FTIR imaging: A potential new tool to characterize cancer cells and tumor infiltrating lymphocytes in human breast cancer/Caractérisation des cellules tumorales et des lymphocytes infiltrant les tumeurs mammaires par imagerie infrarouge

Breast cancer is the most common cancer in women. It is a highly heterogeneous disease in terms of histology, therapeutic response and patient outcomes. Early and accurate detection of breast cancer is crucial as the patient prognosis varies greatly depending on the diagnosis of the disease. Nonetheless current breast cancer classification methods fail to precisely sub-classify the disease, resulting in potential inadequate therapeutic management of patients and subsequent poor clinical outcomes. Substantial effort is therefore put in cancer research to develop methods and find new biomarkers efficiently identifying and characterizing breast tumor cells. Moreover it is now well-recognized that the intensive cross-talk between cancer cells and their microenvironment (including non-tumor cells) highly influences cancer progression. Recently, a growing body of clinical evidence reported the prognostic and predictive value associated with the presence of tumor infiltrating lymphocytes (TILs) in the microenvironment of breast tumors. Although the evaluation of TILs would be of great value for the management of patients and the development of new immunotherapies, it is currently not assessed in routine practice. Furthermore Fourier transform infrared (FTIR) imaging has shown its usefulness to study a panel of human cancers. Infrared (IR) spectroscopy coupled to microscopy provides images composed of multiple spectra reflecting the biochemical composition and subtle modifications within biological samples. IR imaging therefore provides useful information to improve breast cancer identification and characterization. The ultimate aim of this thesis is to improve breast cancer diagnosis using FTIR imaging to better identify and characterize cancer cells and the tumor microenvironment of breast cancers. In a first step we carried out a feasibility study aiming at evaluating the impact of the sample fixation process on IR spectra. While spectra were undeniably influenced by this biochemical alteration, our results indicated that closely-related cell types were influenced similarly and could still be discriminated on the basis of their spectral features. We then demonstrated the capability of IR imaging to discriminate a tumor from a normal tissue environment based on the spectral features of tumor cells and the surrounding extracellular matrix. A particular focus was placed on the identification of lymphocyte spectral signatures of cells isolated from blood or present within secondary lymphoid organs such as tonsils. Our results revealed that IR imaging was sensitive enough to discriminate lymphocyte subpopulations and to identify a particular spectral signature that we assigned to lymphocyte activation. Finally we highlighted the potential value of IR imaging as complementary tool to identify and characterize TILs in breast tumor samples. Altogether, our results suggest that IR imaging provides interesting and reliable information to improve breast cancer characterization and to assess the immune microenvironment of breast tumors. / Le cancer du sein est le carcinome le plus fréquent chez la femme. C’est une maladie très hétérogène du point de vue histologique, de la réponse thérapeutique et de l’évolution clinique. Une détection rapide et précise de la maladie est cruciale, un diagnostic du cancer du sein dès les premiers stades de la maladie permet une meilleure prise en charge du patient et est directement associé à un meilleur pronostic. Néanmoins la classification actuelle des cancers du sein ne permet souvent pas de caractériser la maladie de manière précise, ce qui donne lieu à la mise en place de traitements moins ciblés et une évolution clinique peu favorable. Pour remédier à cela, des efforts conséquents sont réalisés en recherche, dans le but de mettre au point des méthodes capables d’identifier et de caractériser les cellules tumorales. De plus il est actuellement reconnu que le micro-environnement tumoral (composé des cellules non-tumorales) influence fortement la progression du cancer. Récemment de nombreuses études ont montré que la présence de lymphocytes au niveau des tumeurs mammaires (TILs) était corrélée à un meilleur facteur pronostic et prédictif. Bien que l’évaluation des TILs soit de grande importance dans le cadre des immunothérapies, cet élément n’est actuellement pas pris en compte dans les analyses de routine. Par ailleurs, l’imagerie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR) a démontré son utilité dans l’étude de plusieurs cancers humains. La spectroscopie infrarouge (IR) couplée à la microscopie fourni des images composées de multiples spectres qui reflètent la composition biochimique et les modifications dans les échantillons biologiques. De ce fait l’imagerie infrarouge procure des informations utiles pour améliorer l’identification et la caractérisation du cancer du sein. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer le diagnostic du cancer du sein par imagerie FTIR pour mieux identifier et caractériser les cellules cancéreuses et le micro-environnement tumoral des tumeurs mammaires. Dans un premier temps nous avons effectué une étude de faisabilité afin d’évaluer l’impact du protocole de fixation des tissus sur les spectres IR. Bien que les spectres soient indéniablement influencés par cette altération biochimique, nos résultats indiquent que des types cellulaires proches sont influencés de manière similaire et peuvent donc être discriminés sur base de leurs caractéristiques spectrales. Nous avons ensuite démontré la capacité de l’imagerie IR de distinguer un environnement tumoral d’un environnement normal sur base des particularités spectrales des cellules tumorales et de la matrice extracellulaire. Une attention particulière a ensuite été portée afin d’identifier des signatures spectrales de cellules immunitaires du sang et au sein d’organes lymphoïdes secondaires, tels que les amygdales. Nos résultats ont révélé que l’imagerie IR permet d'identifier une signature spectrale particulière, que nous avons associée à une stimulation lymphocytaire. Finalement nous avons mis en évidence l’utilité de l’imagerie IR en tant qu’outil complémentaire pour identifier et caractériser les TILs dans les échantillons tumoraux mammaires. De manière générale, nos résultats suggèrent que l’imagerie IR fournit des informations intéressantes et fiables pour améliorer la caractérisation et l’évaluation du micro-environnement immunitaire dans les tumeurs mammaires.
Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique
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