Système microfluidique d'analyse sanguine en temps réel pour l'imagerie moléculaire chez le petit animal

De nouveaux radiotraceurs sont continuellement développés pour améliorer l'efficacité diagnostique en imagerie moléculaire, principalement en tomographie d'émission par positrons (TEP) et en tomographie d'émission monophotonique (TEM) dans les domaines de l'oncologie, de la cardiologie et de la neurologie. Avant de pouvoir être utilisés chez les humains, ces radiotraceurs doivent être caractérisés chez les petits animaux, principalement les rats et les souris. Pour cela, de nombreux échantillons sanguins doivent être prélevés et analysés (mesure de radioactivité, séparation de plasma, séparation d'espèces chimiques), ce qui représente un défi majeur chez les rongeurs à cause de leur très faible volume sanguin (-1,4 ml pour une souris). Des solutions fournissant une analyse partielle sont présentées dans la littérature, mais aucune ne permet d'effectuer toutes les opérations dans un même système. Les présents travaux de recherche s'insèrent dans le contexte global d'un projet visant à développer un système microfluidique d'analyse sanguine complète en temps réel pour la caractérisation des nouveaux radiotraceurs TEP et TEM. Un cahier des charges a tout d'abord été établi et a permis de fixer des critères quantitatifs et qualitatifs à respecter pour chacune des fonctions de la puce. La fonction de détection microfluidique a ensuite été développée. Un état de l'art des travaux ayant déjà combiné la microfluidique et la détection de radioactivité a permis de souligner qu'aucune solution existante ne répondait aux critères du projet. Parmi les différentes technologies disponibles, des microcanaux en résine KMPR fabriqués sur des détecteurs semiconducteurs de type p-i-n ont été identifiés comme une solution technologique pour le projet. Des détecteurs p-i-n ont ensuite été fabriqués en utilisant un procédé standard. Les performances encourageantes obtenues ont mené à initier un projet de maîtrise pour leur optimisation. En parallèle, les travaux ont été poursuivis avec des détecteurs du commerce sous forme de gaufres non découpées. Un premier dispositif intégrant des canaux en KMPR sur ces gaufres a permis de valider le concept démontrant le grand potentiel de ces choix technologiques et incitant à poursuivre les développements dans cette voie, notamment en envisageant des expériences animales. L'utilisation prolongée des canaux avec du sang non dilué est cependant particulièrement exigeante pour les matériaux artificiels. Une passivation à l'albumine a permis d'augmenter considérablement la compatibilité sanguine de la résine KMPR. Le concept initial, incluant la passivation des canaux, a ensuite été optimisé et intégré dans un système de mesure complet avec toute l'électronique et l'informatique de contrôle. Le système final a été validé chez le petit animal avec un radiotraceur connu. Ces travaux ont donné lieu à la première démonstration d'un détecteur microfluidique de haute efficacité pour la TEP et la TEM. Cette première brique d'un projet plus global est déjà un outil innovant en soi qui permettra d'augmenter l'efficacité du développement d'outils diagnostiques plus spécifiques principalement pour l'oncologie, la cardiologie et la neurologie

Characterization of Fabric-to-Fabric Friction: Application to Medical Compression Bandages

Fabric-to-fabric friction is involved in the action mechanism of medical compression devices such as compression bandages or lumbar belts. To better understand the action of such devices, it is essential to characterize, in their use conditions (mainly pressure and stretch), the frictional properties of the fabrics they are composed of. A characterization method of fabric-to-fabric friction was developed. This method was based on the customization of the fourth instrument of the Kawabata Evaluation System, initially designed for fabric roughness and friction characterization. A friction contactor was developed so that the stretch of the fabric and the applied load can vary to replicate the use conditions. This methodology was implemented to measure the friction coefficient of several medical compression bandages. In the ranges of pressure and bandage stretch investigated in the study, bandage-to-bandage friction coefficient showed very little variation. This simple and reliable method, which was tested for commercially available medical compression bandages, could be used for other medical compression fabrics

Compteur sanguin [micro]volumétrique pour l'imagerie moléculaire chez le petit animal

