17 février 2017
Une micro-sonde RMN métabolique in vivo
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La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant pour la biologie, permettant l'imagerie (IRM) ainsi que l'analyse structurelle et chimique des métabolites. Une collaboration de scientifiques de Nimbe, de Neurospin et de l'Université de Bordeaux a récemment conçu une sonde μRMN non invasive pour le profilage en ligne d'activités physiologiques métaboliques in vivo avec un capteur RMN de taille micro placé à proximité immédiate d'une sonde d'échantillonnage de microdialyse. Un tel dispositif est capable d'effectuer un diagnostic en temps réel, déchiffrant des activités métaboliques complexes.

 

 

Dispositif d'analyse des métabolites : Une solution contenant des nutriments est injectée dans le tissu corporel. Le fluide en sortie est immédiatement analysé par RMN grâce à une microbobine.

Le suivi "chimique" du fonctionnement d'une cellule biologique passe par l'analyse de ses métabolites, i.e. les produits de sa "digestion" des divers nutriments qu'elle trouve à sa disposition. La RMN est un outil de choix pour réaliser cette analyse, puisqu'elle permet de distinguer les métabolites et leur mécanisme de fabrication, notamment par l'enrichissement isotopique des nutriments.

La microdialyse est une technique faiblement invasive d'analyse, couramment utilisée pour l'étude in vivo des fonctions biochimiques chez les animaux et chez les patients atteints de maladies graves. Elle est souvent couplée avec une technique analytique adjacente, comme la chromatographie, la spectroscopie de masse ou la spectroscopie RMN, pour des analyses métaboliques. En pratique, une sonde à aiguille fine est insérée dans le tissu corporel, et une solution (perfusat) – similaire au fluide tissulaire -  est injectée en continu. En sortie, le fluide (dialysat) contient les produits biochimiques (métabolites), en réponse aux stimuli, que l'on peut collecter pour des analyses simultanées adjacentes.

Cependant, le volume d'échantillonnage en microdialyse reste très limité (quelques μL), ce qui rend pratiquement impossible l'analyse en ligne en temps réel du dialysat par spectroscopie RMN. L'équipe de l'ISM (Université de Bordeaux) avec Alan Wong du LSDRM au CEA-Saclay, ont relevé le défi de mettre en place in situ une microsonde RMN pour l'analyse rapide des composés métaboliques dans le dialysat [1]. Pour ceci, une bobine de détection de RMN de taille micrométrique est positionnée à la sortie immédiate de la microdialyse. Ceci permet de fortement améliorer la sensibilité de la méthode et offre la possibilité d'une acquisition en temps réel des spectres RMN du dialysat. De plus, la sonde est entièrement placée à l'intérieur d'un scanner IRM ce qui permet l'acquisition d'images IRM pour l'étude des produits de la microdialyse.

 

A) La sonde IRM de surface permet de visualiser le flux de nutriment dans le cerveau. B) la sonde RMN externe permet l'analyse du mélange métabolisé par les cellules sollicitées. Une concentration de lactate de 1 mM peut être mesurée.

Pour prouver le concept, la microsonde RMN a été testée en ligne sur des cellules tumorales in vitro et un cerveau animal in vivo, avec un volume d'échantillonnage RMN d'environ 1 μL. Les spectres RMN obtenus (en moins de 4 minutes, pour chaque acquisition) montrent clairement un niveau croissant de lactate extracellulaire - biomarqueur connu d'un métabolisme cérébral actif [2] ou d'une agression tumorale. En comparant l'intensité du signal avec une référence interne, on mesure une concentration en lactate à l'équilibre d'environ 1 mM.

Si la configuration actuelle n'est pas encore optimale, la micro-bobine de détection peut être encore largement améliorée pour une détection en temps réel plus rapide et avec une meilleure sensibilité d'analyse. Néanmoins, la microsonde en ligne proposée est une première étape vers un outil de RMN clinique, pour utiliser la microdialyse avec des patients souffrant de diverses affections touchant divers organes, tel qu'une tumeur du sein, le foie, le tissu adipeux ou les muscles squelettiques [4]. Les analyses par ce type de microsonde RMN sera essentiellement intégré en médecine pour le diagnostic en temps réel et l'obtention de meilleurs pronostics.

 

Références :

  1. In vivo online magnetic resonance quantification of absolute metabolite concentrations in microdialysat’
    Stefan Glöggler, Silvia Rizzitelli, Noël Pinaud, Gérard Raffard, Vanessa Zhendre, Véronique Bouchaud, Stéphane Sanchez, Guillaume Radecki, Luisa Ciobanu, Alan Wong, Yannick Crémillieux, Scientific Reports 6, 36080 (2016).
  1. ‘Glucose and lactate metabolism in the awake and stimulated rat: a 13C-NMR study’
    D Sampol, E Ostrofet, M.L.. Jobin, G. Raffard , S. Sanchez , V. Bouchaud , J.-M. Franconi , G. Bonvento , A.-K. Bouzier-Sore
    Frontiers in Neuroenergetics 5, 5 (2013).
     
  2. ‘Soft tissue penetration of cefuroxime determined by clinical microdialysis in morbidly obese patients undergoing 
abdominal surgery’
    A. Barbour, S; Schmidt, W. Robert Rout, K. Ben-David, O. Burkhardt, H. Derendorf, International Journal of Antimicrobial Agents, 34, 231 (2009).
     
  3. ‘Cerebral microdialysis in clinical studies of drugs: 
pharmacokinetics applications’
    RJ Shannon, KLH Carpenter, MR Guilfoyle, A Helmy, PJ Hutchinson, . Journal of Pharmacokinetics and Pharmacodynamics, 40, 343 (2013).
     

Collaboration :

  • Alan Wong du NIMBE/LSDRM UMR 3685 CEA-CNRS, CEA-Saclay
  • Yannick Crémillieux, ISM, UMR 5255, Université Bordeaux, 33076, Bordeaux, France
  • Luisa Ciobanu, CEA I2BM NeuroSpin, 91191, Gif-sur-Yvette, France

Ce travail a bénéficié du support du Laboratoire d'excellence (LABEX) TRAIL ANR-10-LABX-57 (Programme de recherche Oncoflux).

Contact CEA-IRAMIS : Alan Wong  (NIMBE/LSDRM).

 

Maj : 23/02/2017 (2707)

 

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