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L’innovation IRM révèle pour la première fois l’activité énergétique des cellules dans les organes et les tissus

L’innovation IRM révèle pour la première fois l’activité énergétique des cellules dans les organes et les tissus

Charles Springer et ses collègues se tiennent près d’une puissante imagerie par résonance magnétique, ou IRM, qui scanne le corps pour cartographier les électrolytes et l’activité de l’eau dans les moindres détails. De gauche à droite : Martin Pike, Ph.D., Eric Baker, MS, Xin Li, Ph.D., Charles Springer, Ph.D., Brenden Moloney, MS, Joshua Schlegel, BS, Tom Barbara, Ph.D., et Ramon Barajas, MD (OHSU/Christine Torres Hicks)

Pour survivre, chaque cellule du corps consacre une énergie énorme à maintenir le bon équilibre entre l’eau et les électrolytes essentiels. Des chercheurs de l’Oregon Health & Science University ont mis au point un moyen d’utiliser l’imagerie par résonance magnétique, ou IRM, pour cartographier cette activité en détail dans le cerveau humain et d’autres organes.

L’innovation – appelée imagerie de diffusion de l’activité métabolique, ou MADI – ouvre de nouvelles possibilités pour détecter les cancers et révéler si une tumeur répond au traitement. Dans les prochains essais cliniques impliquant des sujets atteints de tumeurs cérébrales gliomateuses, les chercheurs compareront le MADI à la tomographie par émission de positrons, ou TEP, qui utilise des agents radioactifs injectés pour créer des images des taux de production d’énergie cellulaire.

Charles Springer, Ph.D.  (OHSU)

Charles Springer, Ph.D. (OHSU)

“MADI est une nouvelle façon de créer des images de l’activité métabolique dans les organes et les tissus à haute résolution spatiale, et c’est totalement non invasif”, a déclaré l’inventeur Charles Springer, Ph.D., professeur au centre de recherche en imagerie avancée de l’OHSU. « En principe, cette méthode pourrait s’appliquer à presque toutes les pathologies. En ce moment, nous le poussons dans la direction du cancer et des neurosciences. »

Dans un modèle animal utilisant des rats, les chercheurs de l’OHSU ont déjà montré que le MADI peut détecter et surveiller les tumeurs cérébrales aussi efficacement que le PET, mais sans qu’il soit nécessaire d’injecter des traceurs ou des agents de contraste d’aucune sorte.

“Cela nous en dit plus sur ce qui se passe à l’intérieur des cellules en ce qui concerne le transport des ions, le transport de l’eau, la production d’énergie, et nous pensons donc qu’il sera certainement utile dans le cancer et d’autres maladies”, a déclaré Martin Pike, Ph.D.professeur associé au centre de recherche en imagerie avancée de l’OHSU, qui dirige les études sur le gliome.

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MADI fournit également des images à plus haute résolution que le PET. “Il peut résoudre des régions d’activité métabolique à l’intérieur de la tumeur”, a déclaré Springer. “Aucune des méthodes cliniques actuelles utilisées pour cartographier l’activité métabolique n’a la résolution spatiale nécessaire pour mesurer les variations du métabolisme dans toutes les tumeurs, sauf les plus grosses.”

Ramon Barajas, MDprofesseur agrégé de radiologie diagnostique à l’École de médecine de l’OHSU, qui collabore aux études sur les gliomes, note qu’aider à comprendre le fonctionnement des différentes parties d’une tumeur peut être très utile pour établir un diagnostic.

Découvrir les mécanismes moléculaires

L’IRM fonctionne en utilisant un puissant champ magnétique pour créer des vues extrêmement détaillées des organes internes. Le champ magnétique amène les noyaux des atomes d’hydrogène dans les molécules d’eau à s’aligner sur le champ. Le scanner IRM délivre alors des impulsions d’ondes radio à une fréquence de résonance. En réponse, les noyaux d’hydrogène magnétisés réémettent des ondes radio, créant des signaux qui sont captés par le scanner IRM pour créer des images.

MADI s’appuie sur une technique appelée IRM pondérée en diffusion, qui suit le mouvement des molécules d’eau à travers les tissus. Depuis les années 1990, l’IRM pondérée en diffusion est largement utilisée en médecine, en particulier pour l’imagerie cérébrale afin de détecter les accidents vasculaires cérébraux et de surveiller le traitement. La technique fournit des résultats rapides et informatifs sans qu’il soit nécessaire d’injecter des agents de contraste. Il s’avère également utile pour détecter et étudier les tumeurs et d’autres processus pathologiques.

Mais les scientifiques n’avaient pas entièrement compris les mécanismes moléculaires qui régissent la façon dont les molécules d’eau se déplacent à travers les tissus et provoquent les changements qui deviennent des signaux visibles d’AVC et de tumeurs en IRM de diffusion.

