FR3042873A1

FR3042873A1 - Procede et systeme de discrimination de cellules

Info

Publication number: FR3042873A1
Application number: FR1560174A
Authority: FR
Inventors: Franz Bozsak; Abdul Barakat; Pierluca Messina; Olivier Francais; Bruno Carreel; Pioufle Bruno Le
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Polytechnique; Ecole Normale Superieure de Cachan; Instent SAS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Polytechnique; Ecole Normale Superieure de Cachan; Sensome SAS
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-04-28
Also published as: JP6987063B2; JP2019502931A; US20180303372A1; WO2017068157A1; AU2016342404A1; US10912482B2; CN108700536B; CN108700536A; EP3365667A1; AU2016342404B2

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de discrimination de cellules d'une structure cellulaire, notamment d'un tissu cellulaire, comprenant les étapes consistant à déterminer (12) un spectre en fréquence de l'impédance de la structure cellulaire ; définir (22) au moins un modèle de l'impédance de la structure cellulaire incluant un élément à phase constante (30) ; déterminer (44) l'impédance de l'élément à phase constante (30) qui optimise la correspondance de chaque modèle de l'impédance de la structure cellulaire avec le spectre ; et déduire (66) de l'impédance de l'élément à phase constante (30) ou des impédances des éléments à phases constantes (30), une information sur les cellules de la structure cellulaire. L'invention se rapporte également à un système de mise en œuvre du procédé de discrimination de cellules d'une structure cellulaire.

Description

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE DISCRIMINATION DE CELLULES

La présente invention se rapporte à un procédé de discrimination de cellules et à un système de mise en œuvre de ce procédé.

Par discrimination de cellules, on entend ici la détermination d’informations relatives aux cellules d’un tissu ou plus généralement d’une structure cellulaire. Les informations relatives aux cellules peuvent notamment être le ou les types de cellules présentes dans le tissu et/ou leur état enflammé, cancéreux ou sain.

La détermination du type de cellules présentes dans un tissu est par exemple utile dans le suivi de la cicatrisation de l’endothélium d’une artère, après mise en place d’un stent. En effet, il est connu que l’insertion d’un stent provoque une blessure de l’endothélium de l’artère. Il se forme, suite à cette blessure, un tissu cicatriciel qui peut notamment comporter des cellules endothéliales, des cellules musculaires lisses et des plaquettes (ou thrombocytes). La prolifération de certaines de ces cellules peut provoquer des pathologies graves, telles que la resténose ou la thrombose. Il est donc particulièrement intéressant de pouvoir discriminer, notamment in situ, les cellules du tissu cicatriciel.

De nombreux dispositifs et procédés ont déjà été proposés, visant à déterminer le type de cellules et/ou l’état de cellules, notamment dans un tissu. Ces procédés se fondent habituellement sur une mesure de l’impédance du tissu ou des cellules.

Ainsi, US-B-6 437 551 décrit un dispositif microfluidique pour détecter et identifier des cellules. Ce dispositif microfluidique comporte une puce microfluidique avec au moins un microconduit muni d’électrodes, et un circuit électrique, relié aux électrodes, pour détecter des signaux associés aux passages de particules - notamment de cellules -parcourant le microconduit. Le dispositif microfluidique permet ainsi de mesurer des variations dans le spectre de l’impédance mesurée, en cas de passage de cellules dans le microconduit. Selon ce document, il est possible de déduire de ces variations du spectre de l’impédance mesurée, une capacité de la membrane de la cellule. US-B-6 437 551 indique qu’il est alors possible de différencier les cellules en fonction de cette capacité de la membrane, déterminée. Cependant, la capacité de la membrane déterminée présente de fortes variations d’une cellule à l’autre, même entre deux cellules du même type. Ce procédé présente donc un degré de fiabilité limité. En outre, ce procédé ne peut pas être mis en œuvre in vivo.

Par ailleurs, le brevet EP-B-2 271 933 décrit un procédé de caractérisation de cellules ou de structures cellulaires. Ce procédé consiste tout d’abord à déterminer une impédance normalisée d’un échantillon à tester, sur une plage de fréquences. L’impédance normalisée correspond au rapport entre l’impédance de l’échantillon effectivement mesurée dans le système de test utilisé, et une impédance à vide du système de test, sans l’échantillon à tester. Selon ce procédé, le type de cellules de l’échantillon peut alors être déterminé en fonction de la ou des fréquences d’un ou de pics de l’impédance normalisée. Cette méthode présente également un degré de fiabilité limitée. En effet, la fréquence du ou des pics de l’impédance normalisée peut fortement varier d’une mesure à l’autre et d’un système de test à l’autre. En outre, ce procédé est difficile à mettre en œuvre in vivo. En effet, ce procédé nécessite une mesure « à vide », avec des conditions de tests semblables aux conditions rencontrées lorsque l’échantillon à test est présent. Or, les propriétés du sang peuvent présenter des variations rapides et importantes.

En variante, EP-B-2 271 933 indique qu’il est possible de déterminer un circuit équivalent pour modéliser l’impédance normalisée. Dans ce cas, des conclusions peuvent être tirées de valeurs d’une capacité ou d’une résistance du circuit, qui sont caractéristiques d’un organisme et/ou de son stade de croissance. Cependant, EP-B-2 271 933 n’indique aucun modèle pouvant être mis en œuvre dans ce cadre.

