Étude de cas :
Comment l'optique façonne la recherche sur les maladies respiratoires

L'avenir de la santé respiratoire dépend des progrès réalisés dans notre compréhension de la fonction pulmonaire. Le Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces de l'université d'Hawaï à Manoa utilise des systèmes optiques pour étudier les interfaces des gouttelettes dans le cadre de la recherche sur la respiration.

Pourquoi l’étude des gouttelettes
sauve des vies

Le Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces travaille depuis plus de dix ans à la simulation et à l'étude de la respiration à l'aide de gouttelettes de surfactant pulmonaire. Dirigée par le professeur Yi Zuo, une équipe interdisciplinaire composée d'étudiants de premier cycle et de second cycle, ainsi que de chercheurs postdoctoraux, a créé un système optique qui rend possible l'analyse de la fonction pulmonaire en laboratoire. L'idée est que ces gouttelettes simulent le surfactant pulmonaire humain, un complexe phospholipide-protéine fabriqué dans les poumons d'un individu sain qui lui permet de respirer sans effort important. Afin d'observer attentivement la simulation respiratoire, un système optique doit créer des images nettes d'une gouttelette afin de permettre l’analyse des propriétés de sa surface. La première application primaire de cette recherche consiste à appliquer les résultats aux applications cliniques de la thérapie par surfactant pulmonaire pour les affections des nourrissons, telles que le syndrome de détresse respiratoire néonatale. Les applications se sont depuis élargies pour inclure des études sur les effets des aérosols dangereux pour l'environnement et de la COVID-19 sur les processus respiratoires. Le laboratoire du Dr Zuo a remporté le prix Norman Edmund Inspiration Award 2020 d'Edmund Optics pour avoir incarné l'héritage du fondateur Norman Edmund, qui consiste à inspirer l'amour de la science aux jeunes générations. Le laboratoire intègre des composants d'Edmund Optics dans ses recherches depuis plus de dix ans.  

Le surfactomètre créé par le Dr Zuo et son équipe utilise des objectifs télécentriques, des illuminateurs télécentriques, des caméras et des composants optomécaniques d'Edmund Optics pour étudier le comportement respiratoire. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yi Zuo du Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces de l'Université d'Hawaï à Manoa.
Figure 1 : Le surfactomètre créé par le Dr Zuo et son équipe utilise des objectifs télécentriques, des illuminateurs télécentriques, des caméras et des systèmes optomécaniques d'Edmund Optics pour étudier le comportement respiratoire. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yi Zuo du Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces de l'Université d'Hawaï à Manoa.

Le système optique : Éclairage et imagerie télécentrique

Le Dr Zuo et son équipe utilisent une méthode d'étude connue sous le nom d'analyse de la forme des gouttes pour déterminer la tension de surface en mesurant précisément la silhouette d'une goutte. Le facteur le plus important dans l'étude de ces gouttelettes est la capacité de visualiser clairement leur forme et leurs bords avec un contraste net. Pour ce faire, une gouttelette est rétroéclairée par l'illuminateur télécentrique, qui fait face à une caméra du côté opposé. La caméra est équipée d'un objectif télécentrique qui élimine l'erreur de parallaxe et permet de mesurer avec précision la taille et la forme de la goutte. Lorsque le système est utilisé, le simulateur respiratoire imite le comportement des poumons humains tandis que le système d'imagerie capture les propriétés changeantes de la gouttelette oscillante.

L'illuminateur télécentrique est un facteur clé du succès de ce système car il émet des rayons lumineux collimatés et parallèles, ce qui permet d'obtenir des bords nets lors de l'imagerie d'un objet. Grâce à l'inclusion d'un illuminateur télécentrique dans le système, la forme de la goutte est clairement capturée et sa tension de surface est déterminée à l'aide de l'équation de Laplace de la capillarité. Les objectifs d'imagerie télécentriques améliorent encore la précision en éliminant l'erreur de parallaxe, ou de perspective, qui, dans les systèmes d'imagerie classiques, fait paraître les objets plus éloignés plus petits que ceux qui sont plus proches. Vous trouverez de plus amples informations dans nos notes d'application sur l'éclairage et l'imagerie télécentriques au bas de cette page.

