L e principe de base des nouvelles techniques de visualisation

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1 Nouvelles techniques de visualisation de la muqueuse digestive Update on new advanced endoscopic imaging for gastrointestinal tract E. Coron* P O I N T S F O R T S P O I N T S F O R T S Le principe des nouvelles techniques de visualisation de la muqueuse digestive est de permettre une analyse extrêmement détaillée au niveau de la surface et de la profondeur de la muqueuse et/ou une analyse en fonction de l expression de molécules cibles. Ces techniques, éventuellement utilisées de manière combinée, pourraient révolutionner l approche de l endoscopie en améliorant le dépistage de lésions cancéreuses précoces (en particulier sur des muqueuses à risque de dégénérescence) et en permettant d obtenir un diagnostic de nature en temps réel afin de guider le geste endoscopique et d éviter la réalisation de biopsies inutiles. Parmi les techniques en cours d évaluation, la fluorescence et les techniques de chromoscopie virtuelle sont plutôt dédiées au dépistage, alors que la microscopie confocale, les techniques de spectroscopie et la tomographie de cohérence optique sont dédiées à la caractérisation des lésions digestives néoplasiques précoces. Peu de données sont disponibles dans la littérature concernant leur évaluation, en raison de la rapidité d évolution technologique ; il s agit principalement d études pilotes. Des études cliniques prospectives randomisées et contrôlées sont indispensables afin d évaluer l apport en pratique clinique de ces nouvelles techniques, souvent lourdes en termes de coût humain et financier. Mots-clés : Autofluorescence - Chromoscopie virtuelle - Microscopie confocale - Spectroscopie - Tomographie par cohérence optique. Keywords:Autofluorescence - Virtual chromoendoscopy - Confocal endomicroscopy - Spectroscopy - Optical coherence computed tomography. * Institut des maladies de l appareil digestif, CHU Hôtel-Dieu, Nantes. L e principe de base des nouvelles techniques de visualisation de la muqueuse est d interroger le tissu en utilisant les propriétés de la lumière afin d établir in vivo et in situ un diagnostic auparavant réservé à l anatomopathologiste. La nécessité de développer de telles méthodes est liée à deux limites de l endoscopie conventionnelle : la difficulté à détecter des zones dysplasiques planes, en particulier au sein de muqueuses à haut risque de dégénérescence comme l endobrachyœsophage (EBO) ou la rectocolite hémorragique (RCH), et l absence d obtention en temps réel d un diagnostic de nature permettant de guider l endoscopiste dans son choix de résection d une lésion. Véritable saut technologique, ces nouvelles techniques d imagerie tissulaire visent à améliorer à la fois le dépistage, la caractérisation et le bilan d extension des lésions néoplasiques précoces digestives. Les nouvelles méthodes d imagerie endoscopique comportent l endoscopie par bandes spectrales étroites (narrow band imaging [NBI] et système Fujinon intelligent chromoendoscopy [FICE]), qui s apparente à une chromoscopie virtuelle, l autofluorescence, la fluorescence induite, la microscopie confocale, la spectroscopie de dispersion élastique, la spectroscopie Raman, et l interférométrie (tableau). Grâce à des avancées technologiques spectaculaires concernant les fibres optiques, les sources lumineuses et la biologie moléculaire, elles permettent théoriquement une analyse du tissu à l échelon cellulaire, subcellulaire ou même moléculaire en exploitant les propriétés physiques du spectre de la lumière non visible (ultraviolets, infrarouges) et du trajet intratissulaire de la lumière. Sur un plan pratique, on distingue principalement les méthodes dédiées au dépistage des lésions néoplasiques précoces comme l autofluorescence ou la chromoscopie virtuelle et celles dédiées à la caractérisation comme la microscopie confocale, la spectroscopie et la tomographie par cohérence optique. La lettre de l hépato-gastroentérologue - n 2 - vol. IX - mars-avril

