Vers un diagnostic par imagerie médicale à moindres risques

L’imagerie médicale est actuellement l’outil numéro un en matière de diagnostic, grâce à des techniques comme l’IRM (imagerie par résonance magnétique), la CT (tomographie axiale), les scanners et la RMN (résonance magnétique nucléaire), qui se sont fortement améliorées durant les deux dernières décennies. Toutefois, elles rencontrent encore des soucis persistants de résolution et qualité d’image, en raison de la nature même des tissus vivants. Une des solutions à ce problème récurrent est l’hyperpolarisation, qui nécessite d’injecter au patient des substances susceptibles d’augmenter la qualité d’image en suivant la distribution et le sort de molécules spécifiques dans le corps. Celles-ci peuvent néanmoins se révéler nuisibles ou potentiellement toxiques pour le malade. Or, des scientifiques de l’EPFL, du CNRS, de l’ENS, du CPE Lyon et de l’ETH Zurich ont mis au point une nouvelle génération d’hyperpolarisants, qui augmentent drastiquement l’intensité du signal des tissus corporels observés sans présenter le moindre danger pour le patient. Leur travail est publié dans la revue PNAS.

L’équipe de chercheurs coordonnés par Lyndon Emsley – Professeur à l’EPFL et à l’ENS Lyon – a en effet développé une nouvelle génération d’hyperpolarisants à la fois efficaces et sans risque. Ces substances, appelées HYPSO, ont été mises au point par les équipes de Christophe Copéret à l’ETH Zurich et de Chloé Thieuleux au CPE Lyon. Elles prennent la forme d’une fine poudre blanche et poreuse qui contient les « molécules de suivi » à hyperpolariser. Cette poudre est constituée de silice mésoporeuse (dioxyde de silicium), qui est le composant principal du sable et qui est déjà régulièrement employée en nanotechnologie.

La poudre de silice utilisée pour l’HYPSO est faite de particules qui contiennent de minuscules canaux. La surface de chacun d’entre eux peut être couverte de façon uniforme par des molécules connues sous le nom de « radicaux organiques ». Ces derniers peuvent induire une polarisation autour d’eux. « Le contrôle de la distribution des radicaux constitue un réel tour de force, jusqu’ici inédit, et rend les matériaux HYPSO idéaux pour cet usage », déclare Christophe Copéret. Les canaux sont ensuite remplis avec une solution de « molécules de suivi » à hyperpolariser, qui servent de marqueurs pour l’imagerie – p.ex. le pyruvate, crucial pour la production d’énergie cellulaire.

Grâce à des instruments novateurs et des méthodes développées par Sami Jannin de l’EPFL, l’échantillon HYPSO est hyperpolarisé par micro-ondes dans un champ magnétique à très basse température. Les moments magnétiques des atomes y sont contraints de s’aligner grâce à un processus de « polarisation dynamique nucléaire », qui transfère l’énergie de spin des électrons des radicaux libres aux noyaux des marqueurs. Le magnétisme du spin de l’hyperpolarisant agit alors sur le marqueur, qui aligne ou « polarise » les noyaux de ses atomes.

De l’eau chaude permet ensuite de dissoudre et rincer le substrat de la poudre. Ce processus se déroule habituellement dans une salle près du centre d’imagerie en raison de l’équipement et des conditions requises. Le substrat récolté est injecté via un long tube dans le corps du patient déjà placé dans le système d’imagerie médicale, la totalité du processus ne prenant que dix secondes.

On procède ensuite à deux scanners, un sans et un avec l’hyperpolarisant. En comparant les deux images, il devient possible d’observer la distribution du marqueur d’hyperpolarisation dans le corps du patient, qui, suivant le contexte médical, peut indiquer une maladie. Par exemple, l’accumulation de pyruvate dans la prostate peut révéler un cancer de cet organe à un stade précoce.

Les chercheurs ont pour finir testé l’efficacité de leur méthode HYPSO sur divers marqueurs d’imagerie, dont le pyruvate, l’acétate, le fumarate, l’eau pure et un peptide simple. Comme l’HYPSO est physiquement retenu durant la dissolution, cette technique produit des solutions pures de marqueurs d’hyperpolarisation, c’est-à-dire exemptes d’agents contaminants. Le protocole est donc plus simple et a priori plus sûr pour le patient, sans compter que son efficacité accrue sur la qualité du signal laisse penser que cette nouvelle génération d’hyperpolarisants pourra être utilisée avec un très large spectre de molécules. Comme le fait remarquer Sami Jannin: « Nous avons déjà reçu des demandes de scientifiques étrangers qui souhaitent doper leurs recherches grâce à cette technologie novatrice. Nous nous réjouissons également de tester ces matériaux in vivo ».

Cette recherche constitue une collaboration entre l’EPFL, l’ENS Lyon, le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), le CPE Lyon, l’ETH Zurich et la Commission suisse pour la technologie et l’innovation (CTI). Elle a par ailleurs été financée par le Lyon Science Transfert, le Fonds national suisse de la recherche scientifique, la SATT Lyon-Saint Étienne et le Conseil européen de la recherche.

Source

Gajan D, Bornet A, Vuichoud B, Milani J, Melzi R, van Kalkeren HA, Veyre L, Thieuleux C, Conley MP, Grüning WR, Schwarzwälder M, Lesage A, Copéret C, Bodenhausen G, Emsley L, Jannin S. Hybrid polarizing solids for pure hyperpolarized liquids through dissolution dynamic nuclear polarization. PNAS 29 September 2014. DOI: 10.1073/pnas.1407730111