Voici un aperçu de la disposition du système utilisé dans le laboratoire du Dr Zuo, qui utilise des rétroéclairages télécentriques, des objectifs d'imagerie télécentriques, des caméras et des éléments optomécaniques, tous fournis par Edmund Optics (Figure 2).  

Configuration du système optique de base impliquant à la fois un rétroéclairage et un objectif d’imagerie télécentriques.
Figure 2 : Configuration du système optique de base impliquant à la fois un rétroéclairage et un objectif d’imagerie télécentriques.

Applications de la recherche

Recherche sur le surfactant pulmonaire

La recherche sur les surfactants pulmonaires consiste à étudier la tension superficielle des surfactants purifiés de poumons d'animaux et la façon dont ils agissent dans une simulation respiratoire humaine lors de la compression et de l'expansion du film de surfactant. Cette application a gagné en popularité au fil des ans et est utilisée dans les hôpitaux de la partie continentale des États-Unis, notamment à l'hôpital pour enfants de Cincinnati et à l'université médicale SUNY Upstate. Les principaux bénéficiaires de la recherche seraient les enfants placés dans une unité de soins intensifs néonatals (USIN), car les enfants prématurés sont susceptibles de souffrir du syndrome de détresse respiratoire.

Sans surfactant pulmonaire suffisant, les alvéoles des prématurés s'effondrent, comme le montre l'image ci-dessus. C'est un symptôme du syndrome de détresse respiratoire qui peut souvent être fatal.
Figure 3 : Sans surfactant pulmonaire suffisant, les alvéoles des prématurés s'effondrent, comme le montre l'image ci-dessus. C'est un symptôme du syndrome de détresse respiratoire qui peut souvent être fatal.1

Réagir à la COVID-19

Au début de la pandémie de COVID-19, on savait relativement peu de choses sur le mode de propagation du virus. Lorsqu'il est devenu évident que le virus était aéroporté et se transmettait par des gouttelettes respiratoires, le Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces a saisi l'occasion de contribuer à la réponse à la pandémie. L'équipe s'est efforcée de simuler la transmission du virus par aérosol à l'aide de la technologie précédemment développée pour étudier le surfactant pulmonaire. Les surfactants ont été utilisés dans cette application car ils agissent comme une première ligne de défense en protégeant les poumons des particules étrangères et des agents pathogènes. En introduisant des aérosols dans la simulation des tensioactifs et en utilisant les modes d'analyse précédents, la transmission du virus a été étudiée à un niveau microscopique. De plus, en étudiant les aérosols porteurs du virus COVID-19, les effets sur les poumons ont également été analysés. La fatalité de la COVID-19 est due, en partie, au syndrome de détresse respiratoire aiguë que connaissent de nombreux patients en raison de l'infection pulmonaire. Le Dr Zuo et ses collaborateurs étudient maintenant la possibilité d'utiliser le surfactant pulmonaire comme thérapie de support pour traiter les patients atteints de COVID-19.

Questions environnementales

Aujourd'hui plus que jamais, le changement climatique et la préservation de l'environnement sont au premier plan de la recherche scientifique, et plus particulièrement recherche axée sur les effets du changement climatique et la santé de l'humanité. Le Centre national de recherche sur l'environnement de travail au Danemark a utilisé le système mis au point par le Dr Zuo et son équipe pour simuler la respiration et étudier la réaction humaine aux aérosols dangereux qui polluent l'atmosphère. Pour ce faire, on introduit des particules d'aérosol dans l'agent de surface et on observe la réponse. Il est opportun pour les chercheurs d'étudier l'impact des particules d'aérosol sur la respiration humaine afin de mettre au point des solutions pour lutter contre les effets néfastes. Le processus est similaire à celui de la réponse à la COVID-19, où l'analyse de la forme des gouttes est employée dans l'étude du surfactant pulmonaire pour comprendre comment la respiration dans son ensemble est affectée.  