Les études expérimentales sur les petits animaux de laboratoire sont devenues un axe essentiel de recherche dans la plupart des domaines de la biologie moléculaire, de la toxicologie et de la pharmacologie. Elles sont grandement facilitées par le développement de scanners dédiés, incluant des tomographes d'émission par positrons (TEP) à haute résolution pour petits animaux. En effet, en mesurant la biodistribution dynamique d'un radiotraceur in vivo, la TEP permet de mesurer des processus physiologiques et biochimiques à un niveau moléculaire. Des modèles mathématiques peuvent alors être appliqués pour décrire la cinétique des radiotraceurs et extraire des paramètres biologiques d'intérêt comme la perfusion, la consommation d'oxygène ou la consommation de glucose de l'organe étudié. Pour calculer ces constantes cinétiques, il est nécessaire d'obtenir les concentrations tissulaires et plasmatiques du radiotraceur en fonction du temps. Alors que la courbe tissulaire est dérivée des images TEP, il n'est pas toujours possible d'en extraire la courbe sanguine. Habituellement elle est obtenue par le prélèvement manuel d'échantillons sanguins, mais cette procédure peut s'avérer très délicate, surtout sur de très petits animaux comme les souris. Un Compteur Sanguin [micro]volumétrique (CS[micro]) automatisé a donc été développé pour faciliter la mesure de la radioactivité dans le sang. Le CS[micro], qui est l'objet de ce mémoire, est constitué d'un module de détection [bêta] à base de photodiodes PIN et d'un module de contrôle comprenant une pompe pousse-seringue à microvolumes. Cette dernière prélève continuellement du sang d'une canule artérielle ou veineuse à une vitesse réglable pour le faire passer devant les détecteurs. La détection directe des positrons par des photodiodes permet de minimiser la sensibilité aux rayonnements gamma environnants et donc de diminuer l'encombrement du système de détection, principalement par l'amincissement du blindage. L'appareil est entièrement contrôlé par ordinateur pour la sélection du protocole de prélèvement sanguin, les réglages et l'affichage en temps réel des données. Il peut être utilisé seul ou intégré à la caméra LabPET(TM) pour corréler la courbe sanguine avec une séquence d'imagerie TEP dynamique. Différentes caractéristiques physiques du compteur sanguin [micro]volumétrique ont été évaluées. Sa sensibilité absolue se situe entre 3,5 et 23% pour les isotopes les plus couramment utilisés en TEP ([indice supérieur 18]F, [indice supérieur 11]C, [indice supérieur 13]N, [indice supérieur 64]Cu). Le système est linéaire pour les activités utilisées sur modèle animal (1 à 15 kBq/[micro]1) et très peu sensible au bruit de fond radioactif ambiant.Les effets de la dispersion ont été mesurés pour différents cathéters, différentes distances entre l'animal et le détecteur et différentes vitesses de prélèvement. Le système utilisé avec un cathéter PE10 s'est révélé insensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Un renfort du blindage EMI permet également de limiter grandement le bruit dans le cas d'un cathéter PE50 avec des animaux de la taille d'un rat. La stabilité à court terme est de l'ordre des variations engendrées par la statistique de Poisson. Enfin, une variation de seulement 0,07% a été observée dans la mesure de l'activité d'une même source repositionnée cinq fois dans le détecteur. Différentes études animales ont été entreprises pour compléter la caractérisation du système. La courbe sanguine obtenue avec le CS[micro] a été comparée avec succès avec des courbes provenant d'un échantillonnage manuel et d'une région d'intérêt (ROI) tracée sur l'image TEP. Des mesures de la consommation myocardique en glucose chez le rat et de la perfusion sanguine du myocarde chez la souris ont également été réalisées avec succès. Le compteur sanguin [micro]volumétrique s'avère donc un outil efficace donnant des mesures précises et reproductibles. Il permet de diminuer l'exposition du personnel tout en augmentant l'efficacité des études pharmacocinétiques en recherche biomédicale et pharmaceutique

Compteur sanguin [micro]volumétrique pour l'imagerie moléculaire chez le petit animal

