intelligence artificielle, tout en améliorant la qualité des résultats », déclare Stefan Scheuermann, chercheur au Fraunhofer IPA.

Deuxième étape : analyse physique des propriétés cellulaires

Dans la prochaine étape, les cellules individuelles obtenues sont analysées à l'aide de la cytométrie de déformation en temps réel (RT-DC). Il s'agit d'une méthode sans marquage développée en laboratoire par le Professeur Jochen Guck pour analyser la déformabilité cellulaire, capable d'analyser les propriétés physiques jusqu'à 1000 cellules par seconde, soit 36 000 fois plus rapidement que les méthodes plus anciennes. Tout comme lors d'un examen médical, la déformabilité des cellules fournit des informations importantes. Pour exploiter ces données, des cellules individuelles sont rapidement poussées à travers un canal microscopique où elles se déforment sous pression et charge. À partir des images capturées, les chercheurs peuvent déterminer des propriétés physiques telles que la forme, la taille et la déformabilité.

Troisième étape : évaluation par intelligence artificielle

Pour établir un diagnostic, les résultats de l'analyse physique doivent être évalués dans une dernière étape. Les chercheurs du Max-Planck ont réussi à développer un modèle d'IA capable d'analyser les ensembles de données complexes issus de la RT-DC et de déterminer si un échantillon contient ou non du tissu tumoral. De plus, l'utilisation de l'intelligence artificielle a confirmé l'importance de la déformabilité cellulaire en tant que biomarqueur.

La procédure complète, depuis l'échantillon de tissu jusqu'à l'évaluation des résultats, prend moins de 30 minutes et peut être réalisée sans pathologiste ou physicien formé. De plus, cette méthode peut également être utilisée pour détecter des inflammations tissulaires dans un modèle de maladies inflammatoires de l'intestin (MII).

Le prochain objectif des chercheurs est de déterminer comment la méthode d'analyse cellulaire automatisée peut être la mieux intégrée dans les cliniques pour soutenir et compléter l'analyse pathologique classique.