Capture cérébrale de chélates de gadolinium : imagerie multimodale et analyse des conséquences neurotoxicologiques

par Marlène Rasschaert

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Jean-Luc Gerquin Kern.


  • Résumé

    Les chélates de Gd sont largement utilisés en tant qu’agents de contraste en imagerie par résonance magnétique. En 2015, un lien a été établi entre l’observation d’hypersignaux T1 de certaines structures cérébrales et le nombre d’administrations préalables de ces chélates de Gd reçues par les patients. Cette observation fortuite pose la question de la tolérance à long-terme de ces molécules. L’ion Gd³⁺ ayant un rayon ionique très proche de celui du Ca²⁺, il interfère avec de nombreux processus biologiques Ca²⁺-dépendants. Sa chélation par un ligand améliore considérablement sa tolérance. Les chélates de Gd sont répartis en 2 classes : macrocycliques et linéaires, différant par leur stabilité thermodynamique et donc leur tendance à se dissocier. Il est classiquement admis que les chélates de Gd ne traversent pas la barrière hémato-encéphalique saine. L’observation de ces hypersignaux au niveau du noyau dentelé du cervelet, du globus pallidus et parfois d’autres structures, remet en cause ce postulat.Les travaux de cette thèse visent à étudier le mécanisme d’accumulation du Gd dans le système nerveux central (voies de passage, localisations, spéciation du Gd accumulé). Les potentiels effets neurotoxiques associés à la présence de Gd dans le cerveau ont aussi été recherchés.Nous avons mis en évidence chez le Rat que l’accumulation cérébrale est d’autant plus importante que la stabilité thermodynamique du chélate de Gd est faible, confirmant les observations cliniques. Les hypersignaux T1 sont en effet liés à des injections répétées de chélates linéaires de Gd. Nous avons aussi établi qu’une insuffisance rénale modérée potentialise la capture cérébrale de Gd dans le cas d’un chélate de Gd linéaire. Nous avons observé que les structures cérébrales accumulent d’autant plus de Gd qu’elles sont riches en fer endogène. Une augmentation de la zincurie, après administration de chélates de Gd linéaires, a également été observée, suggérant un phénomène de transmétallation.La combinaison des techniques de fluorescence X (XRF), de microscopie électronique en transmission (TEM) et du NanoSIMS, a permis l’observation des dépôts de Gd à différentes échelles et sous différentes formes. Cela a permis de documenter les voies de passage du Gd, le rôle des métaux endogènes et du phosphore. L’analyse XRF a permis d’observer qu’au sein des noyaux cérébelleux profonds du Rat, la majorité du Gd est accumulée sous la forme de structures allongées et ramifiées. Ces structures pourraient être des vaisseaux sanguins. Le Gd serait accumulé dans l’espace périvasculaire. En TEM, des dépôts insolubles de Gd ont été observés dans les lames basales de vaisseaux, dans l’interstitium cérébelleux, et dans l’espace périvasculaire. Ces dépôts à l’apparence épineuse sont riches en phosphore, suggérant des dépôts de GdPO₄. Du Gd et du phosphore ont également été identifiés dans des cellules gliales, au sein de pigments intracellulaires de lipofuscine. Aucun dépôt de Gd n’a été trouvé chez des rats traités par un chélate de Gd macrocyclique.L’hypothèse mécanistique établie consiste en l’accès précoce des chélates de Gd au liquide céphalo-rachidien (LCR), puis leur diffusion passive dans le parenchyme proche des ventricules cérébraux, à travers l’épendyme. Arrivés dans des zones riches en métaux endogènes et/ou en phosphore, leschélates de Gd les moins stables thermodynamiquement se dissocieraient, le Gd se liant à des macromolécules endogènes, ou précipitant. La circulation du LCR le long des artérioles pénétrantes piègerait également du Gd au niveau périvasculaire. Les chélates de Gd intacts seraient éliminés par le système glymphatique périvasculaire ou « drainage périartériel intrapariétal ». On retrouve aussi du Gd probablement dissocié à ce niveau.Hormis une hypoactivité, non spécifique, les études neurocomportementales, histopathologiques et neurochimiques menées chez le Rat n’ont pas permis de mettre en évidence une toxicité avérée, même à des doses élevées.

  • Titre traduit

    Brain uptake of gadolinium chelates : multimodal imaging and analysis of neurotoxicological consequences


  • Résumé

    Gd chelates are widely used as contrast agents in magnetic resonance imaging. In 2015, the finding of T1 hyperintensities in brain structures was associated with the prior administrations of these agents in patients. This observation raised the question of the long-term tolerance of these molecules. The Gd³⁺ ionic radius is very close to that of Ca²⁺, and therefore this lanthanide interferes with numerous Ca²⁺-dependent biological processes. Its chelation by a ligand considerably improves its tolerance. Gd chelates are categorized into 2 classes: macrocylic and linear agents, differing in their thermodynamic stabilities, and therefore in their ability to dissociate. It is classically admitted that Gd chelates do not cross the healthy blood-brain-barrier. The observation of these hyperintensities, in the dentate nucleus of the cerebellum, the globus pallidus, and sometimes other structures, questioned this assumption.This thesis aimed to study the mechanism of Gd accumulation in the central nervous system: access pathways, tissue and subcellular location, Gd speciation). Potential neuro-toxicological effects associated with long term Gd presence in the brain were also researched.Using a rat model, we evidenced that the lower the thermodynamic stability of Gd chelates, the greater the cerebral Gd concertation was, thus confirming clinical observations. T1 hyperintensities exclusively appeared following administrations of linear Gd chelates. We also established that moderate renal failure potentiates Gd brain uptake in the case of linear Gd chelate. We also observed that brain structures accumulate even more Gd that their endogenous Fe concentration is high. Administration of linear Gd chelates resulted in an increased zincuria. Gadolinium vs. Zn transmetalation may be responsible for this effect.The combination of X fluorescence, transmission electronic microscopy, and NanoSIMS, showed Gd deposits at various scales and in various forms. It allowed us to document Gd pathways, and the role of endogenous metals and phosphorus in this phenomenon. X fluorescence analysis depicted, in rat deep cerebellar nuclei, that the majority of Gd was accumulated in the form of elongated and ramified structures, believed to be blood vessels where Gd would be retained in the perivascular area. By means of electron microscopy in rats, Gd insoluble deposits were observed in basal lamina of vessels, in cerebellar interstitium, and in the perivascular space. These Gd deposits, of spiny aspect, were rich in phosphorus, thus suggesting the presence of GdPO₄. Co-presence of Gd and phosphorous was also identified into glial cells, accumulated in intracellular lipofuscine pigments. No Gd deposits were found in rats treated with a macrocyclic Gd chelate.The established mechanistic hypothesis consists in the early access of Gd chelates to cerebrospinal fluid, followed by their passive diffusion into the parenchyma close to cerebral ventricles, through the ependyma. Encountering areas rich in endogenous metals and/or phosphorus, the less thermodynamically stable Gd chelates would dissociate, and Gd would bind endogenous macromolecules, or precipitate. Cerebrospinal fluid circulation along penetrating arterioles would also trap Gd at the perivascular level. Intact Gd chelates would be eliminated through perivascular glymphatic pathway, or “intramural periarterial drainage”, where probably dissociated Gd is also found.Except a non-specific hypoactivity, neurobehavioural, histopathological and neurochemical studies performed in rats did not demonstrate any obvious neurotoxicity, even at high doses.


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