Imagerie des noyaux polarisés

Cette activité de recherche a pour objectif l’utilisation en IRM biomédicale de noyaux dits hyperpolarisés ou polarisés. L’hyperpolarisation est établie par la mise hors équilibre de la polarisation nucléaire d’une population de noyaux. Cette augmentation artificielle de la polarisation nucléaire peut atteindre 5 ordres de grandeurs avec comme corollaire un accroissement dans les mêmes proportions de l’aimantation nucléaire et donc du signal RMN. Parmi les techniques de polarisation nucléaire existantes, on peut citer l’utilisation du pompage optique, de la polarisation dynamique nucléaire et de la polarisation par la molécule de parahydrogène. Les isotopes (stables) polarisés et utilisés actuellement dans le domaine biomédical sont l’hélium3, le xénon129, le carbone13 et l’azote15. Le choix des isotopes est conditionné essentiellement par la possibilité d’obtenir des temps de relaxation longitudinaux supérieurs à la durée de la procédure de polarisation.
Ces noyaux polarisés, dont le développement fut initialement lié au domaine de la Physique sub-atomique (filtre polariseur de neutrons), sont depuis une dizaine d’année (Albert et al, Nature 1994) utilisés en IRM biomédicale en raison de l’augmentation importante du signal RMN qu’ils offrent. Les premières applications in vivo chez l’animal puis chez l’homme ont porté sur l’imagerie de la ventilation pulmonaire à l’aide de l’hélium3 ou du xénon129. Leurs utilisations comme marqueurs purement intravasculaires (microbulles d’hélium3) ou comme traceurs diffusibles (xénon129, molécules carbonés) représentent la deuxième application importante de ces noyaux polarisés. Il est probable que le prochain domaine d’application de ces noyaux concernera l’imagerie moléculaire grâce au développement de traceurs spécifiques porteurs de ces noyaux polarisés.
Les pathologies directement concernées par l’apport diagnostic de cette thématique sont nombreuses. En premier lieu, on trouve les maladies du système pulmonaire qui représentent une des principales causes de mortalité dans les pays développés. A elles seules les broncho-pneumopathies obstructives chroniques (BPOC) concernent 5 à 10 % de la population française et sont responsables de 15000 décès par an. Les projections de l’OMS situent les BPCO comme 3ème cause de mortalité et 5ème cause de handicap dans le monde à l’horizon 2020. A ces chiffres s’ajoutent bien sûr les décès (27000 morts par an en France) dus au cancer du poumon qui représente de loin la première cause de mortalité due au cancer. L’IRM de ventilation des noyaux polarisés chez l’homme s’applique d’ores et déjà aux pathologies suivantes : emphysème, asthme, fibrose cystique et les pathologies suivantes sont en cours d’investigation chez l’animal : embolie et infections pulmonaires. L’industrie pharmaceutique investit actuellement dans cette technique diagnostique qui permet en effet le suivi longitudinal de l’effet de médicaments chez l’animal mais également chez l’homme (technique non-ionisante et invasive a minima).
L’utilisation des noyaux polarisés comme marqueurs injectables dans le système sanguin est appliqué actuellement sur des modèles animaux pour l’imagerie de perfusion (cerveau, poumon, rein…) et l’imagerie angiographique, en particulier les vaisseaux coronaires. L’intérêt de la technique réside d’une part dans l’absence de signal en provenance des tissus environnants et d’autre part dans la relation linéaire entre l’intensité du signal RMN et la concentration des noyaux polarisés.
Parmi les résultats clés obtenus par l’équipe thématique, on peut citer en premier lieu la réalisation du système de polarisation de l’hélium3 qui fonctionne de façon régulière depuis le début de l’année 2002 et qui nous permet de travailler de façon autonome sur l’imagerie des noyaux polarisés.
Dans le cadre du programme européen PHIL (5ème PCRD), deux contributions importantes de l’équipe thématique sont plus particulièrement à retenir :

• le développement d’une technique d’imagerie spirométrique (Dupuich et al., MRM, 2003) permettant la quantification régionale de paramètres ventilatoires (débit, volume, temps d’arrivée…).
•  L’établissement d’une corrélation positive entre les valeurs des coefficients de diffusion apparent de l’hélium3 et la taille des alvéoles pulmonaires chez des modèles animaux ainsi que la démonstration de la possibilité de la détection de l’emphysème à un stade précoce de la maladie (Peces-Barba et al. ERJ, 2003).

Ces deux résultats ouvrent la voie à l’utilisation de l’imagerie de l’hélium3 pour la validation de thérapies pour des pathologies pulmonaires. Un contrat de recherche (2005-2006) avec la société Novartis a porté sur l’application de ces techniques d’imagerie pour l’investigation de pathologies chez des modèles animaux (inflammation, broncho-constriction…).

Dans le cadre de la collaboration avec la société Bracco, un programme de recherche a été mené sur l’imagerie de ventilation/perfusion (Stupar et al, Inves. Radiol., 2003) ainsi que sur l’utilisation de microbulles encapsulant de l’hélium3 polarisé (Callot et al, 2002). Ces études sont liées aux 2 brevets déposés par l’équipe thématique et dont la société Bracco a racheté les droits d’utilisation.
La société Bracco a participé à l’achat d’un module d’imagerie multi-noyaux installée sur l’IRM de recherche fonctionnel et métabolique Rhône-Alpes de Lyon. Ce système permet de réaliser l’imagerie de l’ensemble des noyaux polarisés et constitue actuellement le seul système de recherche clinique de ce type en France. Les premières images de ventilation pulmonaire ont été obtenues chez des volontaires récemment sur cette IRM clinique.