Développement de techniques CEST à ultra-haut champ pour l'étude du métabolisme cérébral

Chemical exchange saturation transfer Magnetic Resonance Imaging (CEST MRI) is a powerful tool for metabolic imaging. Detection of specific neurometabolites can be performed using CEST MRI with enhanced sensitivity, and temporal and spatial resolution compared to NMR Spectroscopy (MRS), by measuring the reduction in bulk water signal after application of a dedicated presaturation module. With the increased availability of high and ultra-high magnetic fields, CEST MRI techniques gained a lot of attention. Significant advancements have been reported in both the acquisition strategies and processing pipelines which allowed the in vivo detection of numerous brain metabolites including glutamate, glucose, myo-inositol, lactate, creatine and promising applications in different disciplines (e.g. oncology, musculoskeletal sciences, physiology or neurosciences) have been demonstrated. Yet, it remains challenging to investigate weaker CEST effects from molecules with lower concentrations or slower exchange rates or detect rapid CEST changes. This PhD thesis aimed at the development of ultra-high field CEST technics for studying brain metabolism in vivo. In this project, the advantage of ultra-high magnetic fields for CEST imaging was first demonstrated in vitro through an investigation of the CEST detection of three major neurometabolites: glucose, lactate and glutamate at different high magnetic fields (9.4, 11.7 and 17.2 T). The influence of temperature and pH changes on the CEST response was also investigated. In the second part of this thesis, the development and implementation of a new ultrafast CEST MRI approach are presented: the “CEST-linescan” sequence. This method is adapted to the detection of the tenuous CEST effects generated by metabolites with very low concentrations and very low exchange rates. Due to its rapidity, this acquisition protocol is offering a better signal stability while maintaining a contrast-to-noise ratio similar to that of standard CEST sequences. For processing, we used an analysis tool (PEAKIT) developed in our team specifically for characterizing CEST contributions. PEAKIT estimates the CEST peak height, area and statistical significance based on the estimation of the local baseline around the CEST contribution-of-interest and is therefore minimally impacted by the global shape of the CEST data. These two CEST-related tools enabled, for the first time, the in vivo detection (in the skeletal muscle and in the brain of rats) of carnosine, an endogenous dipeptide with important antioxidant functions known to be involved notably in the cellular response to high levels of inflammation. Two other derivatives of carnosine (anserine and homocarnosine) were also studied. In the last part of the project, we focused on adapting the ultrafast CEST-linescan sequence for the investigation of dynamic metabolic changes in the rat brain. A preliminary study consisted in detecting changes in the CEST contrast induced by a controlled pH decrease. We were then focused on monitoring metabolic changes induced by neuronal activation triggered by an electrical forepaw stimulation in rats. We made several sequence modifications and implemented various acquisition strategies in order to minimize the BOLD effects and maintain the sensitivity and (biochemical) specificity of the CEST signal changes. Even though the results obtained did not allow us to detect significant changes in specific CEST contributions during the functional task, we conclude that the imaging protocols developed are promising. By employing stimulation paradigms optimized for stable activation responses and increasing the number of animals for higher statistical power, we expect to be able to pinpoint transient metabolic changes driven by neuronal activity.L'imagerie RMN de transfert de saturation par échange chimique (IRM CEST) est un outil puissant pour l'imagerie métabolique. L'IRM CEST permet de détecter indirectement des métabolites avec une sensibilité et des résolutions temporelle et spatiale accrues par rapport à la spectroscopie RMN (SRM), via la réduction du signal de l'eau après l'application d'un module de présaturation à la fréquence du métabolite. Grâce à l'avènement des champs magnétiques intenses pour l'IRM, l'IRM CEST suscite un intérêt croissant. Des avancées significatives ont été rapportées aussi bien dans les stratégies d'acquisition que les chaînes de traitement permettant la détection de nombreux métabolites dont le glucose, le glutamate, le myo-inositol, le lactate ou la créatine, et des applications prometteuses dans différentes disciplines (oncologie, sciences musculo-squelettiques, physiologie ou neurosciences) ont été proposées. Cependant, il reste difficile d'étudier les effets CEST plus faibles provenant de métabolites moins concentrés, en échange lent ou de détecter des changements CEST rapides. Cette thèse de doctorat visait à développer des techniques CEST à ultra-haut champ pour étudier le métabolisme cérébral in vivo. D'abord, l'avantage des ultra-hauts champs magnétiques pour l'imagerie CEST a été démontré in vitro par l'étude de trois neurométabolites majeurs : glucose, lactate et glutamate à différents champs magnétiques (9.4, 11.7 et 17.2 T). L'influence des changements de température et de pH sur la réponse CEST a également été étudiée. Puis, le développement et l'implémentation d'une nouvelle approche d'IRM CEST ultra-rapide sont présentés : la séquence " CEST-linescan ". Cette méthode est adaptée à la détection des effets CEST ténus générés par des métabolites moins concentrés ou en échange lent. Grâce à sa rapidité, ce protocole d'acquisition offre une meilleure stabilité du signal tout en maintenant un rapport contraste/bruit similaire aux séquences CEST standards. Pour le traitement des données, un outil d'analyse (PEAKIT) spécifiquement dédié à la caractérisation de contributions CEST a été développé au sein de notre équipe. PEAKIT estime la hauteur, la surface et la significativité statistique du pic CEST en se basant sur l'estimation de la ligne de base locale autour de la contribution CEST d'intérêt et est donc peu affecté par la forme globale des données CEST. Ces deux outils dédiés ont permis, pour la première fois, la détection in vivo (dans le muscle squelettique et dans le cerveau du rat) de la carnosine, un dipeptide endogène doté d'importantes fonctions antioxydantes et connu pour être impliqué notamment dans la réponse cellulaire à des niveaux élevés d'inflammation. Deux autres dérivés de la carnosine (anserine et homocarnosine) ont également été étudiés. Enfin, nous avons adapté le CEST-linescan ultrarapide afin d'étudier les changements métaboliques dynamiques dans le cerveau du rat. Une étude préliminaire a consisté à détecter les changements du contraste CEST induits par une variation contrôlée du pH. Nous avons ensuite étudié les changements métaboliques induits par l'activation neuronale déclenchée par une stimulation électrique de la patte avant chez le rat. Nous avons adapté la séquence et mis en œuvre diverses stratégies d'acquisition afin de minimiser les effets BOLD et maintenir la sensibilité et la spécificité (biochimique) du contraste CEST fonctionnel. Même si les résultats obtenus ne nous ont pas permis de détecter des changements significatifs dans les contributions CEST spécifiques pendant la tâche fonctionnelle, nous concluons que les protocoles d'imagerie développés demeurent prometteurs. En employant des paradigmes de stimulation optimisés pour des réponses d'activation plus stables et en augmentant le nombre d'animaux pour une plus grande puissance statistique, nous espérons être en mesure d'identifier les changements métaboliques transitoires induits par l'activité neuronale

