Morphometric study of retinal arteries in humans using high resolution imaging

Les petites artères (i.e. diamètre inférieur à 150µm), dites artères résistives sont essentielles à la régulation de la distribution du flux sanguin. Ces vaisseaux sont modifiés au cours de nombreuses affections, dont en particulier l'hypertension artérielle qui entraine un épaississement de leur paroi. Jusqu’à une période récente, l’observation directe des vaisseaux rétiniens n’était pas possible chez l’homme. A la suite de la découverte par notre équipe de la possibilité de visualiser la paroi des vaisseaux rétiniens chez l’homme grâce à une technologie d’imagerie utilisant l’optique adaptative (OA), nous avons étudié la morphométrie vasculaire rétinienne humaine normale et pathologique. Pour cela, des protocoles cliniques originaux ont été mis en place, en collaboration avec des informaticiens, des ophtalmologistes et des cardiologues. Après avoir contribué à élaborer un logiciel de segmentation d’image pour en extraire des données quantitatives sur la morphométrie vasculaire rétinienne, nous avons mené des études cliniques prospectives observationnelles, transversales et longitudinales. Ce travail nous a permis de valider une méthodologie de mesure de paramètres relatifs à la structure microvasculaire, et d’étudier ses variations au cours de l'HTA et lors des pathologies focales (croisement artérioveineux, rétrécissement artériolaire focal). Nous avons pu démontrer que la variabilité du rapport paroi-lumière des artères rétiniennes (WLR) était corrélée pour 43% à la pression artérielle mesurée en consultation et dans une moindre mesure à l’âge. Ce remodelage est eutrophique (i .e. sans augmentation de la quantité du matériau pariétal). L’observation des rétrécissements focaux artériels nous a permis de constater une diminution du diamètre interne sans épaississement pariétal et dans certains cas une disparition du rétrécissement focal, ce qui laisse supposer que ces rétrécissements artériels sont dûs à une vasoconstriction localisée. Enfin, nous avons démontré que des anomalies veineuses se produisent à proximité des artères sans contact direct avec celles-ci, suggérant l’existence d’un effet indirect de la proximité entre artère et veines sur la morphologie veineuse. Chez les diabétiques, l’équipe de Xavier Girerd avec notre concours a démontré l’existence d’un remodelage hypertrophique (augmentation de la quantité du matériau pariétal avec réduction de la lumière et épaississement pariétal). Chez des patients présentant un infarctus cérébral à la phase aiguë, nous n’avons pas mis en évidence de corrélation entre le WLR et le score de Fazekas, reflétant le degré de leucoaraïose; le WLR lui-même n'étant pas significativement modifié par rapport à une population contrôle. Nous avons également étudié la dynamique de la vasomotricité rétinienne. Au travers de différents stimuli vasoconstricteurs (oxygène, froid) et vasodilatateurs (stimulation lumineuse intermittente, traitement hypotenseur), nous avons documenté les modifications correspondantes de calibre des petites artères et des veines. La stimulation lumineuse intermittente apparaît comme la méthode la plus prometteuse, en raison de sa simplicité et de son acceptabilité. En conclusion, par ce travail, nous avons exploré de nouvelles méthodes d’étude in vivo de la circulation rétinienne humaine. Un large champ d’études cliniques s’ouvre dans le domaine du phénotypage de la microcirculation. Les futurs travaux pourront s'orienter vers une meilleure prédiction du risque de lésion organique, vers le suivi du traitement hypotenseur et vers le rôle des modifications induites par le diabète dans la survenue de la rétinopathie diabétique.Small arteries (i.e. diameter less than 150μm), so-called resistive arteries, are essential for regulating the distribution of blood flow. These vessels are modified during many conditions, including arterial hypertension which causes a thickening of their wall. Until recently, direct observation of retinal vessels was not possible in humans. Following the discovery by our team of the possibility of visualizing the wall of the retinal vessels in humans using an imaging technology using adaptive optics (OA), we studied normal and pathological human retinal vascular morphometry. For this, original clinical protocols have been implemented, in collaboration with computer scientists, ophthalmologists and cardiologists. After contributing to the development of image segmentation software to extract quantitative data on retinal vascular morphometry, we conducted prospective, observational, cross-sectional and longitudinal clinical studies. This work enabled us to validate a methodology for measuring parameters related to the microvascular structure, and to study its variations during hypertension and during focal pathologies (arteriovenous nicking, focal arteriolar narrowing). We were able to demonstrate that the variability of the retinal artery wall-to-lumen ratio (WLR) was 43% correlated with the blood pressure measured in consultation and to a lesser extent at age. This remodeling is eutrophic (i.e. without increasing the amount of the parietal material). The observation of focal arterial narrowing revealed a decrease in the internal diameter without parietal thickening and in some cases a disappearance of the focal narrowing, which suggests that these arterial narrowing are due to localized vasoconstriction. Finally, we have demonstrated that venous abnormalities occur near the arteries without direct contact with them, suggesting the existence of an indirect effect of the proximity between artery and veins on venous morphology. In diabetics, the team of Xavier Girerd with our contribution has demonstrated the existence of hypertrophic remodeling (increase in the amount of parietal material with reduction of light and parietal thickening). In patients with acute cerebral infarction, we found no correlation between the WLR and the Fazekas score, reflecting the degree of leukoaraiosis; the WLR itself is not significantly modified relative to a control population. We also studied the dynamics of retinal vasomotricity. Through various vasoconstrictor stimuli (oxygen, cold) and vasodilators (intermittent light stimulation, hypotensive treatment), we have documented the corresponding changes in caliber of small arteries and veins. Intermittent light stimulation appears to be the most promising method because of its simplicity and acceptability. In conclusion, through this work, we explored new methods of in vivo study of human retinal circulation. A broad field of clinical studies is opening up in the field of phenotyping microcirculation. Future work may be directed towards a better prediction of the risk of organic lesion, towards the follow-up of the hypotensive treatment and towards the role of the modifications induced by the diabetes in the occurrence of the diabetic retinopathy