Dynamic full-field optical coherence tomography: 3D live-imaging of retinal organoids

Optical coherence tomography offers astounding opportunities to image the complex structure of living tissue, but lacks functional information. We present dynamic full-field optical coherence tomography to image living human induced pluripotent stem cell-derived retinal organoids non-invasively. Colored images with an endogenous contrast linked to organelle motility are generated, with sub-micrometer spatial resolution and millisecond temporal resolution, opening an avenue to identify specific cell types in living tissue via their function.Comment: 14 pages, 5 figures, 1 table, 6 video

Imagerie de la rétine : suivi de structure et de l'activité cellulaire par OCT Plein Champ statique et dynamique

This thesis aims to demonstrate the usefulness of static and dynamic Full-Field Optical Coherence Tomography (FFOCT) for retinal imaging, with in vitro (cell cultures in 2D or 3D), ex vivo (retinas dissected from different species) and in vivo (direct imaging of the eye of the patient) samples.By stabilising the three dimensional and timelapse dynamic acquisitions, it allows a better following and interpretation of the evolution of in vitro samples, such as retinal organoids (produced from human pluripotent stem cells) or retinal pigment epithelium cell cultures (from pluripotent stem cells and primary porcine cells). The recorded dynamic signals can be differentiated by the cell type (photoreceptors, retinal pigment epithelium, etc.) or the expressed phenotypes (for example dying cell, cell division, etc.), allowing a totally non invasive imaging in biology. These signals, representing the cellular activity, come from organelles present in the cells, especially mitochondria, and help to an easy interpretation of the condition of the cells.This innovative contrast allows to study retinal degenerative diseases in vitro, such as Age-related Macular Degeneration or Retinitis Pigmentosa. Disease modeling can easily be studied by evaluating the cell response over time, for example after an induced stress on the cell culture (scratch assays). Drug screening for these diseases will also be eased by following the evolution of the dynamic signal produced by the cells after treatment.Finally, the application of Full-Field Optical Coherence Tomography to in vivo retinal imaging permit a non invasive study of the different layers of the retina (from the nerves to the retinal pigment epithelium). It is a technique less complex than those with adaptive optics usually used for in vivo imaging. The stabilisation and signal improvement justify the idea of the future in vivo implementation of dynamic FFOCT for the detection of diseases at early stages, such as Age-related Macular Degeneration or Glaucoma.Cette thèse cherche à démontrer l'utilité de la Tomographie en Cohérence Optique (OCT) plein champ statique et dynamique pour l'imagerie de la rétine, qu'il s'agisse d'échantillons in vitro (cultures cellulaires 2D ou 3D), ex vivo (rétines extraites de différentes espèces) ou in vivo (imagerie direct de l'œil du patient). La stabilisation des acquisitions dynamiques, à la fois 3D et temporelle, permet un meilleur suivi et une meilleure interprétation de l'évolution d'échantillons in vitro, tels que les organoïdes de rétine (produits à partir de cellules souches pluripotentes humaines) ou les cultures cellulaires d'épithélium pigmentaire rétinien (à partir de cellules souches humaines et de cellules primaires de porc). Les signaux dynamiques obtenus diffèrent selon le type cellulaire (photorécepteurs, épithélium pigmentaire rétinien, etc.), mais également selon les phénotypes exprimés (mort cellulaire, division cellulaire, etc.), permettant une imagerie totalement non invasive en biologie. Ces signaux, représentant l'activité cellulaire, proviennent des organelles présentes dans les cellules, et notamment des mitochondries, et aide à l'interprétation de l'état des cellules.Ce contraste innovant permettra d'étudier des maladies dégénératives de la rétine in vitro, telles que la Dégénérescence Maculaire Liée à l'Age ou la Rétinite Pigmentaire. La modélisation de maladies peut être facilement étudié en évaluant la réponse des cellules au cours du temps, par exemple après un stress induit à la culture cellulaire. La recherche de traitements adéquats pour ces maladies sera aussi facilitée par le suivi de l'évolution du signal dynamique des cellules, après traitement.Enfin l'application de l'OCT plein champ à l'imagerie in vivo de la rétine permet une étude non invasive des différentes couches de la rétine (des nerfs jusqu'à l'épithélium pigmentaire rétinien). Elle est aussi moins complexe que les techniques d'optique adaptative habituellement utilisées. Les améliorations de stabilisation et de signal justifient l'idée d'implémenter l'OCT plein champ dynamique in vivo dans le futur pour une détection précoce des maladies, telles que la Dégénérescence Maculaire Liée à l'Age ou le Glaucome