2 Tableau. Description des principales techniques de bioendoscopie. Technique Description de l image endoscopique Champ Résolution Profondeur de vision Autofluorescence Mise en évidence de zones fluorescentes par des biomolécules endogènes Fluorescence induite Mise en évidence de zones fluorescentes par des biomolécules exogènes Chromoscopie virtuelle Rehaussement de la microvascularisation tissulaire (NBI, FICE) par filtre du spectre lumineux Microscopie confocale Image histologique virtuelle de la muqueuse (parallèlement au plan de la muqueuse) par un microscope miniaturisé Spectroscopie Graphe analysant la structure tissulaire à partir de / ++ la dispersion élastique ou inélastique (Raman) Tomographie par Image histologique virtuelle de la muqueuse cohérence optique et de la sous-muqueuse (perpendiculairement au plan de la muqueuse) par interférométrie PRINCIPALES TECHNIQUES DE VISUALISATION DE LA MUQUEUSE DIGESTIVE Techniques dédiées au dépistage de lésions néoplasiques précoces digestives - Imagerie endoscopique par fluorescence L intérêt principal de l imagerie endoscopique par fluorescence (figure ) réside dans son large champ de vision qui lui confère une capacité de détection à une échelle plus importante que celle des autres nouvelles techniques de visualisation de la muqueuse. Par exemple, à l échelle du côlon, une étude récente rapportait que l autofluorescence permettait la détection de 9 adénomes supplémentaires sur 04 au total (parmi 74 coloscopies), soit un gain diagnostique de 8,3 % par rapport à l endoscopie standard (). Les résultats sont plus hétérogènes au niveau de l œsophage, probablement en raison du type de prototype utilisé parmi les trois décrits actuellement (systèmes LIFE [Xillix corporation, Richmond, Canada], D-Light [Karl Storz, Allemagne] et Auto Fluorescence Imaging [AFI, Olympus, Japon]) et surtout de la grande variabilité dans le schéma des études. En effet, les résultats des études pilotes A. Endobrachyœsophage en vidéoendoscopie de haute résolution standard. B. Image correspondante en mode autofluorescence, révélant une zone violette suspecte de dysplasie de haut grade ou de cancer (les zones vertes sont considérées comme normales). Les biopsies de cette zone suspecte ont confirmé l existence d un carcinome œsophagien. (D après Kara et al. Gastrointest Endosc 2005.) Figure. Autofluorescence. sont très prometteurs. Ainsi, dans le travail de Kara et al. (2), l autofluorescence mettait en évidence des lésions de dysplasie de haut grade ou de cancer non décelées par l examen initial en endoscopie de haute résolution standard chez 6 patients sur 22 atteints d EBO. Ces résultats confortaient ceux d une étude plus ancienne (3) réalisée avec un autre prototype chez 34 patients avec un court segment d EBO, dont l exploration initiale en mode autofluorescence dépistait un nombre significativement supérieur de zones de dysplasie de haut grade que l endoscopie conventionnelle (9 contre ; p = 0,06). Cependant, la seule étude randomisée disponible (crossover) publiée in extenso comparant l autofluorescence et l endoscopie standard était décevante, puisqu elle montrait des sensibilités de respectivement 69 % et 85 % pour le dépistage de lésions de dysplasie de haut grade et/ou de cancers sur biopsies ciblées (4). La valeur prédictive positive des biopsies ciblées lors de l examen par autofluorescence n était que de 3 % dans cette étude. La faible sensibilité de l autofluorescence s explique par le faible niveau de fluorescence spontanée au sein des tissus. Pour certains, cela plaide en faveur de l utilisation de fluorophores exogènes comme le 5-ALA, qui s accumulent dans les cellules néoplasiques et permettent ainsi d augmenter l intensité de la fluorescence et la détection spécifique des lésions néoplasiques. Au niveau du tube digestif haut, Mayinger et al. (5) ont montré que l administration orale d ALA (5 mg/kg) avait une sensibilité de 85 % contre 25 % par rapport à l endoscopie conventionnelle pour la détection de lésions néoplasiques œsophagiennes chez 22 patients. Dans le côlon, Messmann et al. (6) ont également rapporté une excellente sensibilité de la fluorescence induite par l ALA administré oralement ou localement dans la détection de lésions dysplasiques chez 37 patients atteints de rectocolite hémorragique ancienne. Cependant, il ne faut pas méconnaître les inconvénients principaux de la fluorescence induite que sont le délai nécessaire à l émission de la fluorescence, la mauvaise connaissance actuelle des doses de fluorophores exogènes requises ainsi que les effets secondaires éventuels de ces produits. Une autre limite de l autofluorescence est sa mauvaise spécificité, notamment en cas d inflammation, responsable d un taux 74 La lettre de l hépato-gastroentérologue - n 2 - vol. IX - mars-avril 2006

