Les Agents de Contraste pour l’Imagerie Moléculaire
Principe de l'imagerie de résonance magnétique (IRM)
L'imagerie
de résonance magnétique est une méthode non invasive qui, dans le contexte
médical, permet d'identifier et de caractériser les tissus pathologiques et les
lésions. Le principe de cette technique est basé sur l'application de gradients
de champ magnétique dans les trois directions de l'espace lors d’une expérience
de résonance magnétique nucléaire (RMN). L'image qui résulte de cet encodage spatial
des noyaux (en général, les noyaux d'hydrogène de l’eau et des graisses) est
constituée d'éléments « pixels», dont les niveaux de gris représentent
l'intensité du signal émis par l'élément de volume correspondant. Le signal
dépend de la concentration locale en proton et de leur cinétique de relaxation
caractérisée par des temps de relaxation T1 et T2. Les
processus de relaxation des protons des molécules d'eau dépendent de leur
environnement et de leur dynamique et varient donc selon les tissus. Des modulations
de l'intensité de l'image sont attendues selon la nature tissulaire des
différents organes.
Figure 1 : Imageur RMN hospitalier
Le
choix judicieux des paramètres instrumentaux permet d’optimiser le contraste mais
pour élaborer un diagnostic médical rapide et précis, des agents de contraste
facilitant la distinction entre les tissus sains et pathologiques sont
utilisés. Ces substances doivent être non toxiques, biocompatibles et efficaces
à faible dose (typiquement, 100 µmoles par kg de poids corporel). Leur rôle est
de « catalyser » la relaxation nucléaire. Le contraste peut être
rehaussé par l'accélération des deux phénomènes gouvernant la relaxation des
protons: celle de la relaxation longitudinale augmente l’intensité du signal
(agent positif, effet T1) et celle de la relaxation transverse T2
diminue l’intensité du signal (agent négatif, effet T2) (figure 2).
Les agents de contraste
La
propriété essentielle des substances de contraste est leur « relaxivité »
qui est définie comme la contribution qu’elles apportent à la concentration de
1 mM à la vitesse de relaxation des protons de l’eau (s-1mmol l-1).
a
b
Figure
2: Images avant et après administration d’un agent de contraste positif (a)
(ref : « L’imagerie par Résonance Magnétique », A. Alaux,
éditions Sauramp Médical (1994)) et négatif (b)
Les
composés paramagnétiques:
Ce
sont notamment l’oxygène, les nitroxydes, les métaux de transition et les
lanthanides(III). Ils possèdent un ou plusieurs électrons libres dont le moment
magnétique est 657 fois plus grand que celui du proton. Le gadolinium(III) qui
présente d’excellentes propriétés électroniques (7 électrons non appariés) est
cependant très toxique sous sa forme hydratée [Gd(H2O)8]3+
car, in vivo, il entre en compétition
avec les ions calcium. Sa complexation avec un ligand organique réduit
considérablement sa toxicité sans neutraliser sa relaxivité. Les premiers
complexes de gadolinium apparus sur le marché sont le Magnevist® (Gd-DTPA) et
le Dotarem® (Gd-DOTA). Ces composés, de charge globale négative, sont
accompagnés de leurs contre-ions, ce qui augmente l’osmolalité des solutions
injectées. Deux autres complexes “neutres” ont ultérieurement été produits,
l’Omniscan® (Gd-DTPA-BMA) et le Prohance® (Gd-HP-DO3A). Ces 4 complexes
paramagnétiques (figure 3), administrés à la dose de 0.1 mmole/kg de poids
corporel sous forme d’une solution aqueuse de concentration 0.5 M, se
distribuent dans l’espace extracellulaire, ne présentent pas de spécificité
tissulaire et sont excrétés très rapidement par voie rénale.
Dans
le cerveau, les produits s’accumulent là où, comme dans les tumeurs, une
rupture de la barrière hématoencéphalique s’est produite. Ces agents se
comportent comme des agents de contraste positifs (figure 2a)
|
Gd-DTPA (Magnevist®) |
Gd-DTPA-BMA (Omniscan®) |
|
Gd-DOTA (Dotarem®) |
Gd-HP-DO3A (ProHance®) |
Figure 3: Structure d’agents de contraste paramagnétiques commerciaux
Les
composés superparamagnétiques
La
seconde catégorie d’agent de contraste est celle des particules
superparamagnétiques, qui sont constituées de cristaux d’oxyde de fer
nanométriques protégés par une couverture « stérique » destinée à
empêcher leur agglomération (figure 4). On distingue les SPIO (Small Particles
of Iron Oxide) dont le diamètre global est supérieur à 50 nm et les USPIO
(Ultrasmall Particles of Iron Oxide) dont le diamètre se situe entre 10-50 nm.
Ces particules affectent de manière prépondérante la relaxation transverse des
protons de l'eau et agissent donc en tant qu'agents de contraste négatifs.
Après injection intraveineuse, les SPIO sont captées par les cellules du
système réticulo-endothélial de la rate et du foie. Elles induisent une
diminution du signal dans ces organes et sont généralement utilisées pour la
détection des tumeurs hépatiques qui contrairement au tissu sain ne captent pas
les particules (figure 2b). Les USPIO échappent aux cellules du système réticulo-endothélial
et ont donc un temps de rémanence vasculaire plus élevé.