Développement de techniques CEST à ultra-haut champ pour l'étude du métabolisme cérébral

Chemical exchange saturation transfer Magnetic Resonance Imaging (CEST MRI) is a powerful tool for metabolic imaging. Detection of specific neurometabolites can be performed using CEST MRI with enhanced sensitivity, and temporal and spatial resolution compared to NMR Spectroscopy (MRS), by measuring the reduction in bulk water signal after application of a dedicated presaturation module. With the increased availability of high and ultra-high magnetic fields, CEST MRI techniques gained a lot of attention. Significant advancements have been reported in both the acquisition strategies and processing pipelines which allowed the in vivo detection of numerous brain metabolites including glutamate, glucose, myo-inositol, lactate, creatine and promising applications in different disciplines (e.g. oncology, musculoskeletal sciences, physiology or neurosciences) have been demonstrated. Yet, it remains challenging to investigate weaker CEST effects from molecules with lower concentrations or slower exchange rates or detect rapid CEST changes. This PhD thesis aimed at the development of ultra-high field CEST technics for studying brain metabolism in vivo. In this project, the advantage of ultra-high magnetic fields for CEST imaging was first demonstrated in vitro through an investigation of the CEST detection of three major neurometabolites: glucose, lactate and glutamate at different high magnetic fields (9.4, 11.7 and 17.2 T). The influence of temperature and pH changes on the CEST response was also investigated. In the second part of this thesis, the development and implementation of a new ultrafast CEST MRI approach are presented: the “CEST-linescan” sequence. This method is adapted to the detection of the tenuous CEST effects generated by metabolites with very low concentrations and very low exchange rates. Due to its rapidity, this acquisition protocol is offering a better signal stability while maintaining a contrast-to-noise ratio similar to that of standard CEST sequences. For processing, we used an analysis tool (PEAKIT) developed in our team specifically for characterizing CEST contributions. PEAKIT estimates the CEST peak height, area and statistical significance based on the estimation of the local baseline around the CEST contribution-of-interest and is therefore minimally impacted by the global shape of the CEST data. These two CEST-related tools enabled, for the first time, the in vivo detection (in the skeletal muscle and in the brain of rats) of carnosine, an endogenous dipeptide with important antioxidant functions known to be involved notably in the cellular response to high levels of inflammation. Two other derivatives of carnosine (anserine and homocarnosine) were also studied. In the last part of the project, we focused on adapting the ultrafast CEST-linescan sequence for the investigation of dynamic metabolic changes in the rat brain. A preliminary study consisted in detecting changes in the CEST contrast induced by a controlled pH decrease. We were then focused on monitoring metabolic changes induced by neuronal activation triggered by an electrical forepaw stimulation in rats. We made several sequence modifications and implemented various acquisition strategies in order to minimize the BOLD effects and maintain the sensitivity and (biochemical) specificity of the CEST signal changes. Even though the results obtained did not allow us to detect significant changes in specific CEST contributions during the functional task, we conclude that the imaging protocols developed are promising. By employing stimulation paradigms optimized for stable activation responses and increasing the number of animals for higher statistical power, we expect to be able to pinpoint transient metabolic changes driven by neuronal activity.L'imagerie RMN de transfert de saturation par