Il existe donc un besoin pour un procédé perfectionné de discrimination de cellules dans une structure cellulaire, notamment dans un tissu, ne présentant pas les inconvénients des procédés connus. À cette fin, l’invention propose un procédé de discrimination de cellules d’une structure cellulaire, notamment d’un tissu cellulaire, comprenant les étapes consistant à : a) déterminer un spectre en fréquence de l’impédance de la structure cellulaire ; b) définir au moins un modèle de l’impédance de la structure cellulaire incluant un élément à phase constante ; c) déterminer l’impédance de l’élément à phase constante qui optimise la correspondance de chaque modèle de l’impédance de la structure cellulaire avec le spectre déterminé à l’étape a) ; d) déduire de l’impédance de l’élément à phase constante ou des impédances des éléments à phases constantes déterminée/s à l’étape c), une information sur les cellules de la structure cellulaire.

Il a été constaté que le procédé selon l’invention permet effectivement de différencier avec précision différents types de cellules et/ou différents états d’un même type de cellules. Le procédé est efficace et rapide. En outre, il ne nécessite pas de mesure d’étalonnage. Il peut être mis en œuvre in vivo, car il n’est pas nécessaire de procéder à un prélèvement de l’échantillon à tester.

Par ailleurs, comme cela sera décrit plus en détails ci-après, l’utilisation d’un modèle avec un élément à phase constante peut permettre de déduire des informations plus précises sur la structure cellulaire testée.

Selon des modes de réalisation préférés, le procédé selon l’invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : l’étape d) consiste en deux sous-étapes : dl) déduire de l’impédance de chaque élément à phase constante et, éventuellement, des paramètres qui optimisent la correspondance de chaque modèle de l’impédance de la structure cellulaire avec le spectre déterminé à l’étape a), une capacité effective représentative d’un ensemble de capacités élémentaires d’éléments de la structure cellulaire ; et d2) déduire de la capacité effective ou des capacités effectives déterminées à l’étape dl), une information sur les cellules de la structure cellulaire ; - à l’étape dl), la capacité effective est déterminée en identifiant l’impédance de la structure cellulaire et l’impédance d’un modèle électrique regroupant des circuits élémentaires en parallèle, chaque circuit élémentaire comprenant au moins une résistance élémentaire et au moins une capacité élémentaire, la capacité effective étant représentative de la capacité résultante de toutes les capacités élémentaires ; chaque circuit élémentaire comprend, de préférence est constitué d’une première résistance élémentaire en série avec un montage en parallèle d’une capacité élémentaire avec une deuxième résistance élémentaire, la capacité effective étant égale à la somme des capacités élémentaires ; à l’étape dl), la capacité effective est déterminée en identifiant l’impédance de la structure cellulaire et l’impédance d’un modèle électrique comprenant une première résistance montée en série avec un montage en parallèle d’une deuxième résistance avec la capacité effective ; à l’étape a), on détermine un spectre en fréquence de la partie réelle et/ou de la partie imaginaire et/ou du module et/ou de la phase de l’impédance de la structure cellulaire ; l’étape d) comporte une sous-étape de comparaison des paramètres de l’impédance de l’élément à phase constante et/ou du modèle de l’impédance de la structure cellulaire et/ou de la capacité effective de la structure cellulaire à des valeurs préétablies, correspondant notamment à des tests réalisés sur une ou plusieurs structures cellulaires de compositions connues ; à l’étape d), l’information sur les cellules de la structure cellulaire comporte au moins l’un parmi : - le type de cellules de la structure cellulaire ; - la composition de la structure cellulaire ; - le nombre de couches de cellules présentes dans la structure cellulaire ; et - l’état des cellules, notamment l’état enflammé, l’état cancéreux, l’état sain des cellules, ou l’état indifférencié ou différencié de cellules souches ; l’information étant déduite, le cas échéant, de la comparaison des paramètres du modèle de l’impédance de la structure cellulaire et/ou de la capacité effective déterminée, avec une ou des valeurs préétablies. - l’étape a) consiste à : i) mettre en contact la structure cellulaire avec au moins deux électrodes, de préférence quatre électrodes ; ii) appliquer un courant alternatif entre les électrodes implantées ; iii) faire varier la fréquence du courant alternatif et déterminer la tension et l’intensité de courant correspondantes ; iv) calculer l’impédance en déterminant le rapport entre la tension et l’intensité ; - un modèle de l’impédance de la structure cellulaire comporte, de préférence consiste en, une première résistance montée en série avec un branchement en parallèle de l’élément à phase constante et d’une deuxième résistance, le modèle incluant en outre, de préférence, un deuxième élément à phase constante, monté en série avec la première résistance ; - ledit un modèle de l’impédance de la structure cellulaire inclut en outre une troisième résistance, montée en parallèle avec le branchement en série de la première résistance avec la deuxième résistance et l’élément à phase constante en parallèle et, de préférence, le deuxième élément à phase constante, le cas échéant ; - un modèle de l’impédance de la structure cellulaire comporte, de préférence consiste en, le branchement en parallèle d’une résistance, d’une part, et d’une résistance montée en série avec l’élément à phase constante, d’autre part ; l’impédance Zcpe de l’élément à phase constante est de la forme :

où : j est la racine carrée de -1 ; co est la pulsation du courant traversant l’impédance ;

