Système d'intelligence artificielle basé sur la spectroscopie Raman dans les maladies inflammatoires de l'intestin

1. CONTEXTE ET JUSTIFICATION Les maladies inflammatoires de l'intestin (MII) sont des troubles inflammatoires chroniques qui peuvent être classés comme la colite ulcéreuse (CU), la maladie de Crohn (MC) et la colite indéterminée (CI). La RCH est caractérisée par une inflammation chronique de la muqueuse débutant distalement dans le rectum, avec une extension continue en proximal sur une distance variable, souvent avec une démarcation abrupte entre muqueuse enflammée et non enflammée. La MC est caractérisée par des segments discontinus d'inflammation granulomateuse chronique qui peuvent être transmurales et impliquer l'intestin grêle en plus du côlon, ainsi que le tractus gastro-intestinal supérieur.1 Le terme IC est utilisé lorsqu'il est difficile de faire la différence entre UC et CD. La CU, la MC et la CI sont des affections chroniques, progressives et invalidantes. Le traitement doit aller au-delà du contrôle des symptômes et viser à traiter les lésions endoscopiques/macroscopiques dans le but final de prévenir les dommages structurels et l'invalidité, améliorant ainsi les résultats cliniques à long terme. Bien que la rémission endoscopique soit la cible actuelle du traitement, des données émergentes suggèrent que l'obtention d'une rémission profonde avec une rémission histologique, plutôt qu'une simple rémission endoscopique, peut conférer des avantages supplémentaires. Les systèmes de sévérité endoscopique couramment utilisés qui sont bien corrélés avec l'activité clinique et biologique comprennent le score endoscopique Mayo modifié6 et l'indice de gravité endoscopique de la colite ulcéreuse (UCEIS) pour la RCH et l'indice de gravité endoscopique de la maladie de Crohn (CDEIS) et le score d'activité endoscopique simplifié pour la maladie de Crohn (SES-CD) pour CD. Cependant la variation inter-observateur reste une limitation importante pour ces scores visuels. De plus, il peut également y avoir un manque de concordance entre la rémission endoscopique et histologique. Les patients atteints de MII et de colite de longue date risquent de développer une dysplasie et un cancer colorectal (CCR). Plusieurs études cas-témoins et études de cohorte basées sur la population ont montré que la surveillance endoscopique améliore la survie liée au CCR chez les patients atteints de MICI à risque accru de cancer du côlon. La surveillance endoscopique est largement recommandée par les sociétés gastro-intestinales internationales pour la détection précoce et la résection de la dysplasie ou du CCR. Cependant, contrairement aux patients non atteints de MICI, il peut être difficile de diagnostiquer la dysplasie chez les patients atteints de MICI pendant la coloscopie, car la dysplasie se manifeste fréquemment par des lésions non pédonculées qui ne présentent que des changements visibles subtils ou sont même invisibles en raison de l'inflammation environnante, des cicatrices, des pseudopolypes , ou hyperplasie. Bien que l'endoscopie et la chromoendoscopie en lumière blanche haute définition soient la modalité d'imagerie standard actuelle, il reste encore un écart à combler en termes d'amélioration du diagnostic endoscopique de la dysplasie et d'amélioration de la concordance de la rémission endoscopique et histologique.