échange chimique (IRM CEST) est un outil puissant pour l'imagerie métabolique. L'IRM CEST permet de détecter indirectement des métabolites avec une sensibilité et des résolutions temporelle et spatiale accrues par rapport à la spectroscopie RMN (SRM), via la réduction du signal de l'eau après l'application d'un module de présaturation à la fréquence du métabolite. Grâce à l'avènement des champs magnétiques intenses pour l'IRM, l'IRM CEST suscite un intérêt croissant. Des avancées significatives ont été rapportées aussi bien dans les stratégies d'acquisition que les chaînes de traitement permettant la détection de nombreux métabolites dont le glucose, le glutamate, le myo-inositol, le lactate ou la créatine, et des applications prometteuses dans différentes disciplines (oncologie, sciences musculo-squelettiques, physiologie ou neurosciences) ont été proposées. Cependant, il reste difficile d'étudier les effets CEST plus faibles provenant de métabolites moins concentrés, en échange lent ou de détecter des changements CEST rapides. Cette thèse de doctorat visait à développer des techniques CEST à ultra-haut champ pour étudier le métabolisme cérébral in vivo. D'abord, l'avantage des ultra-hauts champs magnétiques pour l'imagerie CEST a été démontré in vitro par l'étude de trois neurométabolites majeurs : glucose, lactate et glutamate à différents champs magnétiques (9.4, 11.7 et 17.2 T). L'influence des changements de température et de pH sur la réponse CEST a également été étudiée. Puis, le développement et l'implémentation d'une nouvelle approche d'IRM CEST ultra-rapide sont présentés : la séquence " CEST-linescan ". Cette méthode est adaptée à la détection des effets CEST ténus générés par des métabolites moins concentrés ou en échange lent. Grâce à sa rapidité, ce protocole d'acquisition offre une meilleure stabilité du signal tout en maintenant un rapport contraste/bruit similaire aux séquences CEST standards. Pour le traitement des données, un outil d'analyse (PEAKIT) spécifiquement dédié à la caractérisation de contributions CEST a été développé au sein de notre équipe. PEAKIT estime la hauteur, la surface et la significativité statistique du pic CEST en se basant sur l'estimation de la ligne de base locale autour de la contribution CEST d'intérêt et est donc peu affecté par la forme globale des données CEST. Ces deux outils dédiés ont permis, pour la première fois, la détection in vivo (dans le muscle squelettique et dans le cerveau du rat) de la carnosine, un dipeptide endogène doté d'importantes fonctions antioxydantes et connu pour être impliqué notamment dans la réponse cellulaire à des niveaux élevés d'inflammation. Deux autres dérivés de la carnosine (anserine et homocarnosine) ont également été étudiés. Enfin, nous avons adapté le CEST-linescan ultrarapide afin d'étudier les changements métaboliques dynamiques dans le cerveau du rat. Une étude préliminaire a consisté à détecter les changements du contraste CEST induits par une variation contrôlée du pH. Nous avons ensuite étudié les changements métaboliques induits par l'activation neuronale déclenchée par une stimulation électrique de la patte avant chez le rat. Nous avons adapté la séquence et mis en œuvre diverses stratégies d'acquisition afin de minimiser les effets BOLD et maintenir la sensibilité et la spécificité (biochimique) du contraste CEST fonctionnel. Même si les résultats obtenus ne nous ont pas permis de détecter des changements significatifs dans les contributions CEST spécifiques pendant la tâche fonctionnelle, nous concluons que les protocoles d'imagerie développés demeurent prometteurs. En employant des paradigmes de stimulation optimisés pour des réponses d'activation plus stables et en augmentant le nombre d'animaux pour une plus grande puissance statistique, nous espérons être en mesure d'identifier les changements métaboliques transitoires induits par l'activité neuronale