Qo, un nombre réel ; et a, un nombre réel compris entre 0 et 1, les paramètres Qo et a étant déterminés à l’étape c) ; à l’étape dl), la capacité effective est donnée par l’équation :

où RI, R2 et

- sont les impédances respectives d’une première résistance montée en série avec une deuxième résistance en parallèle avec un élément à phase constante pour former un modèle de calcul, ces impédances étant déterminées pour faire correspondre le modèle de la structure cellulaire avec le modèle de calcul, en fonction des paramètres du modèle de la structure cellulaire ; - à l’étape b), il est choisi un unique modèle de l’impédance de la structure cellulaire et, à l’étape c), il est choisi une unique forme de l’impédance de l’élément à phase constante ; et - à l’étape b), il est choisi plusieurs modèles de l’impédance de la structure cellulaire, et/ou, à l’étape c), il est choisi plusieurs formes de l’impédance de l’élément à phase constante, un choix du modèle de l’impédance de la structure cellulaire et/ou de la forme de l’impédance de l’élément à phase constante étant réalisé au cours d’une étape A), entre l’étape c) et l’étape d), qui optimise/nt un critère de correspondance du modèle de l’impédance avec la structure cellulaire, le critère de correspondance étant par exemple la minimisation de l’écart type entre le modèle de l’impédance de la structure cellulaire et le spectre déterminé à l’étape a).

Selon un autre aspect, l’invention se rapporte à un système pour mettre en œuvre un procédé tel que décrit ci-avant dans toutes ses combinaisons, comportant : des moyens de mesure d’une impédance d’une structure cellulaire ; et - une unité électronique de commande reliée aux moyens de mesure, pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.

Selon des modes de réalisation préférés, le système selon l’invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : les moyens de mesure comportent un générateur de courant alternatif, relié à deux, de préférence quatre électrodes destinées à être en contact avec la structure cellulaire, et un dispositif de mesure la tension ou de l’intensité du courant entre deux desdites électrodes, l’impédance correspondante pouvant alors être déterminée dans ladite unité électronique de commande ; et lesdits moyens de mesure comportent un dispositif médical, notamment un dispositif médicale implantable dans le corps humain ou applicable sur le corps humain, sur lequel sont fixées les électrodes, le dispositif médical étant alors de préférence adapté à communiquer sans contact avec l’extérieur du corps d’un patient une information relative à l’impédance ou à l’intensité et à la tension du courant entre les électrodes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, laquelle description fait référence aux dessins ci-annexés parmi lesquels : - La figure 1 est un ordinogramme d’un exemple de procédé de discrimination de cellules dans un tissu ; - La figure 2 est un ordinogramme d’un exemple de procédé de détermination d’un spectre en fréquence, de l’impédance d’un tissu ; - La figure 3 représente un exemple de spectre en fréquence du module de l’impédance d’un tissu de cellules ; - Les figures 4 à 7 illustrent des exemples de modèles de l’impédance du tissu, pouvant être mis en œuvre dans le procédé de la figure 1, incluant un élément à phase constante ; - La figure 8 montre un exemple sous forme de diagramme de capacités effectives de structures cellulaires déterminées au moyen du procédé de la figure 1 ; et - La figure 9 illustre un exemple de système de mise en œuvre du procédé de la figure 1.

Le procédé décrit ci-après en regard des différentes figures, permet une discrimination de cellules d’une structure cellulaire, notamment d’un tissu de cellules. Par « discrimination », on entend ici la possibilité, donnée par ce procédé, de distinguer des cellules, par exemple de déterminer le type de cellules du tissu. Plus généralement, la discrimination permise par le procédé consiste à déterminer au moins une information relative à des cellules dans un tissu testé. Des exemples d’informations pouvant être déterminées grâce à ce procédé sont donnés ultérieurement.

Le procédé 10 de discrimination de cellules, tel qu’illustré schématiquement sur la figure 1, comporte une première étape 12 de détermination d’un spectre en fréquence de l’impédance d’une structure cellulaire à tester. Dans la suite, on prend comme exemple de structure cellulaire, celui d’un tissu de cellules.

Par spectre, on entend ici un ensemble de couple de valeurs de l’impédance du tissu, celle-ci pouvant être complexe, et de la fréquence correspondante. Ce spectre peut ainsi être discret et ne comporter qu’un nombre fini de couples. Ces couples peuvent notamment être distants de plusieurs Hz, voire de plusieurs dizaines de Hz, même de plusieurs centaines de Hz. Cependant, de manière préférée, le spectre déterminé à cette étape est continu, pseudocontinu ou discrétisé, sur une plage de fréquences. Par pseudo-continu, on entend que le spectre est déterminé pour des fréquences successives séparées de 100 Hz ou moins, de préférence de 10 Hz ou moins de préférence encore de 1Hz ou moins. La plage de fréquences sur laquelle l’impédance du tissu est déterminée, s’étend par exemple à partir de 10 kHz, de préférence 100 kHz. En effet, en basses fréquences, la membrane des cellules du tissu agit comme un isolant électrique, si bien que l’impédance est très importante et, surtout, varie peu. Par ailleurs, la plage de fréquences sur laquelle l’impédance du tissu est déterminée, s’étend par exemple jusqu’à 100 MHz, de préférence 1 MHz. En effet, en hautes fréquences, la paroi des cellules composant les tissus devient transparente d’un point de vue électrique. L’impédance mesurée n’est donc plus représentative de la paroi cellulaire. Ce spectre peut être un spectre en fréquence de la partie réelle et/ou de la partie imaginaire et/ou du module et/ou de la phase de l’impédance complexe de la structure cellulaire.