Imagerie de la rétine : suivi de structure et de l'activité cellulaire par OCT Plein Champ statique et dynamique

This thesis aims to demonstrate the usefulness of static and dynamic Full-Field Optical Coherence Tomography (FFOCT) for retinal imaging, with in vitro (cell cultures in 2D or 3D), ex vivo (retinas dissected from different species) and in vivo (direct imaging of the eye of the patient) samples.By stabilising the three dimensional and timelapse dynamic acquisitions, it allows a better following and interpretation of the evolution of in vitro samples, such as retinal organoids (produced from human pluripotent stem cells) or retinal pigment epithelium cell cultures (from pluripotent stem cells and primary porcine cells). The recorded dynamic signals can be differentiated by the cell type (photoreceptors, retinal pigment epithelium, etc.) or the expressed phenotypes (for example dying cell, cell division, etc.), allowing a totally non invasive imaging in biology. These signals, representing the cellular activity, come from organelles present in the cells, especially mitochondria, and help to an easy interpretation of the condition of the cells.This innovative contrast allows to study retinal degenerative diseases in vitro, such as Age-related Macular Degeneration or Retinitis Pigmentosa. Disease modeling can easily be studied by evaluating the cell response over time, for example after an induced stress on the cell culture (scratch assays). Drug screening for these diseases will also be eased by following the evolution of the dynamic signal produced by the cells after treatment.Finally, the application of Full-Field Optical Coherence Tomography to in vivo retinal imaging permit a non invasive study of the different layers of the retina (from the nerves to the retinal pigment epithelium). It is a technique less complex than those with adaptive optics usually used for in vivo imaging. The stabilisation and signal improvement justify the idea of the future in vivo implementation of dynamic FFOCT for the detection of diseases at early stages, such as Age-related Macular Degeneration or Glaucoma.Cette thèse cherche à démontrer l'utilité de la Tomographie en Cohérence Optique (OCT) plein champ statique et dynamique pour l'imagerie de la rétine, qu'il s'agisse d'échantillons in vitro (cultures cellulaires 2D ou 3D), ex vivo (rétines extraites de différentes espèces) ou in vivo (imagerie direct de l'œil du patient). La stabilisation des acquisitions dynamiques, à la fois 3D et temporelle, permet un meilleur suivi et une meilleure interprétation de l'évolution d'échantillons in vitro, tels que les organoïdes de rétine (produits à partir de cellules souches pluripotentes humaines) ou les cultures cellulaires d'épithélium pigmentaire rétinien (à partir de cellules souches humaines et de cellules primaires de porc). Les signaux dynamiques obtenus diffèrent selon le type cellulaire (photorécepteurs, épithélium pigmentaire rétinien, etc.), mais également selon les phénotypes exprimés (mort cellulaire, division cellulaire, etc.), permettant une imagerie totalement non invasive en biologie. Ces signaux, représentant l'activité cellulaire, proviennent des organelles présentes dans les cellules, et notamment des mitochondries, et aide à l'interprétation de l'état des cellules.Ce contraste innovant permettra d'étudier des maladies dégénératives de la rétine in vitro, telles que la Dégénérescence Maculaire Liée à l'Age ou la Rétinite Pigmentaire. La modélisation de maladies peut être facilement étudié en évaluant la réponse des cellules au cours du temps, par exemple après un stress induit à la culture cellulaire. La recherche de traitements adéquats pour ces maladies sera aussi facilitée par le suivi de l'évolution du signal dynamique des cellules, après traitement.Enfin l'application de l'OCT plein champ à l'imagerie in vivo de la rétine permet une étude non invasive des différentes couches de la rétine (des nerfs jusqu'à l'épithélium pigmentaire rétinien). Elle est aussi moins complexe que les techniques d'optique adaptative habituellement utilisées. Les améliorations de stabilisation et de signal justifient l'idée d'implémenter l'OCT plein champ dynamique in vivo dans le futur pour une détection précoce des maladies, telles que la Dégénérescence Maculaire Liée à l'Age ou le Glaucome

