Développement de méthodes biophotoniques appliquées aux biofluides pour le diagnostic rapide et non-invasif du cancer
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Abstract EN:
Vibrational spectroscopy (VS) relates to the specific optical techniques of infrared and Raman spectroscopy (RS). These techniques probe molecular vibrations of the sample when light interacts with it, which present ‘fingerprints’ of the global biochemistry. Both techniques hold great promise in disease diagnostics, especially with ‘liquid biopsies’ for biofluids. This study developed bio-spectroscopic methodologies to query the serum biochemistry towards rapid diagnosis and detection of diseases. The aim was two-fold; i) to develop FTIR and RS methodologies to query sera for pre-analytical variation. Secondly, to use liquid RS combined chemometric analysis to interpret pathological data for its diagnostic and prognostic potential. Beyond proof of concept with investigations in to preanalytical variation (which proved no effect is seen on the serum profile) via serum freeze-thawing and environmental drying, three diagnostic studies were sought; from patient cases, i.e., hepatocellular carcinoma from cirrhotic sera, cirrhosis from fibrotic sera, and varying degrees of gliomas from brain tumour sera. Throughout, a suite of FTIR and Raman spectroscopy techniques were employed/developed, such serum ATR-FTIR, HT-FTIR (high throughput screening), Raman microspectroscopy on liquid and dried human sera, and Raman microspectroscopy on liquid sera. Advanced multivariate analysis and chemometric approaches were employed such as PCA, HCA, PLS-DA, forward LDA, radial basis function SVM-LOOCV, Random forest classifiers, all towards developing a robust disease classifier. Across all diagnostic studies, results showed moderate- good diagnostic ability with one method succeeding the other in various cases. It was shown that spectroscopy combined with advanced chemometric methods can provide a good adjunct to clinical screening settings, such as point-of-care areas.
Abstract FR:
La spectroscopie vibrationnelle englobe les techniques optiques spécifiques de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et Raman (RS). Ces techniques sondent les vibrations moléculaires de l’échantillon lorsque la lumière interagit avec celui-ci, ce qui représente des ‘empreintes moléculaires’ de la composition chimique globale. Les deux techniques sont très prometteuses pour le diagnostic en santé, notamment dans le cadre des ‘biopsies liquides’, en particulier les biofluides. Cette étude a porté sur le développement des méthodologies bio-spectroscopiques pour l’analyse biochimique du sérum à visée diagnostic rapide et détection de pathologies. Le but était double. i) développer des méthodologies IRTF et RS pour étudier les variations pré-analytiques du sérum et ii) utiliser l’approche RS liquide couplée à une analyse chimiométrique pour évaluer le potentiel diagnostique sur des cas réels de données patients. Au-delà de la preuve–de-concept et des études sur les variations préanalytiques (qui n’ont montré aucun effet sur le profil spectral sérique) par la congélation/décongélation du sérum et le séchage en milieu ambiant, trois études diagnostiques ont été menées sur des sérums provenant de patients avec différentes pathologies : cirrhotiques avec ou sans un carcinome hépatocellulaire, différents stades de fibrose et différents stades de tumeurs cérébrales. Tout au long de cette thèse, une série de techniques spectroscopiques IRTF et Raman ont été développées/utilisées, telles que l’ATR-IRTF, HTS-IRTF (IRTF à haut débit), spectroscopie Raman sur sérums humains séchés et liquides. Des approches chimiométriques avancées ont été utilisées telles que PCA, HCA, PLS-DA, LDA avancé, SVM-LOOCV avec fonction de base radiale et classifieurs Random Forest, avec pour but de développer un classificateur robuste de diagnostique d’une pathologie. Dans toutes les études de diagnostic, les résultats ont montré une capacité diagnostique modérée à bonne. Ces travaux démontrent que la spectroscopie vibrationnelle associée à des méthodes chimiométriques avancées peut constituer une approche complémentaire pour le diagnostic clinique, tels que les zones de soins.