Cette première étape 12 de détermination d’un spectre en fréquence de l’impédance du tissu peut notamment être réalisée comme décrit ci-après.

Tout d’abord, on met en contact, au cours d’une étape 14, deux, de préférence trois, de préférence encore quatre électrodes avec le tissu à tester, les électrodes étant reliées à un générateur de courant alternatif. La mesure avec quatre électrodes est préférée car elle permet de mettre en œuvre deux électrodes pour faire passer le courant dans le tissu à tester et de mesurer la différence de potentiel entre les deux autres électrodes. Ceci permet d’améliorer la précision de la mesure. Ensuite, durant une étape 16, on applique un courant alternatif entre les électrodes implantées dans le tissu. Puis, en faisant varier la fréquence du courant appliqué au cours d’une étape 18, on mesure la tension correspondante, aux bornes des électrodes pour différentes fréquences. Enfin, durant une étape 20, on calcule le rapport entre la tension mesurée et le courant appliqué, pour chacune des fréquences pour lesquelles la mesure a été réalisée. Ce rapport donne l’impédance du tissu testé, en fonction de la fréquence de mesure. Les rapports calculés permettent de définir un spectre en fréquence de l’impédance du tissu.

Lorsque le spectre est continu ou pseudo-continu, il peut être représenté comme illustré sur la figure 3, sous la forme d’une courbe donnant en l’espèce le module de l’impédance du tissu en fonction de la fréquence, cette dernière étant rapportée selon une échelle logarithmique. Il est à noter ici qu’une échelle logarithmique est utilisée sur Taxe des abscisses.

Dans une étape 22 du procédé de discrimination 10, on choisit alors différents modèles de l’impédance du tissu, c'est-à-dire différents circuits électriques pouvant modéliser le tissu. On choisit ici des modèles incluant un élément à phase constante, et non une capacité. En effet, il a été constaté qu’un élément à phase constante modélise de manière plus proche de la réalité, le comportement du tissu qu’une capacité.

Un élément à phase (ou CPE pour l’anglais « constant phase element ») a une impédance Zcpe de la forme :

[1] ou :

[2] où : - j est la racine carrée de -1 (j2 = -1) ; - ω la pulsation propre du courant (ω = 2πί, où f est la fréquence du courant) ; - Qo est un paramètre réel de l’élément à phase constante ; et - a est un autre paramètre réel de l’élément à phase constante, compris entre 0 et 1, de sorte que la phase cpCpE de l’élément à phase constante est égale έ-απ/2.

Dans la suite de la description, on choisit à titre d’exemple un élément à phase constante dont l’impédance est donnée par l’équation [1] ci-dessus.

Les modèles de l’impédance du tissu peuvent notamment être choisis parmi ceux décrits ci-après, en regard des figures 4 à 7. Bien entendu, plus le modèle est simple, plus les calculs sont simples. Par contre, un modèle complexe peut mieux correspondre au spectre de l’impédance obtenu par la mesure et donc donner des résultats plus précis.

Selon un premier modèle 24 illustré à la figure 4, l’impédance du tissu de cellules est modélisée par une première résistance 26 montée en série avec un branchement 28 en parallèle d’un élément à phase constante 30 et d’une deuxième résistance 32.

Dans ce cas, l’impédance totale Ztotdu tissu de cellule est de la forme : [3] où :

- Ztot est l’impédance totale du premier modèle 24 représentant le tissu de cellules ; - RI et R2 les valeurs de la résistance des première 24 et deuxième 30 résistances.

Un tel modèle décrit particulièrement bien un tissu recouvrant des électrodes de mesure, comme un ensemble de montages élémentaires en parallèles, chaque montage élémentaire étant composé d’une résistance élémentaire en série avec un montage en parallèle d’une résistance élémentaire et d’une capacité élémentaire. Un tel montage permet de modéliser une répartition de la constante de temps sur l’ensemble de la surface des électrodes de mesures, selon différents circuits en parallèle dont les paramètres peuvent être différents, chacun de ces circuits en parallèle représentant une cellule du tissu. On modélise ainsi le fait que les cellules du tissu peuvent présenter des propriétés électriques différentes, notamment une résistance et/ou une capacité dififérente/s.

Un deuxième modèle 34, illustré à la figure 5, complète le modèle 24 de la figure 5, par le montage en série d’un deuxième élément à phase constante 36. L’impédance Zcpe,2 de ce deuxième élément à phase constante 36 peut également être choisie de la forme : [4] où :

- β est un paramètre réel compris entre 0 et 1, de sorte que la phase, constante, de ce deuxième élément à phase constante est égale à -βπ/2 ; et - Qi, un paramètre réel de l’élément à phase constante.