Imagerie de la rétine : suivi de structure et de l'activité cellulaire par OCT Plein Champ statique et dynamique

Cette thèse cherche à démontrer l'utilité de la Tomographie en Cohérence Optique (OCT) plein champ statique et dynamique pour l'imagerie de la rétine, qu'il s'agisse d'échantillons in vitro (cultures cellulaires 2D ou 3D), ex vivo (rétines extraites de différentes espèces) ou in vivo (imagerie direct de l'œil du patient). La stabilisation des acquisitions dynamiques, à la fois 3D et temporelle, permet un meilleur suivi et une meilleure interprétation de l'évolution d'échantillons in vitro, tels que les organoïdes de rétine (produits à partir de cellules souches pluripotentes humaines) ou les cultures cellulaires d'épithélium pigmentaire rétinien (à partir de cellules souches humaines et de cellules primaires de porc). Les signaux dynamiques obtenus diffèrent selon le type cellulaire (photorécepteurs, épithélium pigmentaire rétinien, etc.), mais également selon les phénotypes exprimés (mort cellulaire, division cellulaire, etc.), permettant une imagerie totalement non invasive en biologie. Ces signaux, représentant l'activité cellulaire, proviennent des organelles présentes dans les cellules, et notamment des mitochondries, et aide à l'interprétation de l'état des cellules.Ce contraste innovant permettra d'étudier des maladies dégénératives de la rétine in vitro, telles que la Dégénérescence Maculaire Liée à l'Age ou la Rétinite Pigmentaire. La modélisation de maladies peut être facilement étudié en évaluant la réponse des cellules au cours du temps, par exemple après un stress induit à la culture cellulaire. La recherche de traitements adéquats pour ces maladies sera aussi facilitée par le suivi de l'évolution du signal dynamique des cellules, après traitement.Enfin l'application de l'OCT plein champ à l'imagerie in vivo de la rétine permet une étude non invasive des différentes couches de la rétine (des nerfs jusqu'à l'épithélium pigmentaire rétinien). Elle est aussi moins complexe que les techniques d'optique adaptative habituellement utilisées. Les améliorations de stabilisation et de signal justifient l'idée d'implémenter l'OCT plein champ dynamique in vivo dans le futur pour une détection précoce des maladies, telles que la Dégénérescence Maculaire Liée à l'Age ou le Glaucome.This thesis aims to demonstrate the usefulness of static and dynamic Full-Field Optical Coherence Tomography (FFOCT) for retinal imaging, with in vitro (cell cultures in 2D or 3D), ex vivo (retinas dissected from different species) and in vivo (direct imaging of the eye of the patient) samples.By stabilising the three dimensional and timelapse dynamic acquisitions, it allows a better following and interpretation of the evolution of in vitro samples, such as retinal organoids (produced from human pluripotent stem cells) or retinal pigment epithelium cell cultures (from pluripotent stem cells and primary porcine cells). The recorded dynamic signals can be differentiated by the cell type (photoreceptors, retinal pigment epithelium, etc.) or the expressed phenotypes (for example dying cell, cell division, etc.), allowing a totally non invasive imaging in biology. These signals, representing the cellular activity, come from organelles present in the cells, especially mitochondria, and help to an easy interpretation of the condition of the cells.This innovative contrast allows to study retinal degenerative diseases in vitro, such as Age-related Macular Degeneration or Retinitis Pigmentosa. Disease modeling can easily be studied by evaluating the cell response over time, for example after an induced stress on the cell culture (scratch assays). Drug screening for these diseases will also be eased by following the evolution of the dynamic signal produced by the cells after treatment.Finally, the application of Full-Field Optical Coherence Tomography to in vivo retinal imaging permit a non invasive study of the different layers of the retina (from the nerves to the retinal pigment epithelium). It is a technique less complex than those with adaptive optics usually used for in vivo imaging. The stabilisation and signal improvement justify the idea of the future in vivo implementation of dynamic FFOCT for the detection of diseases at early stages, such as Age-related Macular Degeneration or Glaucoma

