Jusqu’à présent, le suivi du métabolisme des cellules tumorales à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) n’a pas été possible dans les contextes cliniques de routine. Aujourd’hui, une équipe de recherche interdisciplinaire comprenant l’Université technique de Munich (TUM) travaille à faire avancer le développement d’un hyperpolariseur quantique afin qu’il puisse être déployé dans des applications cliniques. L’objectif est d’améliorer considérablement l’imagerie par résonance magnétique des processus métaboliques – par exemple, pour permettre une évaluation plus précoce et plus précise des tumeurs, ainsi que pour améliorer la sélection et le suivi des thérapies antitumorales.
La mécanique quantique décrit des phénomènes physiques à la plus petite échelle – dans le domaine des molécules, des atomes, des noyaux atomiques et même des unités plus petites. La volonté de révolutionner divers domaines de notre vie quotidienne en utilisant la technologie quantique comme l’informatique quantique ou les capteurs quantiques a fait surface bien avant que le prix Nobel de physique de cette année ne soit décerné à trois scientifiques pour leurs travaux dans ce domaine. Comment ces nouvelles technologies peuvent-elles être déployées dans le domaine de la médecine ?
L’imagerie métabolique rend visibles les processus métaboliques
Détecter les cellules cancéreuses à un stade précoce, les évaluer avec plus de précision et évaluer plus rapidement l’efficacité des traitements est facilité par la visualisation des processus métaboliques dans les cellules malades et saines. C’est ce qu’on appelle l’imagerie métabolique. À cette fin, des molécules pertinentes pour le diagnostic sont injectées dans le corps et leur métabolisme est surveillé.
Une approche consiste à utiliser la tomographie par émission de positrons (TEP). Cependant, cette méthode nécessite des substances radioactives et ne peut pas faire la distinction entre les produits initiaux et finaux dans les processus métaboliques. L’imagerie par résonance magnétique (IRM), quant à elle, permet l’imagerie métabolique de divers métabolites sans utiliser de substances radioactives. Mais seulement si le signal IRM des molécules injectées est suffisamment amplifié pour le rendre détectable. Bien que les premières études de patients montrent un grand potentiel de l’imagerie métabolique avec l’IRM, les technologies d’amplification du signal déployées jusqu’à présent sont d’un coût prohibitif, insuffisamment robustes ou lentes. Cela a empêché le déploiement de routine de ces technologies dans les milieux cliniques jusqu’à présent.
L’équipe de recherche interdisciplinaire du projet “Revolutionizing Cancer Imaging with Quantum Technologies” (QuE-MRI) développe aujourd’hui une nouvelle solution : Un hyperpolariseur dit quantique utilise les lois de la physique quantique pour amplifier le signal des molécules métaboliques dans l’IRM jusqu’à 100 000 -plier.
Imagerie avec les lois de la mécanique quantique
La technologie des machines IRM courantes tire parti des propriétés mécaniques quantiques des noyaux atomiques associées à ce que l’on appelle le spin, ou moment cinétique. Chaque spin nucléaire génère un moment magnétique, un peu comme l’aimant dipolaire d’une aiguille de boussole.
L’alignement des spins nucléaires détermine la force du moment magnétique global des noyaux atomiques. Cela détermine à son tour la force du signal, qui est utilisée pour l’imagerie par résonance magnétique. Lorsque la distribution directionnelle des moments magnétiques est aléatoire, ils s’annulent et l’appareil IRM ne détecte aucun signal. Le signal le plus fort est obtenu lorsque les moments magnétiques des spins nucléaires pointent dans la même direction, ce qui entraîne l’aimantation effective maximale.
L’IRM utilise des champs magnétiques très puissants pour rendre cela possible. Néanmoins, les moments magnétiques des spins nucléaires sont distribués de manière presque aléatoire et n’ont donc qu’une faible aimantation effective. La technique d’hyperpolarisation booste l’aimantation effective des spins nucléaires d’un facteur 10 000 à 100 000, augmentant ainsi significativement la sensibilité de l’IRM.