L’impédance totale Ztot du tissu selon ce deuxième modèle 34 est donc donnée par l’équation ci-dessous : [5]

Un troisième modèle 38, illustré à la figure 6, correspond au modèle de la figure 4, monté en parallèle avec une troisième résistance 40, de résistance R3. Dans ce cas, l’impédance totale Ztot du tissu est donnée par l’équation :

[6]

Enfin, un quatrième exemple de modèle 42 est illustré sur à la figure 7. Ce modèle 42 comporte, tel qu’illustré, une première résistance 26, montée en parallèle avec un montage en série d’un élément à phase constante 30 et d’une deuxième résistance 32. L’impédance totale Ztot du tissu est donnée pour ce modèle 42, par l’équation :

[7]

Le procédé de discrimination se poursuit alors par une étape 44, au cours de laquelle on détermine pour chaque modèle choisi à l’étape 22, l’impédance de l’élément à phase constante 30, qui optimise la correspondance entre le modèle de l’impédance du tissu de cellules et le spectre déterminé à l’étape 12.

Cette étape d’optimisation de la correspondance entre le modèle de l’impédance du tissu et le spectre déterminé à l’étape 12 peut être mise en œuvre par tout procédé d’optimisation connu de l’homme du métier. A titre d’exemple, la méthode des moindres carrés peut être mise en œuvre, qui permet une réalisation pratique et relativement simple de cette étape 44.

Bien sûr, en pratique, les autres paramètres des différents modèles, autre que ceux de l’impédance de l’élément à phase constante sont également déterminés au cours de cette étape 44. Ces éléments peuvent également être utiles pour obtenir des informations sur la structure cellulaire testées et/ou sur les cellules qui la composent.

Une étape intermédiaire 46 du procédé de discrimination 10 peut alors être prévue. Cette étape 46 consiste à déterminer le modèle qui semble le mieux correspondre au spectre mesuré de l’impédance du tissu. Ce meilleur modèle peut par exemple être celui qui minimise l’écart type avec le spectre mesuré. Dans la suite de la description, on se place dans le cas où le modèle 24 est retenu comme celui correspondant le mieux au spectre mesuré de l’impédance du tissu.

Au cours d’une étape 48, on déduit des paramètres de l’impédance de l’élément à phase constante et du modèle correspondant, une capacité effective (ou capacité apparente) du tissu de cellules.

De manière théorique, cette capacité effective est représentative d’un ensemble de capacités élémentaires d’éléments de la structure cellulaire. Ces éléments de la structure cellulaire peuvent notamment être l’ensemble ou une partie des noyaux des cellules de la structure cellulaire. La capacité effective est un modèle qui nous permet de représenter le comportement électrique membranaire d’une partie ou de l’ensemble d’une structure cellulaire. Ce modèle permet de discriminer de manière pertinente les cellules.

De manière plus pratique, cette capacité effective est déterminée en identifiant l’impédance de la structure cellulaire choisie avec un modèle comprenant des montages élémentaires en parallèle, chaque montage élémentaire comprenant au moins une résistance élémentaire et une capacité élémentaire. Chaque montage peut notamment comprendre, de préférence être constitué, d’une première résistance élémentaire en série avec un montage en parallèle d’une capacité élémentaire avec une deuxième résistance élémentaire. Ces montages élémentaires visent à modéliser le comportement de chaque cellule de la structure cellulaire. La capacité effective est alors la capacité résultante dans la structure cellulaire de la présence de toutes les capacités élémentaires.

Dans le cas du modèle 24 (ou 34), la détermination de la capacité effective peut notamment être réalisée comme suit. On compare l’impédance du modèle 24 avec un élément à phase constante avec l’impédance d’un modèle équivalent ou identique, où l’élément à phase constante est remplacé par une capacité effective. Le calcul à proprement parlé de la capacité effective peut alors être réalisé en comparant la partie réelle et/ou de la partie imaginaire et/ou la phase et/ou le module de l’impédance du modèle choisi pour la structure cellulaire avec un élément à phase constante, avec le modèle identique où l’élément à phase constante est remplacé par une capacité effective.

Dans le cas du modèle 24 (ou 34), par exemple, en introduisant une constante de temps

dans l’équation de l’admittance du modèle 24, directement déduite de l’équation [3], on obtient l’équation [8] ci-dessous :

[8] D’où une formule pour la capacité effective peut être déduite, sous la forme :

[9]

Dans le cas où un autre modèle d’impédance de la structure cellulaire avec un élément à phase constante est choisi, on peut déterminer une équation correspondante de la capacité effective. Pour ce faire, il suffit de calculer les impédances Ri, R2, Zcpe et Zcpe,2, le cas échéant, du modèle 24 ou 34, en fonction des paramètres du modèle choisi, pour que le modèle 24 ou 34 soit électriquement équivalant au modèle de l’impédance de la structure cellulaire choisi. La capacité effective peut alors être calculée en remplaçant Ri, R2, Zo et a par les valeurs correspondantes, exprimées en fonction des paramètres du modèle choisi.

Le procédé 10 de discrimination de cellules se poursuit alors par une étape 66 de déduction d’une information sur les cellules du tissu, à partir de la capacité effective déterminée précédemment.