Springer et ses collègues ont poursuivi l’idée que les membranes cellulaires jouent un rôle majeur en contrôlant activement le mouvement des molécules d’eau à l’intérieur et à l’extérieur des cellules. Leurs recherches ont montré que la probabilité que les molécules d’eau traversent les membranes cellulaires est largement dictée par des enzymes critiques appelées pompes sodium-potassium. Ceux-ci traversent les membranes cellulaires et pompent le sodium et le potassium, un processus qui alimente également le transport des molécules d’eau.

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“Nous avons pu réaliser, en apprenant que l’échange d’eau est lié à l’activité de la pompe, que nous pourrions faire des images IRM qui cartographient l’activité des pompes sodium-potassium”, a déclaré Springer.

Des experts indépendants l’ont qualifié d'”hypothèse mécaniste convaincante” dans un éditorial publié avec deux des articles par Springer et co-auteurs décrivant MADI dans la revue RMN en biomédecine.

Mesurer l’énergie des cellules pour la première fois

Les chercheurs ont utilisé la modélisation mathématique et des simulations informatiques pour générer des informations sur le mouvement des molécules d’eau afin de calculer et de cartographier l’activité de la pompe sodium-potassium. Cette activité est si cruciale pour les cellules vivantes qu’elle sert de mesure du taux d’utilisation continue de l’énergie.

“C’est comme une ampoule, toujours allumée, vous indiquant la quantité d’énergie que la cellule produit à partir de la dégradation du sucre, du glucose et d’autres nutriments”, a déclaré Springer. Il n’a jamais été possible de mesurer cette activité chez les êtres vivants, jusqu’à présent.

Le cancer modifie radicalement l’utilisation d’énergie dans les cellules, et cela est clairement visible dans les études MADI utilisant un modèle animal de tumeurs cérébrales gliome. “Chez les animaux, nous avons pu détecter le cancer, surveiller le cancer et surveiller le traitement ainsi que la TEP”, a déclaré Pike. “Nous espérons que nous pourrons également le démontrer chez l’homme.”

Barajas, le neuroradiologue, a averti que beaucoup de science reste à faire. “Nous devons vraiment valider cela et nous assurer que ce que nous faisons est biologiquement correct.”

Il a déclaré qu’une méthode de numérisation plus détaillée et plus précise bénéficierait grandement aux patients atteints de tumeurs cérébrales. “Si nous nous trompons et arrêtons une thérapie qui fonctionne réellement, nous les envoyons en salle d’opération pour une intervention chirurgicale qui n’est pas nécessairement nécessaire”, a-t-il déclaré. “Lorsque nous nous trompons et que la tumeur se développe et que nous disons que ce n’est pas le cas, nous empêchons ce patient de recevoir un nouveau traitement plus tôt.”

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Imagerie plus rapide, moins chère et plus accessible

L’essai clinique prévu vise à recruter environ 12 adultes atteints de tumeurs cérébrales gliomateuses. Leurs cerveaux seront scannés à l’aide du scanner hybride TEP/IRM de l’OHSU – le premier dans le nord-ouest du Pacifique lorsqu’il a été installé en 2021. Le scanner hybride permettra de comparer directement les performances de la TEP par rapport à la technique MADI chez des sujets humains.

Si MADI s’avère efficace, il pourrait avoir un certain nombre d’avantages pour les patients. La procédure est non invasive et prend moins de temps que la TEP, prenant quelques minutes au lieu d’heures. Il est susceptible d’être moins cher et plus largement disponible que le PET.

Et, MADI peut être fait en utilisant un équipement IRM conventionnel.

“L’imagerie TEP est la norme de soins, mais l’accès pour les patients est assez limité aux zones urbaines”, a déclaré Barajas. “Je pense que la possibilité de faire MADI comme une autre séquence IRM standard ouvrirait vraiment l’accès à cette imagerie à beaucoup plus de patients qui ne vivent pas dans les centres urbains.”

Ce travail a été soutenu par le OHSU Brenden-Colson Center for Pancreatic Care, le programme d’innovation biomédicale de l’Oregon Clinical and Translation Research Institute financé par le National Center for Advancing Translational Science (UL1TR02369) et le University Venture Development Fund (UVDF). Les co-auteurs de l’Université du Colorado et de l’Université de Washington ont reçu une subvention de Bracco Diagnostics, Inc.

Afin d’assurer l’intégrité de la recherche de l’OHSU et dans le cadre d’un engagement envers la transparence publique, l’OHSU réglemente, suit et gère activement les relations que nos chercheurs peuvent entretenir avec des entités extérieures à l’OHSU. Charles Springer et sept co-auteurs sont les inventeurs d’une demande de brevet provisoire aux États-Unis (n° US 62/482,520) liée à MADI

Examen détails du programme de conflits d’intérêts de l’OHSU pour en savoir plus sur la façon dont nous gérons ces relations d’affaires.

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