3 élevé de faux positifs. À l avenir, la combinaison de cette technique de dépistage avec des techniques de caractérisation au cours du même temps endoscopique pourrait éliminer les faux positifs. Dans ce but, des prototypes d endoscopes permettant, sans changer d appareil, de réaliser un examen en haute résolution standard, puis en mode autofluorescence et, enfin, en mode chromoscopie virtuelle couplée au zoom sont en cours d évaluation. Chromoscopie virtuelle : NBI et système FICE Le système NBI développé par Olympus ainsi que le système FICE développé par Fujinon équiperont très prochainement les nouvelles consoles endoscopiques. Le principe est que, contrairement à la lumière blanche conventionnelle qui utilise l intégralité du spectre visible, ces systèmes sélectionnent des bandes spectrales d intérêt au sein du spectre lumineux. Cela permet d obtenir une image plus contrastée permettant de mieux apprécier la microarchitecture muqueuse (pit-pattern), ce qui les fait comparer à une véritable chromoscopie virtuelle, ainsi qu une meilleure visualisation de la microvascularisation tissulaire grâce à l absorption préférentielle de la lumière bleue par l hémoglobine (figure 2). A B A. Adénome colique plan en endoscopie standard. B. Accentuation de la visualisation de la trame vasculaire et de la microarchitecture muqueuse en mode narrow band imaging NBI. (D après Machida et al. Endoscopy 2004.) Figure 2. Chromoscopie virtuelle. Couplée à un endoscope zoom, cette technique simple paraît prometteuse dans la détection mais également la caractérisation de lésions cancéreuses précoces. Ainsi, au niveau du tube digestif haut, une étude randomisée en crossover récente a comparé le NBI avec la chromoscopie à l indigo carmin pour la détection des lésions en dysplasie de haut grade ou carcinomateuses chez des patients atteints d EBO (7). Les examens étaient réalisés en haute résolution avec zoom (x 5). Il faut noter que cette étude était limitée par un faible nombre de patients (n = 28) ainsi que par un biais de sélection des EBO (à très fort risque de lésions de haut grade) et des endoscopistes (qui avaient une expertise hors du commun dans ce domaine). Elle montrait cependant bien que le NBI pouvait être considéré comme une aide au dépistage par rapport à l examen en zoom seul, avec notamment une efficacité comparable à l indigo carmin. En effet, la sensibilité des biopsies ciblées à l aide du NBI, de la chromoscopie à l indigo carmin et du zoom seul était respectivement de 86 %, 93 % et 79 %. En termes de caractérisation de lésions néoplasiques, la chromoscopie virtuelle semble également donner des résultats comparables aux colorations réelles. Par exemple, Machida et al. ont comparé dans ce but le NBI à l endoscopie conventionnelle et à la chromoendoscopie avec indigo carmin sur 43 lésions colorectales obtenues chez 34 patients (8). Dans cette étude, le NBI était nettement supérieur à l endoscopie conventionnelle, avec une spécificité pour prédire le caractère néoplasique de l ordre de 75 % contre 44 % respectivement (p < 0,05). En revanche, il n y avait pas de différence significative entre NBI et chromoendoscopie, ce qui suggère une efficacité comparable. TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION Microscopie confocale Les avancées technologiques récentes ont permis la miniaturisation de microscopes confocaux, pouvant soit être intégrés dans l endoscope (Pentax/Optiscan) (9), soit passer sous la forme d une sonde fibrée par le canal opérateur de l endoscope (Olympus, Mauna Kea Technologies) (0) (figures 3, 4). Ces microscopes magnifient l image dans un plan parallèle à la muqueuse jusqu à environ 000 fois (échelle cellulaire). Le champ de vision est extrêmement restreint, de l ordre de 20 x 20 µm à 500 x 500 µm selon les appareils. Le principe est de scanner la zone d intérêt avec