La spectroscopie Raman est une technique de diffusion inélastique de la lumière capable de fournir des empreintes spectroscopiques spécifiques des compositions moléculaires et des structures des tissus biologiques. Lorsque l'énergie lumineuse est incidente sur un tissu, l'énergie lumineuse est absorbée puis diffusée. Une grande partie de l'énergie est diffusée de manière élastique, mais une petite quantité (<1%) est diffusée de manière inélastique. Une telle diffusion inélastique est appelée diffusion Raman et est mesurée par des décalages de longueur d'onde associés à des compositions moléculaires distinctes. Par exemple, les gammes spectrales de 850 - 1150, 1200 - 1500 et 1600 - 1750 cm-1 correspondent respectivement à des signaux liés aux protéines, aux acides nucléiques et aux lipides. Le tissu cancéreux est associé à un taux métabolique plus élevé et donc à une composition moléculaire différente de celle des tissus non cancéreux. En étudiant les spectres Raman des tissus, qui servent également de bio-empreintes digitales, les enquêteurs peuvent identifier si le tissu est cancéreux ou non cancéreux. La spectroscopie Raman a été rapportée pour la caractérisation et le diagnostic des tissus colorectaux ex vivo. Molckovsky et al ont appliqué une sonde Raman compatible avec l'endoscope pour le diagnostic différentiel entre l'adénome et le polype hyperplasique in vivo, mais les spectres Raman tissulaires acquis étaient limités à la plage dite des empreintes digitales (FP) (c'est-à-dire 800-1800 cm-1), et le temps d'acquisition était long (> 5 s) ce qui n'était pas pratique pour les examens endoscopiques cliniques de routine. L'efficacité diagnostique de la spectroscopie Raman FP pourrait être compromise chez les patients en raison de signaux Raman tissulaires intrinsèquement très faibles et d'une autofluorescence tissulaire (AF) écrasante des organes internes. En plus de la néoplasie colorectale, la spectroscopie Raman a été étudiée dans le contexte des MICI dans des études ex-vivo et in-vivo à petite échelle, avec des résultats prometteurs en termes de différenciation de la cicatrisation et de l'inflammation muqueuses, et de différenciation de la CU de la MC. les études sont confrontées aux mêmes limites que les études sur la néoplasie colorectale, en particulier en ce qui concerne l'aspect pratique d'un diagnostic in vivo efficace. Des attentions récentes ont été portées sur l'utilisation d'un régime à nombre d'ondes élevé (HW) (par exemple, 2800-3600 cm-1), car la plage spectrale HW présente des signaux Raman tissulaires plus forts tout en ayant moins d'interférences de fond provenant à la fois de l'AF tissulaire et des sondes à fibre optique. . Il existe plusieurs raisons de combiner les techniques FP et HW Raman pour les mesures Raman tissulaires in vivo : (i) pour les tissus qui pourraient présenter une AF intense submergeant les signaux tissulaires FP Raman, la plage HW pourrait encore contenir des pics Raman tissulaires intenses pour le diagnostic tissulaire ; (ii) Les spectres FP et HW Raman offrent des informations biomoléculaires complémentaires, et la combinaison de la technique FP/HW Raman pourrait améliorer la caractérisation et le diagnostic des tissus. Très récemment, un nouvel endoscope Raman à excitation 785 nm de deuxième génération qui peut mesurer simultanément les spectres Raman FP (c'est-à-dire 800-1800 cm-1) et le spectre Raman à nombre d'ondes élevé (HW) des spectres en temps réel (< 0,5 s) pour améliorer la caractérisation et le diagnostic des tissus in vivo pendant la coloscopie ont été développés. La technique simultanée FP/HW Raman est intégrée à une sonde Raman à fibre optique compatible endoscope de 1,8 mm couplée à une lentille à bille en saphir pour sonder les signatures biomoléculaires de la sous-surface du tissu colorectal associé à la dysplasie. Cela a été utilisé pour créer le système SPECTRA IMDx qui interroge les tissus au niveau cellulaire et utilise des informations moléculaires pour fournir aux médecins des informations exploitables in vivo en temps réel pendant la coloscopie. Le SPECTRA IMDx comprend un système laser, un spectromètre, un ordinateur avec un algorithme d'analyse installé et d'autres pièces auxiliaires. La sonde SPECTRA IMDx est connectée au système principal. La sonde SPECTRA IMDx est un assemblage de fibres optiques et de composants optiques agencés pour une transmission maximale de l'énergie lumineuse. Lorsqu'il est utilisé, le système laser émettra un laser infrarouge proche de 785 nm qui sera transmis à travers la sonde SPECTRA IMDx jusqu'à l'extrémité distale. Lorsque le laser est interrogé sur une surface de tissu, l'énergie lumineuse est absorbée et réfléchie. L'énergie réfléchie est ensuite collectée à partir de l'extrémité distale de la sonde SPECTRA IMDx, retransmise au système principal et passée à travers le spectromètre. Le signal collecté est ensuite traité pour obtenir le signal Raman propre pour la classification diagnostique.

Il y a actuellement un manque de données concernant l'application de cette nouvelle technologie dans le contexte des MII. Plus précisément, si les signaux spectraux générés peuvent être utilisés pour mieux classer la rémission de la maladie, et ainsi obtenir une plus grande concordance avec l'histologie par rapport à l'endoscopie standard. Il est également difficile de savoir si cette technologie peut être utilisée pour différencier la muqueuse dysplasique de la muqueuse non dysplasique chez les patients atteints de MII.

Aperçu Il s'agit d'une étude observationnelle prospective de tous les sujets atteints de MICI (CD, UC ou IC) subissant une coloscopie sur une période de 24 mois. Le flux de travail est résumé dans la figure 2. Le consentement éclairé sera pris par l'investigateur avant l'inscription à l'étude. La participation des sujets à cette étude ne durera que la durée de la procédure de coloscopie qui est d'environ 30 à 45 minutes. Les sujets ne seront pas tenus de faire une visite supplémentaire à l'hôpital pour l'étude.