Adaptive-glasses time-domain FFOCT for wide-field high-resolution retinal imaging with increased SNR

International audienceThe highest three-dimensional (3D) resolution possible in in vivo retinal imaging is achieved by combining optical coherence tomography (OCT) and adaptive optics. However, this combination brings important limitations, such as small field-of-view and complex, cumbersome systems, preventing so far the translation of this technology from the research lab to clinics. In this Letter, we mitigate these limitations by combining our compact time-domain full-field OCT (FFOCT) with a multi-actuator adaptive lens positioned just in front of the eye, in a technique we call the adaptive-glasses wavefront sensorless approach. Through this approach, we demonstrate that ocular aberrations can be corrected, increasing the FFOCT signal-to-noise ratio (SNR) and enabling imaging of different retinal layers with a 3D cellular resolution over a 5∘×5∘ field-of-view, without apparent anisoplanatism

Coherence gate shaping for wide field high-resolution in vivo retinal imaging with full-field OCT

International audienceAllying high-resolution with a large field-of-view (FOV) is of great importance in the fields of biology and medicine, but it is particularly challenging when imaging non-flat living samples such as the human retina. Indeed, high-resolution is normally achieved with adaptive optics (AO) and scanning methods, which considerably reduce the useful FOV and increase the system complexity. An alternative technique is time-domain full-field optical coherence tomography (FF-OCT), which has already shown its potential for in-vivo high-resolution retinal imaging. Here, we introduce coherence gate shaping for FF-OCT, to optically shape the coherence gate geometry to match the sample curvature, thus achieving a larger FOV than previously possible. Using this instrument, we obtained high-resolution images of living human photoreceptors close to the foveal center without AO and with a 1 mm × 1 mm FOV in a single shot. This novel advance enables the extraction of photoreceptor-based biomarkers with ease and spatiotemporal monitoring of individual photoreceptors. We compare our findings with AO-assisted ophthalmoscopes, highlighting the potential of FF-OCT, as a compact system, to become a routine clinical imaging technique

Dynamic full-field optical coherence tomography: 3D live-imaging of retinal organoids

International audienceAbstract Optical coherence tomography offers astounding opportunities to image the complex structure of living tissue but lacks functional information. We present dynamic full-field optical coherence tomography as a technique to noninvasively image living human induced pluripotent stem cell-derived retinal organoids. Coloured images with an endogenous contrast linked to organelle motility are generated, with submicrometre spatial resolution and millisecond temporal resolution, creating a way to identify specific cell types in living tissue via their function

Optical phase modulation by natural eye movements: application to time-domain FF-OCT image retrieval

International audienceEye movements are commonly seen as an obstacle to high-resolution ophthalmic imaging. In this context we study the natural axial movements of the in vivo human eye and show that they can be used to modulate the optical phase and retrieve tomographic images via time-domain full-field optical coherence tomography (TD-FF-OCT). This approach opens a path to a simplified ophthalmic TD-FF-OCT device, operating without the usual piezo motor-camera synchronization. The device demonstrates in vivo human corneal images under the different image retrieval schemes (2-phase and 4-phase) and different exposure times (3.5 ms, 10 ms, 20 ms). Data on eye movements, acquired with a spectral-domain OCT with axial eye tracking (180 B-scans/s), are used to study the influence of ocular motion on the probability of capturing high-signal tomographic images without phase washout. The optimal combinations of camera acquisition speed and amplitude of piezo modulation are proposed and discussed