un faisceau laser de faible puissance en illuminant un seul point à la fois dans un champ de vision microscopique afin d obtenir une section optique. L administration préalable de fluorophores (acriflavine, fluorescéine, crésyl violet) est indispensable à l acquisition des images avec les systèmes basés sur la fluorescence comme les systèmes actuels Pentax/Optiscan et Mauna Kea Technologies. Les résultats des premières études cliniques chez l homme sont très prometteurs. Ainsi, Kiesslich et al. ont rapporté d excellentes sensibilité et spécificité (respectivement 97,4 % et 99,4 %) de la microscopie confocale pour prédire le diagnostic de néoplasie intraépithéliale colorectale à partir de 390 sites étudiés in vivo dans une première étude réalisée chez 42 patients ayant une coloscopie de dépistage ou de contrôle (9). La même équipe a récemment rapporté une étude randomisée, contrôlée, portant sur 53 patients atteints de rectocolite hémorragique, qui comparait l endoscopie standard à la microscopie confocale couplée à la chromoscopie au bleu de méthylène (afin de cibler les zones suspectes) dans le dépistage de néoplasies intraépithéliales (). Il existait une nette supériorité de l association chromoscopie-microscopie confocale par rapport à l endoscopie standard, Fenêtre optique confocale A B C A. Photo de l appareil, intégré à l endoscope. B. Biopsie optique obtenue au niveau d une muqueuse rectale normale. C. Coupe histologique standard correspondante ; l image confocale et l histologie standard sont corrélées et permettent d identifier : () les cryptes régulières et la présence de mucines (noires) dans les cellules en gobelets, (2) la lumière des cryptes, (3) le stroma, (4) les noyaux des cellules. (D après Kiesslich et al. Gastroenterology 2004.) Figure 3. Microscopie confocale (appareil Pentax/Optiscan) La lettre de l hépato-gastroentérologue - n 2 - vol. IX - mars-avril

4 A B C A. Photo de l appareil, fibre de 3,2 mm de diamètre passant par le canal opérateur de l endoscope. B. Biopsie optique obtenue après coloration au bleu de méthylène au niveau d une muqueuse épidermoïde œsophagienne normale (grossissement x 25). C. Biopsie optique obtenue après coloration au bleu de méthylène au niveau d un carcinome épidermoïde œsophagien (grossissement x 300). Les noyaux sont identifiés en noir. (D après Kumagai et al. Gastrointest Endosc 2005.) Figure 4. Microscopie confocale (appareil Olympus Endocytoscope ). et ce sans allongement significatif du temps d examen (42 minutes contre 3 minutes). D autres études comportant un nombre beaucoup plus limité de patients ont montré que l observation microscopique d autres organes tels que l œsophage ou l estomac était également possible (2, 3). Si elle est confirmée comme étant fiable, l obtention d une telle information histologique virtuelle en temps réel représente un progrès majeur en endoscopie, car elle permettrait d éviter les résections ou biopsies inutiles et le risque de traitement endoscopique insuffisant ou différé, comme par exemple celui de ne réaliser qu une simple biopsie sur une lésion qui devrait être réséquée par mucosectomie dans le même temps. L avenir pourrait être représenté par l utilisation d anticorps antitumoraux spécifiques couplés à des fluorophores afin de visualiser une signature moléculaire du cancer. Cette approche, que l on peut qualifier d immuno-endoscopie, permettrait d envisager de dépister plus tôt des lésions cancéreuses, de prédire le risque de dégénérescence cancéreuse, de déterminer les marges précises de la lésion, de sélectionner une thérapie adaptée sur le plan moléculaire ou encore de suivre la réponse au traitement en temps réel. Spectroscopie de dispersion élastique Cette technique, également basée sur la fluorescence, permet d obtenir non pas une image endoscopique, mais une information tissulaire plus détaillée sous forme d un graphe qui correspond à l analyse des constituants de la muqueuse à l échelle subcellulaire (noyaux, mitochondries). Le principe est l émission d un faisceau de lumière blanche de type xénon ou d un faisceau laser grâce à une sonde optique introduite dans le canal opérateur de l endoscope. Cette sonde collecte le signal fluorescent émis en retour à partir