Préparation intestinale et procédure endoscopique Avant la coloscopie, les sujets doivent nettoyer le côlon à l'aide d'une préparation intestinale conformément à la pratique clinique standard. La coloscopie est réalisée avec ou sans sédation à la discrétion de l'endoscopiste et du patient. Au cours du processus de coloscopie, qui est effectué à l'aide d'un système d'endoscopie haute définition avec ou sans chromoendoscopie d'appoint, des biopsies de la muqueuse colique peuvent être obtenues soit pour évaluer l'état d'activité de la maladie, soit pour clarifier la nature d'une lésion focale détectée, qui pourrait être non néoplasiques tels que les polypes hyperplasiques ou post-inflammatoires, ou néoplasiques, tels que la dysplasie associée à l'IBD ou la néoplasie colorectale sporadique. Les résultats pour le côlon ascendant, le côlon transverse, le côlon descendant, le côlon sigmoïde et le rectum seront enregistrés séparément. Les lésions peuvent également être réséquées à l'aide d'un collet. Avant les biopsies prévues de chaque région ou avant la polypectomie endoscopique, la sonde SPECTRA IMDx sera insérée dans le canal de travail du coloscope pour entrer en contact avec la surface de la muqueuse afin de collecter les signaux Raman. Des biopsies sont ensuite obtenues et étiquetées de manière à ce que les signaux Raman acquis puissent être corrélés avec l'étalon-or de l'histologie pour la création de classificateurs de diagnostic. Aucune procédure ne sera placée sur bande audio, film / vidéo ou autre support électronique dans le cadre de l'exigence de l'étude. Les résultats de l'endoscopie seront enregistrés dans le format standard de rapport médical électronique. Les résultats de l'endoscopie et de l'histologie seront transcrits sur le formulaire de rapport de cas du patient et anonymisés.

Gravité de l'inflammation des muqueuses Des systèmes de classification pour l'évaluation endoscopique de l'activité de la maladie ont été publiés.31 Pour la CU et la CI, la gravité de l'activité de la maladie sera décrite sur la base du sous-score endoscopique Mayo6 et de l'UCEIS. UCEIS a été validé.

Pour la maladie de Crohn, la définition de la gravité de la maladie endoscopique ne repose pas uniquement sur la gravité de l'inflammation des muqueuses, et les systèmes de notation tels que l'indice de gravité endoscopique de la maladie de Crohn (CDEIS) et le score endoscopique simple de la maladie de Crohn (SES-CD) intègrent d'autres composants tels que que la distribution de la maladie et la présence d'un rétrécissement luminal dans le cadre de l'évaluation. Le CDEIS et le SES-CD sont tous deux des systèmes de notation validés. Pour cette étude, comme l'intérêt de la recherche porte uniquement sur l'évaluation de l'inflammation muqueuse, les descripteurs utilisés pour l'atteinte muqueuse seront utilisés, basés sur SES-CD, et la cicatrisation muqueuse sera définie comme l'absence d'ulcération muqueuse.

Lésions focales planes ou polypoïdes La morphologie des lésions superficielles détectées suspectes d'hyperplasie ou de dysplasie sera décrite à l'aide de la classification de Paris mise à jour (tableau 3, figure 3).32 Une lésion sessile a une hauteur verticale de> 2,5 mm tandis que celle d'une lésion légèrement surélevée est <2,5 mm. Pour une lésion excavée, la profondeur est > 1,2 mm, alors qu'elle est inférieure à 1,2 mm pour une lésion légèrement déprimée. Une pince à biopsie placée longitudinalement à côté de la lésion est une référence utile (le diamètre avec les mâchoires fermées est de 2,5 mm, tandis que le diamètre d'une seule mâchoire est de 1,2 mm). La taille estimée, la couleur et les marges de la lésion seront décrites. Le diagnostic endoscopique sera documenté.

Documentation des résultats histologiques Gravité histologique de l'inflammation des muqueuses Des systèmes de classification pour l'évaluation histologique de l'activité de la maladie ont été publiés. Pour UC ou IC, cela sera évalué à l'aide de l'indice histologique de Nancy. Les grades 0 et 1 définissent la rémission histologique, 2 définit la maladie légèrement active, 3 définit la maladie modérément active et 4 définit la maladie sévèrement active. L'indice de Nancy a été validé.

Pour le CD, cela sera évalué à l'aide d'un système de notation précédemment développé par le groupe de recherche IBD à Louvain, en Belgique. Ce système de notation n'a pas été validé bien qu'il soit largement utilisé pour la recherche.

Lésions focales plates ou polypoïdes La classification de l'OMS pour les lésions colorectales en dents de scie et les polypes et le système de Riddell pour la classification des dysplasies associées aux MII seront utilisés. La dysplasie associée aux MICI est définie comme une altération néoplasique sans équivoque de l'épithélium colique. Il convient de souligner qu'un tel épithélium dysplasique peut non seulement être un marqueur ou un précurseur de carcinome, mais peut lui-même être malin et associé à une invasion directe dans le tissu sous-jacent. Cette définition est analogue à la définition de la dysplasie dans les adénomes du côlon en l'absence de MII, dans les lésions néoplasiques du reste du tractus gastro-intestinal et dans d'autres épithéliums. La dysplasie est identifiée sur la base d'une combinaison de caractéristiques microscopiques, y compris 1) une altération architecturale supérieure à celle résultant de la réparation dans la colite chronique, ressemblant souvent à l'arrangement glandulaire des adénomes, et 2) des anomalies cytologiques, principalement un pléomorphisme cellulaire et nucléaire, un hyperchromatisme nucléaire, perte de polarité nucléaire et stratification marquée des noyaux.