High-Resolution 1.5-Tesla Magnetic Resonance Imaging for Tissue-Engineered Constructs: A Noninvasive Tool to Assess Three-Dimensional Scaffold Architecture and Cell Seeding

International audienceTissue-engineered scaffolds are made of biocompatible polymers with various structures, allowing cell seeding, growth, and differentiation. Noninvasive imaging methods are needed to study tissue-engineered constructs before and after implantation. Here, we show that high-resolution magnetic resonance imaging (MRI) performed on a clinical 1.5-T device is a reliable technique to assess three-dimensional structures of porous scaffolds and to validate cell-seeding procedures. A high-temperature superconducting detection coil was used to achieve a resolution of 30Â30Â30 mm 3 when imaging the scaffolds. Three types of structures with tuneable architectures were prepared from naturally derived polysaccharides and evaluated as scaffolds for mesenchymal stem cell (MSC) culture. To monitor cell seeding, MSCs were magnetically labeled using simple incubation with anionic citrate-coated iron-oxide nanoparticles for 30 min. Iron uptake was quantified using single-cell magnetophoresis, and cell proliferation was checked for 7 days after labeling. Three-dimensional (3D) microstructures of scaffolds were assessed using MRI, revealing lamellar or globular porous organization according to the scaffold preparation process. MSCs with different iron load (5, 12 and 31 pg of iron per cell) were seeded on scaffolds at low density (132 cells=mm 3) and detected on 3D gradient-echo MR images according to phase distortions and areas of intensely low signal, whose size increased with cell iron load and echo time. Overall signal loss in the scaffold correlated with the number of seeded cells and their iron load. Different organizations of cells were observed depending on the scaffold architecture. After subcutaneous implantation in mice, scaffolds seeded with labeled cells could be distinguished in vivo from scaffold with nonlabeled cells by observation of signal and phase heterogeneities and by measuring the global signal loss. High-resolution 1.5-T MRI combined with efficient intracellular contrast agents shows promise for noninvasive 3D visualization of tissue-engineered constructs before and after in vivo implantation

Molecular Magnetic Resonance and Ultrasound Imaging of Tumor Angiogenesis

International audienc

Evaluation of lung recovery after static administration of three different perfluorocarbons in pigs.

International audienceBackground: The respiratory properties of perfluorocarbons (PFC) have been widely studied for liquid ventilation inhumans and animals. Several PFC were tested but their tolerance may depend on the species. Here, the effects of asingle administration of liquid PFC into pig lungs were assessed and compared. Three different PFC having distinctevaporative and spreading coefficient properties were evaluated (Perfluorooctyl bromide [PFOB], perfluorodecalin[PFD] and perfluoro-N-octane [PFOC]).Methods: Pigs were anesthetized and submitted to mechanical ventilation. They randomly received an intra-trachealadministration of 15 ml/kg of either PFOB, PFD or PFOC with 12 h of mechanical ventilation before awakening andweaning from ventilation. A Control group was submitted to mechanical ventilation with no PFC administration. Allanimals were followed during 4 days after the initial PFC administration to investigate gas exchanges and clinicalrecovery. They were ultimately euthanized for histological analyses and assessment of PFC residual concentrationswithin the lungs using dual nuclei fluorine and hydrogen Magnetic Resonance Imaging (MRI). Sixteen animals wereincluded (4/group).Results: In the PFD group, animals tended to be hypoxemic after awakening. In PFOB and PFOC groups, blood gaseswere not significantly different from the Control group after awakening. The poor tolerance of PFD was likely related toa large amount of residual PFC, as observed using MRI in all lung samples (≈10% of lung volume). This percentage waslower in the PFOB group (≈1%) but remained significantly greater than in the Control group. In the PFOC group, thepercentage of residual PFC was not significantly different from that of the Control group (≈0.1%). Histologically, themost striking feature was an alveolar infiltration with foam macrophages, especially in the groups treated by PFD orPFOB.Conclusions: Of the three tested perfluorocarbons, PFOC offered the best tolerance in terms of lung function, gasexchanges and residuum in the lung. PFOC was rapidly cleared from the lungs and virtually disappeared after 4 dayswhereas PFOB persisted at significant levels and led to foam macrophage infiltration. PFOC could be relevant for shortterm total liquid ventilation with a rapid weaning

Modélisation, réalisation et caractérisation d'antennes supraconductrices pour la micro-IRM du cerveau de souris à 4,7 T