Figure 4: Structure d’une nanoparticule superparamagnétique
Caractérisation physico-chimique des agents de contraste
Les complexes paramagnétiques
L'optimisation
de l'efficacité des complexes paramagnétiques requiert la maîtrise des
paramètres décrivant les interactions innersphere (figure 5) et outersphere
(figure 6) (8 paramètres: tM, q, tR, D, r, d, tV, tS0).
Figure 5:
Représentation schématique du mécanisme de relaxation innersphere
Figure
6: Représentation schématique du mécanisme outersphere
La
stratégie d'estimation simultanée de tous ces paramètres est le lissage des
courbes de dispersion de la relaxation (courbes NMRD, Nuclear Magnetic Relaxation
Dispersion) à l'aide des modèles théoriques. Ces profils représentant la
relaxivité de l'agent en fonction du
champ magnétique sont obtenus à l'aide de spectromètres RMN conventionnels
travaillant à champs fixes et d'appareillages dédiés, appelés relaxomètres à
champs cyclés couvrant une large gamme de champ magnétique. Les courbes
obtenues sont caractéristiques de l'agent de contraste (figure 7). Compte tenu
du nombre élevé de paramètres, leur estimation par cette seule technique est
parfois ambiguë et la détermination de certains paramètres par des méthodes
alternatives et indépendantes s'avère nécessaire. On a alors recours notamment
à la RMN de l'oxygène-17 pour la mesure du temps d'échange tM et du nombre de molécules d'eau dans la
première sphère de coordination (q), à la RMN du deutérium pour la
détermination du temps de correlation rotationnel tR ou encore à la résonance paramagnétique
électronique pour l’estimation des temps de relaxation électronique.
Figure
7: Profil NMRD du Gd-DTPA à 37°C.
Les
composés superparamagnétiques
Les
nanoparticules d’oxyde de fer possèdent des moments magnétiques très élevés en
raison du nombre d'ions paramagnétiques qui les composent et de leur effet de
coopérativité magnétique. Leur relaxation est majoritairement de type
outersphere. Ces agents de contraste sont essentiellement caractérisés par les
courbes NMRD, les mesures de magnétométrie, les spectres Mössbauer et les
mesures des tailles hydrodynamiques obtenues par spectroscopie de corrélation
photonique (PCS).
Le
lissage des profils NMRD (figure 8) à l'aide des modèles théoriques adéquats
permet de déduire la taille du cristal, l’aimantation spécifique et l'ordre de
grandeur du temps de relaxation de Néel qui est une sorte d'analogue du temps
de relaxation électronique des ions paramagnétiques des complexes de Gd.
Figure
8: Exemple de profil NMRD d’une solution colloïdale d’oxyde de fer.
Développements actuels et futurs
Les
recherches actuelles visent à une optimisation de l'efficacité et de la
spécificité des agents de contraste qu'ils soient paramagnétiques ou
superparamagnétiques. Ainsi, l’addition de groupements sur le squelette du
Gd-DTPA a permis d’augmenter le tropisme tissulaire. Par exemple, le Primavist®
(Gd-EOB-DTPA), qui possède un substituant éthoxybenzyle, cible les hépatocytes
(figure 9).
Figure
9: Structure du Primavist® (Gd-EOB-DTPA)
Afin
d'augmenter la rémanence vasculaire, les complexes gadoliniés ont été couplés
de manière covalente à des macromolécules telles que l’albumine sérique humaine
(HSA), des polysaccharides (dextran), ou des polymères synthétiques
(polylysine, polyéthylèneglycol, dendrimères, …). Cette stratégie permet non
seulement de ralentir l'excrétion rénale de l'agent de contraste mais aussi de
rehausser son efficacité grâce à la réduction de la mobilité moléculaire. Une
approche alternative consiste à envisager une interaction non-covalente avec la
HSA. Dans ce cas, des groupements aryles par exemple sont greffés sur l’agent
de contraste qui est dès lors capable d'interagir avec les sites hydrophobes de
la protéine.
L'inclusion
des complexes paramagnétiques à des liposomes et des micelles, mimétiques des
structures cellulaires sanguines a également été réalisée en vue d'augmenter la
rémanence vasculaire.
La
conception d'agents de contraste dits “intelligents”, dont l'efficacité est
modulée par l’environnement biologique (présence d’enzymes, pO2, pH,
..) fait également l'objet de recherches actuelles. Ainsi, des agents de
contraste "pH-spécifiques" qui développent leur effet au voisinage de
tumeurs dont le pH est proche de ~6.8, alors que le milieu extra-cellulaire
sain présente un pH de 7.4, ont été synthétisés.
Les
études de pointe s'orientent aujourd’hui vers l'imagerie moléculaire dont la
stratégie repose sur la reconnaissance de structures moléculaires spécifiques
de pathologies. A cette fin, le vecteur est greffé au
"contrastophore", particule superparamagnétique ou complexe
paramagnétique.
Conclusions
L’imagerie
médicale qui joue un rôle central dans la médecine actuelle se trouve à
l'interface de plusieurs disciplines scientifiques. L'IRM possède des atouts
incontestables: rapidité et inocuité de l'examen qui fournit des images de
résolutions submillimétriques. La méthode souffre par contre d'une sensibilité
assez faible qui nécessite aujourd'hui l'administration de doses d'agents de
contraste incontestablement plus élevées qu'en médecine nucléaire. Le défi
présenté aux chimistes est donc d'augmenter la relaxivité de leurs
"contrastophores".
Personnes de contact : Sophie Laurent,
Luce Vander Elst, Robert N. Muller
Laboratoire de RMN et d'Imagerie Moléculaire,
Département de Chimie Organique et Biomédicale,