« Microbiote intestinal et peau » : caractéristiques du microbiote intestinal, liens avec l’inflammation systémique et cutanée, et nouvelles perspectives thérapeutiques

CONTEXTE : l’être humain est un être hybride, composé de milliards de bactéries qui s’organisent en microbiotes, le microbiote intestinal étant le plus connu et le plus important. Récemment, le développement du séquençage haut débit a permis de mieux appréhender la composition et les fonctions du microbiote intestinal.OBJECTIF : l’objectif de ce travail, strictement bibliographique, est de montrer comment le microbiote intestinal est impliqué en médecine humaine, en particulier dans les dermatoses inflammatoires communes, et les nouvelles perspectives thérapeutiques.MÉTHODE : ce travail est basé sur un travail de recherche à partir de la base de données PubMed.RÉSULTATS : le microbiote intestinal humain est composé de milliards de bactéries qui appartiennent à 4 principaux phyla : Firmicutes, Bacterioidetes, Actinobacteria et Proteobacteria. Toutes ces bactéries vivent en symbiose avec leur hôte. Cependant, ces dernières années, la composition du microbiote intestinal s’est vue perturbée par nos modes de vie (alimentation occidentale, utilisation fréquentes d’antibiotiques, pollution, hygiène excessive…). Il en résulte une dysbiose à l’origine d’une inflammation locale puis systémique, elle-même à l’origine de maladies métaboliques et inflammatoires (cutanées, digestives, rhumatismales…). Pour faire face à l’émergence de ces maladies, de nouvelles thérapeutiques ciblant le microbiote intestinal sont à l’étude : probiotiques, prébiotiques, postbiotiques, synbiotiques, transplantation de microbiote fécal…CONCLUSION : le microbiote intestinal intervient dans la physiopathologie de nombreuses maladies inflammatoires et métaboliques. De nouvelles thérapeutiques ciblant le microbiote intestinal sont en cours de développement, cependant, les résultats des différentes études sont trop contradictoires pour les introduire dans l’arsenal thérapeutique actuel

In vivo detection of carnosine and its derivatives using chemical exchange saturation transfer

International audienceAbstractPurposeTo detect carnosine, anserine and homocarnosine in vivo with chemical exchange saturation transfer (CEST) at 17.2 T.MethodsCEST MR acquisitions were performed using a CEST-linescan sequence developed in-house and optimized for carnosine detection. In vivo CEST data were collected from three different regions of interest (the lower leg muscle, the olfactory bulb and the neocortex) of eight rats.ResultsThe CEST effect for carnosine, anserine and homocarnosine was characterized in phantoms, demonstrating the possibility to separate individual contributions by employing high spectral resolution (0.005 ppm) and low CEST saturation power (0.15 T). The CEST signature of these peptides was evidenced, in vivo, in the rat brain and skeletal muscle. The presence of carnosine and anserine in the muscle was corroborated by in vivo localized spectroscopy (MRS). However, the sensitivity of MRS was insufficient for carnosine and homocarnosine detection in the brain. The absolute amounts of carnosine and derivatives in the investigated tissues were determined by liquid chromatography–electrospray ionization-tandem mass spectrometry using isotopic dilution standard methods and were in agreement with the CEST results.ConclusionThe robustness of the CEST-linescan approach and the favorable conditions for CEST at ultra-high magnetic field allowed the in vivo CEST MR detection of carnosine and related peptides. This approach could be useful to investigate noninvasively the (patho)-physiological roles of these molecules