En IRM haute résolution du petit animal, un rapport signal sur bruit (RSB) convenable demande habituellement l'utilisation d'un champ magnétique statique beaucoup plus élevé, (jusqu'à 20 T) que pour les applications cliniques quotidiennes (1,5 et 3 T). Une alternative est offerte avec le développement récent d antennes miniatures en matériau supraconducteur à haute température critique (HTS). Cependant de nombreux problèmes liés à ce type d'antennes subsistent et limitent leur diffusion à grande échelle. Le présent manuscrit présente le développement théorique et expérimental d'une antenne de surface HTS de très petite dimension destinée à l imagerie du cerveau de souris in vivo à 4,7 T.La première partie traite de la modélisation électromagnétique 3D, à l aide d un logiciel commercial (CST-Microwave Studio), de structures monolithiques auto-résonantes adaptées à l'obtention de facteurs de qualité extrêmement élevés (105). Le modèle numérique permet, par rapport à un modèle analytique approché, une meilleure prise en compte de la complexité géométrique de l antenne et de son environnement cryogénique proche, dont les effets sur les caractéristiques radiofréquences de l antenne sont considérables.Une deuxième partie présente l'étude des effets du champ statique (de 0 à 4,7 T) et de la température (de 65 à 83 K) sur les caractéristiques électriques d une antenne HTS, dans le domaine de fréquences de l'IRM pour lequel les propriétés des supraconducteurs ont été peu étudiées jusqu'ici. L'étude montre que les effets délétères du champ sur la sensibilité de l antenne sont partiellement compensés par une diminution modérée de sa température de fonctionnement. Cette diminution est accessible avec un dispositif original de contrôle de température qui évite de faire appel à un système cryogénique complexe limitant le domaine d application des antennes HTS.La troisième partie présente les résultats obtenus en imagerie à 4,7 T avec une antenne de surface en matériau HTS dont la taille (diamètre de 6 mm) a été optimisée pour obtenir les meilleures performances en RSB, en vue d'une intégration dans un réseau de 4 antennes. Un RSB 4,5 fois supérieur à celui obtenu avec une antenne en cuivre de même géométrie a été démontré sur fantôme. Ce travail aboutit à la réalisation de la première image de cerveau de souris in-vivo à une valeur de champ supérieure à 3 T avec une antenne HTS. La mise en réseau d'antennes de ce type devrait permettre de couvrir le cerveau de souris complet en imagerie très haute résolution à 4,7 T, avec un RSB comparable à celui qui est accessible aujourd'hui à la limite supérieure de champ magnétique.High resolution magnetic resonance imaging (MRI) of small animals requires generally higher static magnetic field (up to 20 T) than those used for clinical applications (1,5 and 3 T) in order to reach a satisfactory signal to noise ratio (SNR). An alternative can be the use of miniature surface coils made of high temperature superconducting (HTS) material. However, several issues remain with such coils and limit their use at a large scale. In this work we present the theoretical and experimental development of a miniature HTS surface coil dedicated to mouse brain imaging at 4.7 T.The first chapter presents 3D electromagnetic simulations to design monolithic self-resonant structures with very high quality factors ( 105) using a commercial software (CST-Microwave Studio). In contrast to an analytical model, a numerical model allows to handle the complex geometry of the coil and its cryogenic environment, which may influence notably the radiofrequency characteristics of the coil.The second chapter presents a study of the coupled effects of the static magnetic field B0 (from 0 to 4,7 T) and temperature (from 66 to 80 K) on the electrical properties of a HTS coil in the frequency range involved in MRI, for which HTS properties have been poorly studied. This study shows that deleterious effects of B0 on coil sensitivity can be partially compensated by a moderate decrease of its working temperature. An original cryogenic system was designed to enable temperature regulation avoiding the use of more complex systems that limit the use of HTS coils for MRI experiments.The third chapter presents MRI results obtained at 4.7 T using a small HTS surface coil. The 6 mm coil has been optimized for best SNR performances and in order to be integrated in a 4-element coil array in a future refinement. A 4.5 fold SNR enhancement as compared to the one achieved using a copper coil with the same geometry was demonstrated. This work provides the first in-vivo imaging of a mouse brain using a HTS coil at a B0 value higher than 3 T. Arrays made of such coils will allow to perform very high resolution imaging of the complete mouse brain at 4.7 T with SNR values that are comparable to those achieved at the highest B0 fields accessible today.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Antennes reseaux pour la transmission parallele en irm a ultra haut champ (conception, réalisation et stratégie de pilotage)