Cette déduction peut notamment être faite par comparaison de la valeur de la capacité effective déterminée à l’étape 48, avec des valeurs préétablies. Les valeurs préétablies peuvent notamment être obtenues au cours de tests réalisés sur des tissus de compositions connues, dans des milieux connus, et avec des conditions de tests connues. Les valeurs préétablies peuvent être regroupées dans une base de données de valeurs de capacité effective, regroupant les capacités effectives mesurées pour différents types de cellules et/ou différents états de différentes cellules et/ou dans différentes conditions de test. fl est ainsi possible de discriminer les cellules du tissu, c'est-à-dire de déterminer au moins l’une des informations suivantes : - le type de cellules dans le tissu ; - la composition du tissu, notamment si celui-ci est composé de différents types de cellules ou de cellules dans différents états ; - le nombre de couches de cellules présentes dans le tissus ; et/ou - l’état des cellules, notamment si les cellules sont dans un état sain, dans un état enflammé, dans un état dégénéré, notamment s’il s’agit d’une ou de cellules cancéreuses, dans un état infecté ou si elles sont différenciées. À titre d’exemple, la figure 8 représente sous forme d’un diagramme, les capacités effectives 68, 70, 72, 74 déterminées dans le cadre d’un test mené selon le procédé décrit précédemment.

Dans le cadre d’un test, des cellules ont été cultivées jusqu’à obtention de la confluence des cellules. Dans le cas de l’exemple du test qui a été mené, il a fallu deux jours de culture dans un incubateur, à 37°C et 5% de CO2 pour obtenir par confluence, les tissus à tester. La détermination du spectre de l’impédance des différents tissus à tester a été réalisée à l’aide d’un système de spectroscopie d’impédance. Le spectre a été déterminé entre 1 kHz et 10 MHz, en appliquant une tension alternative estimée assez faible pour ne pas exciter électriquement les cellules étudiées, mais suffisante pour avoir des mesures correctes. Dans l’exemple du test mené, une amplitude 20 mV de la tension alternative a été retenue.

La capacité effective 68 est celle du milieu de test, statique, seul. Ce milieu de test est un milieu de culture cellulaire. La capacité effective 70 est celle de cellules endothéliales d’aorte de bovin (BAEC). La capacité effective 72 est celle de cellules musculaires lisses d’aorte de bovin (BAOSMC). Enfin, la capacité effective74 est celle de plaquettes sanguines (ou thrombocytes). Comme le montre ce diagramme, les capacités effectives des différents types de cellules présentent des valeurs nettement différentes les unes des autres, ce qui permet effectivement de distinguer entre les différents types de cellules avec précision, sans risque de confusion.

Ainsi, un avantage du procédé de discrimination décrit est qu’il permet la discrimination de cellules dans une structure cellulaire, notamment dans une structure cellulaire confluente et monocouche, recouvrant les électrodes, à partir d’une simple mesure d’un spectre en fréquence d’une impédance de la structure à tester. Les résultats obtenus sont précis. Il n’est pas nécessaire de procéder à une normalisation de l’impédance mesurée, ni de procéder à une mesure de référence en l’absence de tout échantillon à tester. Le procédé peut ainsi être mis en œuvre in vivo, c'est-à-dire sans nécessité de prélèvement préalable de cellules ou d’une structure cellulaire à tester.

Il est à noter, dans le cas où une capacité effective est déterminée, que cette seule valeur est souvent suffisante pour discriminer les cellules du tissu. Les paramètres du modèle choisi de l’impédance de la structure cellulaire à tester, peuvent également être comparés à des valeurs préétablies pour préciser le résultat de la comparaison de la capacité effective. Par exemple, quand les cellules sont enflammées, la jonction entre les cellules est plus lâche. La résistance en basse fréquence - c'est-à-dire la résistance 32 du modèle 24 par exemple - est alors plus faible, par rapport à des cellules saines. Une comparaison de la valeur de cette résistance avec une valeur préétablie pour des cellules saines, non enflammées, peut alors permettre de déterminer l’état enflammé de ces cellules.

Il est à noter également que les autres paramètres du modèle peuvent être considérés pour discriminer les cellules. Cependant, ces autres paramètres peuvent également permettre de déterminer des informations complémentaires sur la structure cellulaire testée. Ainsi, par exemple, R2 ou la somme Ri + R2 des résistances 26, 32 du modèle 24 peut être considérée pour déterminer l’épaisseur de la structure cellulaire. Pour ce faire, on détermine les valeurs R2 et éventuellement Ri, notamment de manière concomitante à la détermination de l’impédance de l’élément à phase constante, de manière à optimiser la correspondance du modèle 24 avec le spectre d’impédance mesuré. La valeur R2 ou la somme Ri + R2 peut alors être comparée à des valeurs correspondantes, prédéterminées dans des conditions connues, par exemple in vitro. Ces valeurs prédéterminées peuvent notamment être enregistrées sous forme de bases de données.

Comme évoqué précédemment, le procédé peut aisément être mis en œuvre dans le cadre de dispositifs implantables dans le corps humain ou applicable sur le corps humain. A titre d’exemple, la figure 9 illustre un exemple 100 de système pour mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment.

