Caractérisation du muscle dystrophique par RMN du Na et spectre RMN T2 du 1H: une approche intégrant de l'imagerie standard et des expériences de microdyalises

par Teresa Gerhalter

Projet de thèse en Imagerie et physique médicale

Sous la direction de Pierre Carlier.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec L'Université Libre de Berlin , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Laboratoire RMN (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Contexte général L'ion sodium (Na+) joue un rôle fondamental dans la physiologie du corps humain et est impliqué dans un grand nombre de fonctions au niveau cellulaire. De plus, comme cet ion produit, après le proton (1H), le signal RMN le plus important parmi les atomes biologiques d'intérêt, la RMN du 23Na est considérée depuis de nombreuses années comme un complément attrayant à la RMN du 1H pour la détection et l'évaluation de plusieurs anomalies physiologiques. Des modifications de la concentration en sodium intracellulaires sont généralement causées par des pathologies altérant la fonction/intégrité des cellules, ou alors responsables d'altérations métaboliques, ce qui est le cas de nombreuses dystrophies neuromusculaires (NMD). Plusieurs techniques RMN permettent de discriminer le signal du 23Na provenant des compartiments intracellulaires et extracellulaires. Une des plus efficaces consiste à profiter de la différence de temps de relaxation T1 entre les deux compartiments et à utiliser une séquence d'inversion récupération et un temps d'inversion choisi de façon à éliminer le signal provenant de l'un ou l'autre des compartiments. Le signal des ions Na+ peu mobiles peut être également recueilli grâce à des séquences de filtrage quantique. Ce signal provient de l'ensemble des ions proches ou liés à des macromolécules, et dans le contexte des NMD, il pourrait représenter un paramètre intéressant pour caractériser l'intégrité des membranes cellulaires, mais aussi la formation de fibrose interstitielle. D'autre part, la relaxation T2 des protons de l'eau dans le muscle est déterminée majoritairement par la structure et la concentration de macromolécules, qui sont altérées pas les processus d'inflammation et de nécrose, communément observés dans les NMD. Les techniques de cartographies T2 permettent de détecter et de quantifier ces sites d'inflammation et de nécrose qui sont caractérisés par une élévation du T2 global (mono-exponentiel) des protons de l'eau. Néanmoins, il est connu depuis de nombreuses années que la relaxation T2 du signal RMN du 1H est multi-exponentielle. Ce comportement est interprété comme une conséquence de la compartimentation anatomique de l'eau tissulaire dans les espaces intracellulaire, interstitiel et vasculaire. La séquence de spectroscopie CPMG permet d'acquérir des courbes de relaxation T2 avec une résolution temporelle et un rapport signal à bruit suffisant pour une analyse multi-exponentielle robuste. Chez les sujets sains, l'extraction des spectres de T2 à partir des données CPMG permet de caractériser les différents compartiments par la valeur intrinsèque de leur T2 et leurs fractions relatives. Des études préliminaires menées chez des patients souffrant de NMD ont montré que ces spectres T2 pouvaient être largement modifiés. Objectif L'objectif principal de ce projet est d'utiliser la RMN du 23Na et les spectres de temps de relaxation T2 du signal 1H, et de les combiner avec des méthodes d'imagerie et de spectroscopie plus conventionnelles (cartographie T2, spectroscopie du 31P) afin d'étudier précisément les détériorations au niveau des membranes cellulaires chez des patients atteints de différents types de dystrophies neuromusculaires. Un objectif secondaire sera d'évaluer le rôle potentiel de ces deux techniques comme biomarqueurs de la progression de la pathologie et de réponse au traitement. Des séquences optimisées de RMN du 23Na (inversion-récupération, filtrage quantique) seront utilisées pour caractériser les fractions relatives et les concentrations en 23Na des compartiments intracellulaire, extracellulaire et proche des membranes. Les résultats seront confrontés aux fractions relatives des différents compartiments obtenues par l'analyse multi-exponentielle de la relaxation T2 du signal 1H réalisée à partir des acquisitions CPMG. Grâce à la méthode de microdialyse développée à Berlin, il sera également possible de caractériser la composition de l'espace interstitiel (métabolome, protéome, secrétome) afin d'obtenir une meilleure compréhension des altérations fonctionnelles observées chez les patients souffrant de différentes formes de dystrophies neuromusculaires.

  • Titre traduit

    Characterisation of the dystrophique muscle by 23Na NMR and 1H NMR T2 spectrum: an integrated approach including standard imaging and microdialysis


  • Résumé

    General context The sodium ion plays a crucial role in the physiology of humans as it is involved in a variety of functions at the cellular level. Furthermore, it is one of the most interesting and important NMR signals after the proton (1H) NMR. Since more than 30 years, sodium (23Na) NMR is an unique noninvasive tool to study the tissue sodium in humans and to detect alterations of the sodium concentration and distribution. The sodium concentration in the extracellular space is about 10 times higher than in the intracellular space and alterations of this important gradient can be caused by processes that change the function/integrity of the cells or their metabolism. Several neuromuscular disease (NMD) have already been linked to alterations in sodium levels. Hence, methods have been published that allow to discriminate the intracellular sodium signal from the extracellular sodium signal. One of these methods is based on the time differences of the T1 relaxation between the two compartments and it uses an inversion recovery sequence to suppress the signal from one of the compartments. Another method to select exclusively the signal from one compartment is using multiple quantum filtration. Thus, the signal origin from molecules is collected which are in close interaction with macromolecules. In context with NMD, the proposed methods could help to better characterize the membrane integrity of cells as well as the formation of interstitial fibrosis. In addition, the T2 relaxation of proton in the muscle water is determined mostly by the structure and the concentration of the surrounding macromolecules, which are in return altered during inflammation and necrosis which both can be observed in NMD. T2 mapping allows to detect and to quantify the sites of inflammation and necrosis which are characterized by an increase in the global T2 (monoexponential) of the water protons. However, it is known since several years that the T2 relaxation of the proton NMR signal is multi exponential. This observation is interpreted as a result of the anatomic compartments of tissue water (intracellular, interstitial, and extracellular). The CPMG sequence allows to acquire T2 relaxation curves in a temporal resolution manner and with a sufficient signal to noise ratio in order to analyze the multi-exponential behavior. In healthy subjects, the extracted T2 spectra permit a characterization of the different compartments using the intrinsic values of their T2s and their relative fractions. Preliminary studies that have been done with NMD patients show that these T2 spectra can be significantly changed. Objective The main object of this project is therefore the application of 23Na NMR and T2 relaxation spectra of 1H signals and to combine them with conventional imaging and spectroscopy methods (such as T2 mapping and 31P spectroscopy) in order to study extensively disturbances of the cell membranes in patients suffering from different types of NMD. In addition, the potential use of those two methods to monitor the disease progression and the treatment response should be evaluated. The sequences for 23Na NMR (Inversion recovery, Quantum filtering) have been optimized to characterize the relative fraction and the concentration of sodium in the intracellular and extracellular compartments and compartment close to the membrane. The result shall be compared with the relative fraction of the different compartments derived from the multi exponential T2 relaxation analysis of the CMPG sequences. Using the microdialysis method that has been developed in Berlin, another non NMR technique shall be used as well to characterize the composition of the interstitial space (metabolome, proteome, secretome) to enable a better understanding of functional changes that are observed in patients suffering from different types of NMR.