Le projet Iseult-Inumac mené au sein d un consortium franco-allemand vise à développer les techniques associées à l imagerie par résonance magnétique à ultra haut champ, notamment à travers la construction d un imageur à 11,7 teslas. La résolution accrue du nouvel imageur devrait apporter une meilleure compréhension du système nerveux et de ses dysfonctionnements pour aboutir à un dépistage plus précoce des pathologies telles que la maladie d Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux ou les tumeurs.La principale difficulté technique du projet, en dehors de la construction de l aimant statique, réside dans la capacité d émettre une onde électromagnétique d amplitude uniforme dans tout le cerveau du patient : problème de l inhomogénéité de B1 (ou radiofréquence). Une solution proposée consiste à utiliser une antenne réseau à transmission parallèle et des séquences d excitation IRM spécifiques dites de compensation.Cette thèse se concentre sur la conception des antennes réseaux à transmission parallèle pour l IRM à 7 et 11,7 T. Un prototype à 8 canaux indépendants utilisant une technologie innovante de résonateurs linéaires est présentée pour l IRM 7 T. Il a été conçu par la simulation numérique. Un protocole de validation a été développé pour la caractérisation et l analyse des performances des antennes réseaux. Le succès de cette validation a permis de développer par la simulation une nouvelle antenne à 12 canaux et une stratégie de pilotage innovante permettant de n utiliser que 8 chaînes de pilotage au lieu de 12. Enfin, la même méthodologie a été appliquée pour concevoir et prédire les performances d une antenne réseau à 11,7 T.The Iseult-Inumac project led by a franco-german consortium aims at developing the ultra-high field MRI technologies, especially with the building of an 11.7 tesla scanner. The high resolution of this new scanner may improve the understanding of human nervous system and its dysfunctions in order to detect pathologies like the Alzheimer disease, strokes or tumors earlier.The biggest technical difficulty, besides the building of the static magnet itself, lies in the emission of a uniform electromagnetic wave in the entire brain of the patient. It is usually referred as to B1 (or RF) inhomogeneity issues. A solution consists in using a phased array RF coil and specific MRI sequences for shimming in a parallel transmit approach.This thesis deals with the study of parallel transmit phased arrays RF coils for 7 T and 11.7 T MRI. An eight independent channels prototype-coil that uses a new planar strip array technology is described for 7 T MRI. It was designed based on numerical simulation. A validation methodology has been developed for characterization and performance analysis of transmit phased arrays. After a successful validation of this first prototype, a more efficient 12-channel coil and a new driving strategy that only requires 8 driving channels instead of 12 were designed. Finally, the same methodology was applied to a phased array RF coil for 11.7 T MRI.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Banc microfluidique d'histologie IRM pour la modélisation in vitro du marquage moléculaire (effet du choix du marqueur et du champ magnétique sur les seuils de détection)