Le système 100 comporte essentiellement des moyens 102 de mesure de l’impédance d’une structure cellulaire 104, ici un tissu monocouche de cellules confluentes, plongée dans un milieu 105, par exemple du sang, et une unité électronique de commande 106, reliée aux moyens de mesure 102, pour mettre en œuvre le procédé et discriminer les cellules de la structure cellulaire 104 en fonction de l’impédance mesurée.

Les moyens de mesure 102 comportent ici un générateur électrique 108 de courant alternatif, relié à deux électrodes 110, 112 en contact avec la structure cellulaire 104. Les moyens de mesure 102 comporte encore un dispositif 114 de détermination de l’intensité traversant la structure cellulaire 104, relié à ladite structure cellulaire 104 par deux électrodes 116, 118 en contact avec la structure cellulaire 104. L’unité électronique de commande 106 est reliée au générateur électrique 108 et au dispositif de mesure d’intensité 114, pour pouvoir déterminer l’impédance de la structure cellulaire 104, par exemple à partir de la mesure de la tension et de l’intensité aux bornes des électrodes 110, 112, 116, 118.

Les électrodes 110, 112, 116, 118 sont constituées en un matériau conducteur électrique, comme par exemple de l’or.

Ici, avantageusement, les moyens de mesure 102 comportent en outre un dispositif médical 120 implantable dans le corps humain, ici un stent 120, ou applicable sur le corps humain. Dans ce cas, les électrodes 110, 112, 116, 118, le générateur de tension alternative et le dispositif de mesure de l’intensité peuvent être fixé sur ce dispositif médical. Le dispositif médical est par exemple tel que décrit dans la demande FR 14/59531.

Dans ce cas, le générateur électrique alternatif 108 peut comporter un induit, comme le corps du dispositif médical ou une antenne électriquement isolée du corps du dispositif médical, adapté à émettre un courant électrique sous l’effet d’un champ électromagnétique émis par une unité d’interrogation externe au stent 120. Les électrodes peuvent former alors un capteur à impédance variable, dont l’impédance varie en fonction de la structure cellulaire qui les recouvre. Enfin, l’unité électronique de commande peut recevoir une information relative à l’impédance entre les électrodes, notamment par émission d’un champ magnétique par une antenne fixée sur le corps du dispositif médical implantable 120.

Le stent 120 peut ainsi permettre de vérifier le bon déroulement de la cicatrisation de l’endothélium, après la mise en place du stent 120. En effet, un tel stent 120, en coopération avec l’unité électronique de commande, permet de déterminer, en mettant en œuvre le procédé de la figure 1, si la structure cellulaire qui se forme à la surface de l’endothélium comporte essentiellement des cellules endothéliales saines, des cellules endothéliales enflammées, des cellules musculaires lisses et/ou des plaquettes. L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits ci-avant et de nombreuses variantes sont possibles, en restant dans le cadre de la définition donnée par les revendications jointes.

Ainsi, par exemple, il est possible de choisir un unique modèle de l’impédance du tissu à l’étape 22. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de réaliser l’optimisation pour plusieurs modèles. Le procédé est donc plus simple et plus rapide à mettre en œuvre dans ce cas. Il est notamment possible de procéder ainsi, quand un modèle est considéré comme plus pertinent.

Par ailleurs, dans les exemples décrits, la discrimination des cellules s’appuie essentiellement sur la capacité effective calculée et sur sa comparaison avec des valeurs préétablies. En variante, cependant, il est possible de procéder à la discrimination des cellules à partir des paramètres du modèle choisi de l’impédance de la structure cellulaire.