de la lumière élastique visible. Un modèle mathématique est utilisé pour déterminer la distribution et la densité des photons dispersés au sein du tissu. Le signal est ensuite affiché sous la forme d un graphe représentant l intensité de la fluorescence en fonction de la longueur d onde émise. Comme la microscopie confocale, cette approche a l inconvénient de ne permettre l exploration que de petites surfaces tissulaires ( à 3 mm 2 ) sur des zones qui doivent être préalablement repérées. D excellents résultats sont obtenus en ce qui concerne la caractérisation tissulaire. Ainsi, Mayinger et al. ont rapporté d excellentes sensibilité (98 %) et spécificité (89 %) de la spectroscopie de dispersion élastique pour différencier les lésions adénomateuses et non adénomateuses colorectales (4). Comme pour l imagerie endoscopique par fluorescence, l intensité et la spécificité de la fluorescence peuvent être améliorées par l administration de fluorophores exogènes (5). Spectroscopie Raman La spectroscopie Raman permet l analyse des constituants de la muqueuse à l échelon moléculaire en mesurant l énergie vibrationnelle/rotationnelle qui lie les biomolécules d un tissu entre elles. La lumière d émission consiste en un faisceau laser IR (700 à 300 nm) passant à travers une fibre optique, résultant en une dispersion inélastique des photons IR au travers du tissu. Le signal de retour analysé est spécifique de la molécule cible, ce qui permet d obtenir une véritable empreinte moléculaire du tissu. Une étude in vivo récente a souligné le potentiel de cette technique en montrant une sensibilité de 00 %, une spécificité de 89 % et une précision diagnostique de 95 % pour différencier dix adénomes coliques de neuf polypes hyperplasiques chez trois patients, après validation préalable d un algorithme diagnostique établi ex vivo (6). Tomographie par cohérence optique (TCO) Il s agit d une technique expérimentale basée sur l interférométrie. Cette méthode d observation exploite les interférences entre les images obtenues par deux sources distinctes mais cohérentes entre elles et ciblées respectivement sur le tissu et sur un miroir mobile qui détermine le trajet de référence. La lumière revenant par les deux trajets est analysée et le signal obtenu dépend de la quantité de lumière réfléchie par les structures intratissulaires à une profondeur déterminée par la longueur du trajet de référence. Les sondes utilisées mesurent 2 à 2,4 mm de diamètre et fournissent une image correspondant à une coupe sagittale de la paroi digestive sur environ 2 mm de profondeur avec une résolution d environ 0 µm, soit dix fois supérieure à celle d une minisonde d échoendoscopie (figure 5). La TCO permet donc d explorer finement l épithélium de surface, la muqueuse, la musculaire muqueuse et la sous-muqueuse. Des prototypes ont été utilisés afin de caractériser l endobrachyœsophage (7), les pathologies malignes biliaires (8), les polypes colorectaux (9) ou l inflammation colique transmurale de la maladie de Crohn (20). CONCLUSION Les données disponibles actuellement, bien que prometteuses, sont insuffisantes pour recommander d utiliser l une ou l autre de ces nouvelles techniques de visualisation de la muqueuse en pratique clinique. Les résultats préliminaires semblent indiquer que la chromoscopie virtuelle serait aussi efficace que la chromoscopie classique en termes de dépistage et de caractérisation des lésions néoplasiques, tout en étant plus simple et rapide à utiliser, ce qui en fait la technique la plus facile à intégrer à notre arsenal endoscopique. Les techniques de fluorescence spontanée et induite sont les plus séduisantes sur le plan théorique pour 76 La lettre de l hépato-gastroentérologue - n 2 - vol. IX - mars-avril 2006