Dans la foulée des avancées en médecine nucléaire, l imagerie moléculaire par résonance magnétique a pris son essor ces dernières années car elle constitue un enjeu contemporain en vue d améliorer le diagnostic et le suivi thérapeutique de pathologies comme le cancer ou la maladie d Alzheimer. Cependant, cette technique d imagerie médicale souffre à la fois de la petite quantité de récepteurs disponibles in vivo et de la faible sensibilité de l IRM pour la détection d agents de contraste exogènes. De ce fait, la littérature montre un intérêt croissant pour le développement de nouveaux agents de contraste pouvant porter plusieurs milliers de contrastophores et de nouvelles techniques sont nécessaires pour évaluer l efficacité de ces derniers. Ainsi, lorsqu un agent de contraste fonctionnalisé est injecté in vivo, ce dernier va subir de nombreux processus biochimiques (extravasation, fixation spécifique sur les récepteurs, internalisation dans les cellules ) qui peuvent rendre les mécanismes de prise de contraste difficile à appréhender. De ce fait, nous avons développé une nouvelle méthode in vitro d observation cellulaire permettant de caractériser les agents de contraste par IRM en modélisant expérimentalement certains des mécanismes ayant lieu in vivo, tout en s affranchissant des problèmes liées à l expérimentation sur petit animal (résolution, Rapport signal sur bruit, reproductibilité inter-animale, ). Notre approche a reposé sur la conception d un dispositif de microhistologie par IRM qui permet de détecter une monocouche de cellules d une dizaine de microns d épaisseur dans un environnement microfluidique. Après avoir totalement caractérisé notre méthode avec des cellules ayant internalisé un agent de contraste commercial (Dotarem), nous l avons utilisé pour évaluer la capture dynamique d un nouvel agent de contraste développé à Guerbet : une émulsion paramagnétique fonctionnalisée avec des peptides RGD destinée à l imagerie de l angiogénèse tumorale. Dans un canal microfluidique, nous avons préparé une monocouche confluente de cellules endothéliales et appliqué un flux d agent de contraste au-dessus de ces dernières. Par IRM, nous avons pu réaliser un suivi dynamique de la capture de l agent de contraste par les récepteurs membranaires des cellules. En plus de démontrer la spécificité de l agent de contraste comme le font les méthodes traditionnelles, notre technique nous a permis d évaluer les constante cinétiques d association et de dissociation et la constante d affinité de l agent de contraste pour les récepteurs dans des conditions physiologiques proches de celles existant in vivo, notamment en termes de disposition des cellules et de la vitesse et de la concentration de l agent de contraste.Following the recent advances in nuclear medicine, magnetic resonance imaging has rapidly become an emerging technique for molecular imaging since it constitutes a contemporary issue for the improvement of the diagnosis and the post-treatment follow-up of pathologies such as cancer and Alzheimer s disease. However, this technique suffers from both the weak amount of in vivo receptors and the low sensitivity of MRI for the detection of exogenous contrast agents. Thus, the literature shows an increasing interest for the development of novel contrast agents which can carry several thousands of contrastophores and new techniques are needed to evaluate the efficiency of these contrast agents. Indeed, when a targeted contrast agent is injected intraveneously, many biochemical process can occur simultaneously (extravasation, specific binding on receptors, internalization inside cells, ), which can make the contrast uptake mechanisms difficult to investigate. Hence, we developed a new method of cellular observation allowing to characterize the contrast agent by MRI, by imitating some of the in vitro mechanisms that occur in vivo. Using this technique, we also avoided problems that are linked to the experimentation on small animal in terms of resolution, signal to noise ratio and inter-animal reproducibility.Our approach was based on the design and fabrication of a microhistological device that allows to detect a living cells monolayer - whose thickness is above 10 microns - in a microfluidic environment. After having fully characterized our method with cells that had internalized a commercial contrast agent (Dotarem), we used it to evaluate the dynamic uptake of a new contrast agent developed and synthetized in Guerbet : a paramagnetic nanoemulsion functionalized with RGD peptides to target the avb3 integrins that play a capital role in the tumor angiogenesis process. In a microfluidic channel, we prepared an endothelial cell monolayer and applied a flow of contrast agent over the cell layer. We were able to follow-up by MRI the uptake of the contrast agent by the cell surface receptors. Besides demonstrating the specificity of the contrast agent as well as traditional in vitro techniques, our technique provides an additional information level since it is able to evaluate the kinetic constants and the affinity of the contrast agents toward the receptors. These experiments were done under physiological conditions close to the ones existing in vivo in terms of cell arrangement, concentration and flow velocity of the contrast agent.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Suivi en imagerie par résonance magnétique de la température et des propriétés viscoélastiques des tissus cérébraux dans le cadre des thermothérapies

Mon travail de thèse se place dans le cadre du projet ANR TUCCIRM de développement d un système de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) dédié au cerveau implantable dans un IRM clinique 1,5 T. Les développements IRM ont été l objet de mon travail. Dans un premier temps, l IRM a été utilisée pour suivre l évolution en température des tissus en cours de traitement. Pour cela, nous avons tout d abord réalisé une étude d optimisation et de comparaison de séquences de thermome trie basées sur le principe du décalage chimique (PRFS). Puis, nous avons optimisé le rapport signal sur bruit pour améliorer la qualité des images ainsi que la précision en température. Ces développements ont été appliqués au cours de tests HIFU suivi par IRM de têtes de cadavres humains.Dans un deuxième temps, l IRM a été utilisée pour caractériser la viscoélasticité des tissus cérébraux par la technique d élastograhie par résonance magnétique. Ces propriétés changeant avec la température, cette méthode permettrait de suivre l état des tissus pendant le traitement HIFU pour en déterminer l effet thermique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau concept de générateur d onde, testé ensuite sur six rats in vivo.My Ph.D. work is a part of the ANR TUCCIRM project, which consist in developing a treatment system dedicated to the brain using High Intensity Focalized Ultrasound (HIFU) usable with clinical 1.5T MRI. My work was mainly focus to MRI development.During the first part of my work, we used the MRI to observe the evolution of the temperature of tissue inside the brain during the ultrasound treatment. Firstly, based on the chemical shift principle, we perform an optimization study and thermometric sequence comparison. Then an optimization of the signal-to-noise ratio has been realized to improve the image quality and then the temperature measurement precision. This development has been used during HIFU test on human head corpse following the evolution of the temperature with MRI. In a second part, MRI was used to characterize the viscoelasticity of brain tissue using elastography by magnetic resonances. These properties are evolving with the temperature, so this method should allow following tissue state during HIFU treatment to determine temperature effect on brain tissue. For that purposes we develop a new concept of wave generator, witch has been tested on 6 rats in vivo.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Couplage optimal d'une antenne IRM supraconductrice avec un transistor HEMT refroidi