Hyperpolarisation de molécules métaboliques pertinentes pour le diagnostic
Cependant, dans la pratique, attirer les noyaux atomiques des molécules métaboliques dans un état hyperpolarisé est difficile. Les chercheurs utilisent donc une étape intermédiaire basée sur un état magnétique spécial de l’hydrogène, appelé para-hydrogène. Celui-ci peut être produit à basse température en utilisant des procédés connus avec de l’azote liquide et stocké dans des bouteilles de gaz.
Les propriétés du para-hydrogène s’appuient également sur les lois de la mécanique quantique. Alors que le para-hydrogène lui-même est blindé magnétiquement et non mesurable à l’aide de méthodes de résonance magnétique, sa configuration de spin peut hyperpolariser d’autres noyaux atomiques, augmentant leur visibilité en IRM.
En utilisant cette approche, les chercheurs hyperpolarisent des molécules importantes pour l’étude des processus métaboliques. Le pyruvate, par exemple, un produit métabolique qui est transformé en acide lactique par les tumeurs, est particulièrement adapté à des fins de diagnostic. Les chercheurs ancrent le para-hydrogène sur le pyruvate dans l’hyperpolariseur et utilisent sa configuration de spin pour hyperpolariser un atome de carbone de pyruvate dans un champ magnétique à l’aide d’ondes radio. Le signal du pyruvate est ainsi amélioré en IRM, permettant de visualiser le processus métabolique correspondant avec une résolution temporelle.
Les partenaires du projet ont déjà développé des prototypes fonctionnels de l’hyperpolariseur. Dans le projet QuE-MRI, des chercheurs, des médecins, des partenaires industriels et des développeurs dans les domaines de la médecine, de la physique, de la chimie et de l’ingénierie collaborent désormais étroitement pour optimiser ces prototypes afin que l’hyperpolariseur puisse être déployé cliniquement à grande échelle. De plus, l’équipe du projet prévoit de valider la technologie non invasive et non radioactive dans les premiers essais cliniques pour le diagnostic du cancer.
Plus d’information
• De TUM, le département de chimie et l’hôpital universitaire TUM Klinikum rechts der Isar sont impliqués dans le projet, y compris les unités suivantes : Département de médecine nucléaire, Institut de radiologie diagnostique et interventionnelle, Département de médecine interne II, Département d’urologie.
• Le professeur Franz Schilling, chef de sous-projet au QuE-MRI, et le chercheur principal, le professeur Wolfgang Weber, sont chercheurs à l’Institut de génie biomédical de Munich (MIBE). Le MIBE est un institut de recherche intégrative (IRI) au sein de TUM qui favorise la coopération interdisciplinaire et les synergies entre les chercheurs du vaste domaine du génie biomédical. Au MIBE, des chercheurs spécialisés en médecine, en sciences naturelles et en ingénierie s’associent pour développer de nouvelles méthodes de prévention, de diagnostic ou de traitement des maladies. Les activités couvrent l’ensemble du processus de développement – de l’étude des principes scientifiques de base jusqu’à leur application dans de nouveaux dispositifs médicaux, médicaments et logiciels. https://www.bioengineering.tum.de/en/
• Partenaires du projet : NVision Imaging Technologies GmbH, Ulm ; Hôpital universitaire d’Ulm, Clinique de médecine interne II, Ulm ; Université d’Ulm, Institut de chimie organique I, Ulm ; Université Albert Ludwig de Fribourg, Hôpital universitaire, Clinique de radiologie diagnostique et interventionnelle, Fribourg-en-Brisgau; Université technique de Munich, Département de chimie, Garching ; Klinikum Rechts der Isar de l’Université technique de Munich, Clinique et polyclinique de médecine nucléaire, Munich
Partenaires associés : RAPID Biomedical GmbH, Rimpar ; Siemens Healthcare GmbH, Erlangen ; Qruise GmbH, Sarrebruck
• QuE-MRI est l’un des quatre nouveaux projets financés par le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) dans le cadre du programme-cadre « Quantum Technologies – From Fundamentals to Market ». https://www.quantentechnologien.de/artikel/neue-projekte-im-september-2.html
• Description du projet QuE-MRI et profil du projet :
https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/leuchtturmprojekte-der-quantenbasierten-messtechnik/que-mrt.html
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