5 A B A. Sonde de tomographie par cohérence optique. B. Coupe sagittale d une muqueuse colique normale obtenue en TCO. (D après Pfau et al. Gastrointest Endosc 2003.) Figure 5. Tomographie par cohérence optique (TCO). le dépistage à large échelle des lésions néoplasiques précoces, mais les résultats actuels sont trop hétérogènes pour que l on puisse évaluer de façon précise leur réel apport. Concernant les techniques de caractérisation, elles ont en commun d explorer une surface extrêmement réduite (de l ordre du millimètre carré), nécessitant que le champ d intérêt ait été préalablement repéré. Parmi ces techniques, la microscopie confocale est celle qui soulève le plus d enthousiasme, car elle s apparente à une véritable biopsie optique. Cependant, elle nécessite l apprentissage d une véritable sémiologie anatomopathologique. Le coût humain et financier de cette dernière technique et des autres (spectroscopie, TCO) limitera vraisemblablement leur utilisation à quelques centres dédiés à ce passionnant champ de recherche. R É F É R E N C E S B I B L I O G R A P H I Q U E S. Zanati SA, Marcon NE, Cirocco M et al. Onco-life fluorescence imaging during colonoscopy assists in differentiation of adenomatous and hyperplastic polyps and improves the detection rate of dysplastic lesions in the colon. Gastroenterology 2005;28:A Kara MA, Peters FP, Ten Kate FJ et al. Endoscopic video autofluorescence imaging may improve the detection of early neoplasia in patients with Barrett s esophagus. Gastrointest Endosc 2005;6: Niepsuj K, Niepsuj G, Cebula W et al. Autofluorescence endoscopy for detection of high-grade dysplasia in short-segment Barrett s esophagus. Gastrointest Endosc 2003;58: Kara MA, Smits ME, Rosmolen WD et al. A randomized crossover study comparing light-induced fluorescence endoscopy with standard videoendoscopy for the detection of early neoplasia in Barrett s esophagus. Gastrointest Endosc 2005;6: Mayinger B, Neidhardt S, Reh H et al. Fluorescence induced with 5-aminolevulinic acid for the endoscopic detection and follow-up of esophageal lesions. Gastrointest Endosc 200;54: Messmann H, Endlicher E, Freunek G et al. Fluorescence endoscopy for the detection of low and high grade dysplasia in ulcerative colitis using systemic or local 5-aminolaevulinic acid sensitisation. Gut 2003;52: Kara MA, Peters FP, Rosmolen WD et al. High-resolution endoscopy plus chromoendoscopy or narrow-band imaging in Barrett s esophagus: a prospective randomized crossover study. Endoscopy 2005;37: Machida H, Sano Y, Hamamoto Y et al. Narrow-band imaging in the diagnosis of colorectal mucosal lesions: a pilot study. Endoscopy 2004;36: Kiesslich R, Burg J, Vieth M et al. Confocal laser endoscopy for diagnosing intraepithelial neoplasias and colorectal cancer in vivo. Gastroenterology 2004;27: Kumagai Y, Monma K, Kawada K. Magnifying chromoendoscopy of the esophagus: in-vivo pathological diagnosis using an endocytoscopy system. Endoscopy 2004;36: Kiesslich R, Goetz M, Schneider C et al. Confocal endomicroscopy as a novel method to diagnose colitis associated neoplasias in ulcerative colitis: a prospective randomized trial. Gastroenterology 2005;28:A Polglase AL, McLaren WJ, Skinner SA et al. A fluorescence confocal endomicroscope for in vivo microscopy of the upper - and the lower - GI tract. Gastrointest Endosc 2005;62: Inoue H, Kazawa T, Sato Y et al. In vivo observation of living cancer cells in the esophagus, stomach, and colon using catheter-type contact endoscope, "Endo- Cytoscopy system". Gastrointest Endosc Clin N Am 2004;4: Mayinger B, Jordan M, Horner P et al. Endoscopic light-induced autofluorescence spectroscopy for the diagnosis of colorectal cancer and adenoma. J Photochem Photobiol B 2003;70: Ortner MA, Ebert B, Hein E et al. Time gated fluorescence spectroscopy in Barrett s oesophagus. Gut 2003;52: Molckovsky A, Song LM, Shim MG et al. Diagnostic potential of near-infrared Raman spectroscopy in the colon: differentiating adenomatous from hyperplastic polyps. Gastrointest Endosc 2003;57: Poneros JM, Brand S, Bouma BE et al. Diagnosis of specialized intestinal metaplasia by optical coherence tomography. Gastroenterology 200;20: Poneros JM, Tearney GJ, Shiskov M et al. Optical coherence tomography of the biliary tree during ERCP. Gastrointest Endosc 2002;55: Pfau PR, Sivak MV Jr, Chak A et al. Criteria for the diagnosis of dysplasia by endoscopic optical coherence tomography. Gastrointest Endosc 2003;58: Shen B, Zuccaro G Jr, Gramlich TL et al. In vivo colonoscopic optical coherence tomography for transmural inflammation in inflammatory bowel disease. Clin Gastroenterol Hepatol 2004;2: La lettre de l hépato-gastroentérologue - n 2 - vol. IX - mars-avril