lmagerie hyperspectrale infrarouge pour l'identification sans marquage de pathogènes sur milieu gélosé

par Joël Le Galudec

Projet de thèse en BIS - Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement

Sous la direction de Pierre Marcoux et de Mathieu Dupoy.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble-LETI-DTBS-SBSC-LCMI (laboratoire) depuis le 08-10-2018 .


  • Résumé

    La pandémie de bactéries multirésistantes a un impact croissant sur la mortalité dans le monde entier. Avec l'apparition fin 2015 d'une résistance à la colistine, l'antibiotique de dernier recours, la situation s'aggrave et l'OMS prévoit que dans un futur proche les maladies infectieuses redeviendront la première cause de mortalité dans le monde. Face à cela, la première mesure est de généraliser un usage plus raisonné des antibiotiques (plus ciblés, en plus faible quantité). Les campagnes de prévention et de nouveaux outils de diagnostic, plus rapides et moins chers, devraient y contribuer. Dans ces conditions, le développement de techniques optiques de diagnostic est crucial pour répondre aux besoins croissants d'automatisation des laboratoires de microbiologie. Les méthodes optiques, en particulier lorsqu'elles ne recourent pas aux techniques de marquage, présentent des avantages décisifs : non invasives, rapides et non destructives, elles pourraient potentiellement permettre un diagnostic automatisé, fiable, bas coût et haut débit. Parmi les techniques optiques d'identification largement étudiées à l'heure actuelle, la spectroscopie Raman possède des atouts indiscutables. Elle permet une identification sans marquage, jusqu'à l'espèce, voire la souche, et ce sur des biomasses très faibles puisque l'acquisition de spectres de cellules uniques est possible en quelques secondes. Elle ne se prête pas par contre à une identification à haut débit, c'est-à-dire autorisant la caractérisation simultanée de plusieurs dizaines de colonies sur une même boite de Petri. C'est pourquoi l'imagerie hyperspectrale dans le visible fait l'objet d'un nombre croissant d'études : la visualisation d'une même boite de Petri à différentes longueurs d'ondes apporte la caractérisation simultanée de toutes les colonies de cette boite. Cette technique a déjà montré son intérêt pour opérer facilement et sans marquage un tri entre pathogènes d'intérêt, mais elle n'a pas permis d'aller jusqu'à l'identification du fait du peu d'information disponible à ces longueurs d'onde. Des techniques similaires opérées dans l'infrarouge sont très prometteuses car dans cette gamme de longueurs d'onde sont accessibles les transitions vibrationnelles de liaisons covalentes (C=0, C-C, C-OH, CH, etc.), qui renseignent efficacement sur la composition chimiques des cellules. L'objectif de la thèse est d'explorer les potentialités de l'imagerie hyperspectrale dans l'infrarouge pour identifier rapidement et sans marquage un grand nombre de colonies bactériennes en croissance sur boite de Petri. Ce type d'études est pour l'instant sans précédents du fait de la faible diffusion dans le secteur de la microbiologie des dernières avancées techniques en matière de sources et de capteurs pour l'infrarouge.

  • Titre traduit

    Infrared hyperspectral imaging for label-free identification of pathogens on gelose medium


  • Résumé

    The pandemic of multidrug-resistant bacteria is having an increasing impact on worldwide mortality. With the emergence in late 2015 of resistance to colistin, the last resort antibiotic, the situation is worsening and WHO predicts that in the near future infectious diseases will regain their position as the first death cause in the world. Faced with this, the first measure is to generalize a more reasoned use of antibiotics (more targeted, in smaller quantities). Prevention campaigns, faster and cheaper diagnostic tools, should contribute to this. Under these conditions, the development of optical diagnostic techniques is crucial to meet the growing need for automation in microbiology laboratories. Optical methods, especially label-free, have decisive advantages: non-invasive, fast and non-destructive, they could potentially enable automated, reliable, low-cost and high-speed diagnosis. Among the optical identification techniques currently studied, Raman spectroscopy has interesting advantages. It allows identification without labeling, up to the species or even the strain, and allow acquisition of single cell spectra in a few seconds. On the other hand, it does not lend itself to high-throughput identification, that is to say the simultaneous characterization of several dozen colonies on the same Petri dish. Therefore, hyperspectral visible-light imaging is the subject of a growing number of studies: the visualization of the same Petri dish at different wavelengths allows the simultaneous characterization of all the colonies of this box. This technique has already shown its interest since it allows simple label-free pathogens sorting operations, but it did not allow to go to the identification because of the little information available at these wavelengths. Similar techniques operating in the infrared are very promising since this range of wavelengths allows access to the vibrational transitions of covalent bonds (C = O, CC, C-OH, CH, etc.), which effectively inform the chemical composition of the cells. The aim of the thesis is to explore the potentialities of hyperspectral imaging in the infrared to identify rapidly and without labeling a large number of bacterial colonies growing on a Petri dish. This type of study is currently unprecedented because of the low communication in the microbiology sector of the latest technical advances in infrared sources and sensors.