Cependant, il semble que la comparaison de la seule valeur de la capacité effective est à la fois simple et permet une discrimination fiable des cellules.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de discrimination de cellules d’une structure cellulaire, notamment d’un tissu cellulaire, comprenant les étapes consistant à : a) déterminer (12) un spectre en fréquence de l’impédance de la structure cellulaire ; b) définir (22) au moins un modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) incluant un élément à phase constante (30) ; c) déterminer (44) l’impédance de l’élément à phase constante (30) qui optimise la correspondance de chaque modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) avec le spectre déterminé à l’étape a) ; d) déduire (66) de l’impédance de l’élément à phase constante (30) ou des impédances des éléments à phases constantes (30) déterminée/s à l’étape c), une information sur les cellules de la structure cellulaire.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape d) consiste en deux sous-étapes : dl) déduire (48) de l’impédance de chaque élément à phase constante (30) et, éventuellement, des paramètres qui optimisent la correspondance de chaque modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) avec le spectre déterminé à l’étape a), une capacité effective représentative d’un ensemble de capacités élémentaires d’éléments de la structure cellulaire ; et d2) déduire (66) de la capacité effective ou des capacités effectives déterminées à l’étape dl), une information sur les cellules de la structure cellulaire.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, à l’étape dl), la capacité effective est déterminée en identifiant l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) et l’impédance d’un modèle électrique regroupant des circuits élémentaires en parallèle, chaque circuit élémentaire comprenant au moins une résistance élémentaire et au moins une capacité élémentaire, la capacité effective étant représentative de la capacité résultante de toutes les capacités élémentaires.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel chaque circuit élémentaire comprend, de préférence est constitué d’une première résistance élémentaire en série avec un montage en parallèle d’une capacité élémentaire avec une deuxième résistance élémentaire, la capacité effective étant égale à la somme des capacités élémentaires.
5. Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel à l’étape dl), la capacité effective est déterminée en identifiant l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) et l’impédance d’un modèle électrique comprenant une première résistance montée en série avec un montage en parallèle d’une deuxième résistance avec la capacité effective.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape a), on détermine un spectre en fréquence de la partie réelle et/ou de la partie imaginaire et/ou du module et/ou de la phase de l’impédance de la structure cellulaire.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape d) comporte une sous-étape de comparaison des paramètres de l’impédance de l’élément à phase constante et/ou du modèle de l’impédance de la structure cellulaire et/ou de la capacité effective de la structure cellulaire à des valeurs préétablies, correspondant notamment à des tests réalisés sur une ou plusieurs structures cellulaires de compositions connues.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape d), l’information sur les cellules de la structure cellulaire comporte au moins l’un parmi : le type de cellules de la structure cellulaire ; la composition de la structure cellulaire ; le nombre de couches de cellules présentes dans la structure cellulaire ; et l’état des cellules, notamment l’état enflammé, l’état cancéreux, l’état sain des cellules, ou l’état indifférencié ou différencié de cellules souches ; l’information étant déduite, le cas échéant, de la comparaison des paramètres du modèle de l’impédance de la structure cellulaire et/ou de la capacité effective déterminée, avec une ou des valeurs préétablies.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins deux électrodes, de préférence quatre électrodes, étant en contact avec la structure cellulaire, dans lequel l’étape a) consiste à : i) appliquer (16) un courant alternatif entre les électrodes implantées ; ii) faire varier (18) la fréquence du courant alternatif et déterminer la tension et l’intensité de courant correspondantes ; iii) calculer (20) l’impédance en déterminant le rapport entre la tension et l’intensité.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38) comporte, de préférence consiste en, une première résistance (26) montée en série avec un branchement en parallèle de l’élément à phase constante (30) et d’une deuxième résistance (32), le modèle incluant en outre, de préférence, un deuxième élément à phase constante (36), monté en série avec la première résistance (26).
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit un modèle de l’impédance de la structure cellulaire (38) inclut en outre une troisième résistance (40), montée en parallèle avec le branchement en série de la première résistance (26) avec la deuxième résistance (32) et l’élément à phase constante (30) en parallèle et, de préférence, le deuxième élément à phase constante (36), le cas échéant.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un modèle de l’impédance de la structure cellulaire (42) comporte, de préférence consiste en, le branchement en parallèle d’une résistance (26), d’une part, et d’une résistance (32) montée en série avec l’élément à phase constante (30), d’autre part.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’impédance Zcpe de l’élément à phase constante (30) est de la forme : où :

- j est la racine carrée de -1 ; ω est la pulsation du courant traversant l’impédance ; Qo, un nombre réel ; et - a, un nombre réel compris entre 0 et 1, les paramètres Qo et a étant déterminés à l’étape c).
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la revendication 5 s’appliquant, dans lequel à l’étape dl), la capacité effective est donnée par l’équation :

où RI, R2 et

sont les impédances respectives d’une première résistance montée en série avec une deuxième résistance en parallèle avec un élément à phase constante pour former un modèle de calcul, ces impédances étant déterminées pour faire correspondre le modèle de la structure cellulaire avec le modèle de calcul, en fonction des paramètres du modèle de la structure cellulaire.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape b), il est choisi un unique modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) et, à l’étape c), il est choisi une unique forme de l’impédance de l’élément à phase constante (30).
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel, à l’étape b), il est choisi plusieurs modèles de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42), et/ou, à l’étape c), il est choisi plusieurs formes de l’impédance de l’élément à phase constante (30), un choix du modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) et/ou de la forme de l’impédance de l’élément à phase constante (30) étant réalisé au cours d’une étape A), entre l’étape c) et l’étape d), qui optimise/nt un critère de correspondance du modèle de l’impédance (24 ; 34 ; 38 ; 42) avec la structure cellulaire, le critère de correspondance étant par exemple la minimisation de l’écart type entre le modèle de l’impédance de la structure cellulaire (24 ; 34 ; 38 ; 42) et le spectre déterminé à l’étape a).
17. Système pour mettre en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant : - des moyens (102) de mesure d’une impédance d’une structure cellulaire ; et - une unité électronique de commande (106) reliée aux moyens de mesure (102), pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
18. Système selon la revendication 17, dans lequel les moyens de mesure comportent un générateur de courant alternatif (108), relié à deux, de préférence quatre électrodes (110 ; 112 ; 116 ; 118) destinées à être en contact avec la structure cellulaire (104), et un dispositif (114) de mesure la tension ou de l’intensité du courant entre deux desdites électrodes, l’impédance correspondante pouvant alors être déterminée dans ladite unité électronique de commande (106).
19. Système selon la revendication 18, dans lequel lesdits moyens de mesure comportent un dispositif médical (120), notamment un dispositif médicale implantable dans le corps humain ou applicable sur le corps humain, sur lequel sont fixées les électrodes, le dispositif médical (120) étant alors de préférence adapté à communiquer sans contact avec l’extérieur du corps d’un patient une information relative à l’impédance ou à l’intensité et à la tension du courant entre les électrodes.