Les études expérimentales sur les petits animaux de laboratoire sont devenues un axe essentiel de recherche dans la plupart des domaines de la biologie moléculaire, de la toxicologie et de la pharmacologie. Elles sont grandement facilitées par le développement de scanners dédiés, incluant des tomographes d'émission par positrons (TEP) à haute résolution pour petits animaux. En effet, en mesurant la biodistribution dynamique d'un radiotraceur in vivo, la TEP permet de mesurer des processus physiologiques et biochimiques à un niveau moléculaire. Des modèles mathématiques peuvent alors être appliqués pour décrire la cinétique des radiotraceurs et extraire des paramètres biologiques d'intérêt comme la perfusion, la consommation d'oxygène ou la consommation de glucose de l'organe étudié. Pour calculer ces constantes cinétiques, il est nécessaire d'obtenir les concentrations tissulaires et plasmatiques du radiotraceur en fonction du temps. Alors que la courbe tissulaire est dérivée des images TEP, il n'est pas toujours possible d'en extraire la courbe sanguine. Habituellement elle est obtenue par le prélèvement manuel d'échantillons sanguins, mais cette procédure peut s'avérer très délicate, surtout sur de très petits animaux comme les souris. Un Compteur Sanguin [micro]volumétrique (CS[micro]) automatisé a donc été développé pour faciliter la mesure de la radioactivité dans le sang. Le CS[micro], qui est l'objet de ce mémoire, est constitué d'un module de détection [bêta] à base de photodiodes PIN et d'un module de contrôle comprenant une pompe pousse-seringue à microvolumes. Cette dernière prélève continuellement du sang d'une canule artérielle ou veineuse à une vitesse réglable pour le faire passer devant les détecteurs. La détection directe des positrons par des photodiodes permet de minimiser la sensibilité aux rayonnements gamma environnants et donc de diminuer l'encombrement du système de détection, principalement par l'amincissement du blindage. L'appareil est entièrement contrôlé par ordinateur pour la sélection du protocole de prélèvement sanguin, les réglages et l'affichage en temps réel des données. Il peut être utilisé seul ou intégré à la caméra LabPET(TM) pour corréler la courbe sanguine avec une séquence d'imagerie TEP dynamique. Différentes caractéristiques physiques du compteur sanguin [micro]volumétrique ont été évaluées. Sa sensibilité absolue se situe entre 3,5 et 23% pour les isotopes les plus couramment utilisés en TEP ([indice supérieur 18]F, [indice supérieur 11]C, [indice supérieur 13]N, [indice supérieur 64]Cu). Le système est linéaire pour les activités utilisées sur modèle animal (1 à 15 kBq/[micro]1) et très peu sensible au bruit de fond radioactif ambiant.Les effets de la dispersion ont été mesurés pour différents cathéters, différentes distances entre l'animal et le détecteur et différentes vitesses de prélèvement. Le système utilisé avec un cathéter PE10 s'est révélé insensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Un renfort du blindage EMI permet également de limiter grandement le bruit dans le cas d'un cathéter PE50 avec des animaux de la taille d'un rat. La stabilité à court terme est de l'ordre des variations engendrées par la statistique de Poisson. Enfin, une variation de seulement 0,07% a été observée dans la mesure de l'activité d'une même source repositionnée cinq fois dans le détecteur. Différentes études animales ont été entreprises pour compléter la caractérisation du système. La courbe sanguine obtenue avec le CS[micro] a été comparée avec succès avec des courbes provenant d'un échantillonnage manuel et d'une région d'intérêt (ROI) tracée sur l'image TEP. Des mesures de la consommation myocardique en glucose chez le rat et de la perfusion sanguine du myocarde chez la souris ont également été réalisées avec succès. Le compteur sanguin [micro]volumétrique s'avère donc un outil efficace donnant des mesures précises et reproductibles. Il permet de diminuer l'exposition du personnel tout en augmentant l'efficacité des études pharmacocinétiques en recherche biomédicale et pharmaceutique

The ultra high sensitivity blood counter: a compact, MRI-compatible, radioactivity counter for pharmacokinetic studies in μl volumes

International audienceAbstract Quantification of physiological parameters in preclinical pharmacokinetic studies based on nuclear imaging requires the monitoring of arterial radioactivity over time, known as the arterial input function (AIF). Continuous derivation of the AIF in rodent models is very challenging because of the limited blood volume available for sampling. To address this challenge, an Ultra High Sensitivity Blood Counter (UHS-BC) was developed. The device detects beta particles in real-time using silicon photodiodes, custom low-noise electronics, and 3D-printed plastic cartridges to hold standard catheters. Two prototypes were built and characterized in two facilities. Sensitivities up to 39% for 18 F and 58% for 11 C-based positron emission tomography (PET) tracers were demonstrated. 99m Tc and 125 I based Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) tracers were detected with greater than 3% and 10% sensitivity, respectively, opening new applications in nuclear imaging and fundamental biology research. Measured energy spectra show all relevant peaks down to a minimum detectable energy of 20 keV. The UHS-BC was shown to be highly reliable, robust towards parasitic background radiation and electromagnetic interference in the PET or MRI environment. The UHS-BC provides reproducible results under various experimental conditions and was demonstrated to be stable over days of continuous operation. Animal experiments showed that the UHS-BC performs accurate AIF measurements using low detection volumes suitable for small animal models in PET, SPECT and PET/MRI investigations. This tool will help to reduce the time and number of animals required for pharmacokinetic studies, thus increasing the throughput of new drug development

Characterization of Fabric-to-Fabric Friction: Application to Medical Compression Bandages

Fabric-to-fabric friction is involved in the action mechanism of medical compression devices such as compression bandages or lumbar belts. To better understand the action of such devices, it is essential to characterize, in their use conditions (mainly pressure and stretch), the frictional properties of the fabrics they are composed of. A characterization method of fabric-to-fabric friction was developed. This method was based on the customization of the fourth instrument of the Kawabata Evaluation System, initially designed for fabric roughness and friction characterization. A friction contactor was developed so that the stretch of the fabric and the applied load can vary to replicate the use conditions. This methodology was implemented to measure the friction coefficient of several medical compression bandages. In the ranges of pressure and bandage stretch investigated in the study, bandage-to-bandage friction coefficient showed very little variation. This simple and reliable method, which was tested for commercially available medical compression bandages, could be used for other medical compression fabrics

Characterization of Fabric-to-Fabric Friction: Application to Medical Compression Bandages

International audienc