Détection cellulaire en imagerie cardiaque par résonance magnétique

par Eléonore Blondiaux

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Olivier Clément.

Le président du jury était Louis Boyer.

Le jury était composé de Olivier Clément, Louis Boyer, Bernard Levy, Jean-Nicolas Dacher, Amanda Brun, Jean-Marie Jouannic, Catherine Adamsbaum.

Les rapporteurs étaient Bernard Levy, Jean-Nicolas Dacher.


  • Résumé

    Objectifs : Les thérapies régénératives cardiaques ont connu un essor considérable au cours des 10 dernières années. Malgré des effets positifs démontrés chez l’animal, les bénéfices cliniques obtenus chez l’homme sont encore relativement modestes. L’objectif de ce travail a été de mieux comprendre les facteurs liés à l’implantation des cellules souches grâce aux techniques de détection cellulaire en imagerie par résonance magnétique (IRM), afin d’optimiser la thérapie cellulaire cardiaque.Matériel et méthodes : Un protocole de détection cellulaire en IRM cardiaque in vivo ainsi qu’une méthode de détection des microvaisseaux en IRM cardiaque ex vivo haute résolution avec des séquences Susceptibility Weighted Imaging (SWI) ont été développés, puis mis en application pour l’étude de la vectorisation de progéniteurs des cellules endothéliales marqués magnétiquement par des nanoparticules d’oxyde de Fer et injectés par voie intraveineuse, ainsi que pour l’évaluation de l’intégration et de l’efficacité de cellules souches mésenchymateuses administrées via des patchs de fibrine cellularisés chez des rats adultes indemnes de toute pathologie (un groupe contrôle vs un groupe infarctus via ligature définitive de l’artère interventriculaire antérieure).Résultats : Après injection intraveineuse et malgré la vectorisation magnétique (n=16 rats), l’imagerie de détection cellulaire a montré qu’aucune cellule n’était implantée dans le myocarde et que les paramètres fonctionnels cardiaques n’étaient pas améliorés. Avec les patchs cellularisés (n=37 rats), la fraction d’éjection ventriculaire gauche (FEVG) était améliorée dans les groupes de patchs cellularisés par rapport aux groupes contrôles. La densité microvasculaire était augmentée dans la zone infarcie et peri-infarcie dans les groupes cellularisés par rapport aux groupes contrôles, à la fois en immunohistochimie et en IRM sur les séquences SWI. L’IRM a montré l’absence de migration des cellules dans le myocarde à partir du patch, confirmé en immunohistochimie. La persistance de cellules dans la zone d’implantation du patch à la surface épicardique à J21 post greffe et l’étude en cytométrie en flux des cytokines et facteurs de croissance produits par les cellules souches plaident pour une efficacité de la thérapie cellulaire en rapport avec la sécrétion de facteurs paracrines par les cellules souches.Conclusion : L’imagerie de susceptibilité magnétique permet d’une part d’étudier les vaisseaux myocardiques sur des séquences pondérées en SWI ex vivo et d’autre part d’évaluer l’implantation des cellules souches sur des séquences en écho de gradient T2* in vivo. Ces techniques ont permis de mieux caractériser le mode d’action des patchs cardiaques en tant que réservoir de facteurs paracrines pour le traitement de l’insuffisance cardiaque dans un modèle murin. Ces résultats confirment l’intérêt fort à développer et optimiser l’utilisation de biomatériaux intelligents délivrant spécifiquement des molécules d’intérêt comme les cytokines ou les facteurs de croissance et permettant ainsi de contourner les contraintes immunogènes et tératogènes liés aux cellules souches.

  • Titre traduit

    Cellular detection in cardiac magnetic resonance imaging


  • Résumé

    Objectives: Cardiac regenerative therapies have grown considerably over the past 10 years. Despite positive effects demonstrated in animals, the clinical benefits obtained in humans are still relatively modest. The objective of this work was to better understand the factors associated with implantation of stem cells through the cell detection techniques in magnetic resonance imaging (MRI) and to improve cardiac stem cell therapy in a murine model of myocardial infarction.Materials and methods: A protocol for cell detection with gradient echo T2* sequences in cardiac MRI in vivo and a method for detection of microvessels in cardiac MRI ex vivo with high resolution Susceptibility Weighted Imaging sequences (SWI) were developed and implemented for the study of vectorization of intravenously injected endothelial progenitors cells (EPC) and the integration and evaluation of the impact of mesenchymal stem cells (MSC) administered via cellularized fibrin patches. A permanent ligation of the left anterior coronary artery was performed in adult rats. The stem cells were magnetically labeled with iron oxide nanoparticles by endocytosis.Results: Cell detection imaging showed no cell implantation in the myocardium and no improvement in cardiac functional parameters after intravenous injection of EPC, despite the aid of magnetic vectorization (n = 16 rats). With a local administration of MSC via cardiac patches (n = 37 rats), the left ventricular ejection fraction (LVEF) was improved in cellularized patches groups compared to controls. Microvascular density was increased in the infarcted and peri – infarcted areas in cellularized patches groups compared to controls in immunohistochemistry and in MRI on SWI sequences. The MRI showed no migration of cells into the myocardium from the patch, as confirmed by immunohistochemistry and Perls staining. The persistence of MSCs on the epicardial surface at D21 after implantation and flow cytometry profiling of cytokines and growth factors produced by MSC argue for cell therapy effectiveness related to the secretion of paracrine factors by stem cells.Conclusion: Susceptibility imaging allows: (1) to study myocardial vessels on SWI sequences ex vivo and (2) to assess the implementation of stem cells on gradient echo sequences T2 * in vivo. These techniques have shown that cardiac patches act as a reservoir of soluble mediators which paracrinally target the angiogenesis in the treatment of heart failure in a murine model. This is in favor of a move towards “cell free” biomaterials containing only molecules of interest such as cytokines or growth factors to circumvent immunogenic and teratogenic constraints related to the use of stem cells.


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