Culture de laboratoire : Multidisciplinarité et collaboration

Si le travail produit par le Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces est stupéfiant, ce sont les personnes qui forment ce groupe qui ont mérité le prix de l'inspiration Norman Edmund 2020. Le Dr Zuo essaie d'investir dans l'éducation des étudiants de premier et second cycles. Il le fait en co-rédigeant des articles publiés avec ses étudiants afin de leur donner la reconnaissance de leur travail et de renforcer leur crédibilité dans leur domaine. En outre, le Dr Zuo a structuré son laboratoire de manière à ce que ses chercheurs puissent suivre leur propre voie d'études, en les encourageant à continuer à faire ce qu'ils savent faire et à y prendre plaisir. Ainsi, les étudiants peuvent non seulement acquérir de l'expérience dans un domaine dans lequel ils sont investis, mais ils contribuent également à prévenir l'épuisement de la nouvelle génération de scientifiques. Si les applications cliniques des recherches menées par le laboratoire se prêtent à la poursuite des études dans le domaine médical, il n'y a pas de voie toute tracée pour les anciens élèves du Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces. De nombreux étudiants poursuivent une carrière en médecine, certains se dirigent directement vers des emplois dans l'industrie, et d'autres restent dans le milieu universitaire. La diversité des options de carrière est un succès marqué du laboratoire et de l'investissement du Dr Zuo dans les jeunes scientifiques qui poursuivent des parcours de vie qui les passionnent.  

Des étudiants issus d'une grande variété de disciplines travaillent dans le laboratoire, ce qui permet de réunir un ensemble diversifié d'antécédents et d'exposer les étudiants à un large éventail de futurs parcours professionnels.
Figure 4 : Des étudiants issus d'une grande variété de disciplines travaillent dans le laboratoire, ce qui permet de réunir un ensemble diversifié d'antécédents et d'exposer les étudiants à un large éventail de futurs parcours professionnels.
Norman Edmund Inspiration Award

Norman Edmund Inspiration Award

Norman Edmund, le fondateur d'Edmund Optics, était connu pour cultiver la curiosité pour tout ce qui touche à la science et à la technologie. L'héritage de M. Edmund est marqué par le fait qu'il a inspiré la prochaine génération d'ingénieurs et de scientifiques à poursuivre leurs objectifs avec une ténacité inégalée. Le prix Norman Edmund Inspiration Award est décerné à un programme qui perpétue cet héritage. Le Dr Zuo et son équipe du Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces y parviennent clairement. Le Dr Zuo investit du temps et de l'énergie pour assurer la réussite de ses étudiants dans leurs domaines respectifs et leur donne la certitude qu'ils peuvent réaliser tout ce qu'ils désirent. Ce dévouement à inspirer la prochaine génération par le biais de son laboratoire est ce qui a valu au Dr Zuo et à son programme le prix Norman Edmund Inspiration Award 2020. Le crédit de 5 000 USD qui accompagnait le prix a été utilisé pour acheter des produits supplémentaires qui ont permis d'investir davantage dans les systèmes de surfactomètres pour les adapter à l'étude de la COVID-19. Le Dr Zuo a loué l'équipe d'assistance technique d'Edmund Optics, qui a été la clé du succès de son système au cours de la dernière décennie. L'expertise des techniciens de l'assistance technique a permis de s'assurer que le système du Dr Zuo était équipé des bons composants optiques dès le premier achat. Cela a permis de réduire les déchets et de faire progresser les travaux du laboratoire sans avoir à procéder à de nombreux essais et erreurs. Le Dr Zuo est content de travailler avec Edmund Optics à l'avenir et continue de féliciter les techniciens de l'entreprise pour leurs génialité en matière de systèmes optiques.

EN SAVOIR PLUS SUR NOTRE EDUCATIONAL AWARD  

Références

  1. Zuo, Y. (2009). Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces.
    http://www2.hawaii.edu/~yzuo/index.html
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