En IRM la sensibilité du détecteur joue un rôle déterminant sur la résolution spatiale et temporelle accessible. Le circuit inductif du détecteur doit avoir un facteur de qualité (Q) élevé comme en IRM bas champ ou en microscopie RMN sur de petites régions anatomiques. L'adaptation du détecteur à un préamplificateur est alors difficile à réaliser sur la bande de fréquence nécessaire à la transmission du signal d'imagerie. Le chapitre 1 traite du couplage antenne-préamplificateur dans la littérature. Il existe une limite théorique en bande passante, dite limite de Fano. Il est montré que pour une dégradation constante du rapport signal-surbruit (RSB), la largeur de bande atteignable est inversement proportionnelle à la température de bruit Tn du préamplificateur. Le chapitre II est consacré à la recherche et à la caractérisation d'un amplificateur refroidi dépassant les limites de l'état de l'art en électronique RMN faible bruit. Les HEMTs sont les meilleurs candidats aux fréquences IRM mais leurs caractéristiques ne sont pas bien connues à ces fréquences et à basse température. Une méthode de caractérisation a été appliquée en combinant la mesure de paramètres S et le modèle de transistor bruyant de Pospieszalski. La caractérisation a été menée à 293 K et à 100 K. Le chapitre III traite de l'optimisation du couplage antenne-préamplificateur. L'étude est détaillée dans le cas d'un couplage inductif du second ordre qui offre le meilleur compromis efficacité/simplicité. Dans le chapitre IV les résultats précédents sont appliqués à la conception d'un prototype de préamplification intégré à un détecteur supraconducteur dédié à la microscopie localisée in-vivo à 1,5T.In MRI the sensitivity of the detector plays a determining part on the spatial and temporal resolution available. The detector inductive circuit must have a high quality factor (Q) as in low field MRI or in NMR microscopy on small anatomical areas. The adaptation of the detector to a preamplifier is then difficult to realize on the frequency band necessary to the transmission of the signal. The chapter 1 deals with antenna-preamplifier coupling in the literature. There is a theoretical limit in band-width, known as limit of Fano is shown that for a constant degradation of the signal to noise ratio (SNR) the bandwidth achievable is inversely proportional to the noise temperature Tn noise of the preamplifier. Chapter II is devoted to the search and the characterization of a cooled amplifier exceeding the limits of l'état de l'art in weak noise NMR electronics. HEMTs are the best candidates at MRI frequencies but their characteristics are not well-known at these frequencies and low temperature. A method of characterization was applied by combining measurement of parameters S and the model of Pospieszalski nois transistor. The characterization was carried out to 293 K and 100 K. The chapter III deals with the optimisation of antenna-preamplifier coupling. The study is detailed in the case of an inductive coupling of the second order which offers the best tradeoff efficiency/simplicity. In chapter IV the preceding results are applied to the prototype preamplification design of a superconductive detector dedicated to microscopy located in-vivo with 1,5T.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

CONCEPTION D'UNE ELECTRONIQUE DE RECEPTION NUMERIQUE MODULABLE POUR L'ACQUISITION MULTI-ANTENNES EN IRM

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Apport d antennes miniatures en matériau supraconducteur en Imagerie par Résonance Magnétique du ciblage moléculaire et cellulaire chez le petit animal

L Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de petits modèles animaux devient un outil incontournable en recherche biomédicale pour la mise au point de moyens diagnostiques. Pour autant la spécificité de la technique doit être améliorée pour permettre une détection précoce de maladies dégénératives telles que le cancer. L imagerie moléculaire au moyen d Agents de Contraste (AC) ciblés est une voie de recherche de choix pour y parvenir. Ce mémoire présente une approche d interface pluridisciplinaire de cette thématique. Un premier volet traite de la physique du contraste en IRM. Une étude théorique complète, validée expérimentalement, a permis de mettre en évidence l existence d un champ magnétique optimal de l ordre de 1 à 1,5 T pour la détection des AC paramagnétiques ciblés. Dans un second temps l utilisation d antennes IRM de haute sensibilité, réalisées en matériau supraconducteur, est étudiée. L interfaçage complet sur un appareil clinique 1,5 T est présenté. Pour contrôler leurs performances et améliorer la conception de ces antennes une méthode de caractérisation originale, tenant compte de la conduction nonlinéaire du courant au sein du matériau, est mise en oeuvre. Un dernier volet présente deux campagnes d expérimentations in vivo réalisées sur des modèles de tumeurs humaines implantées chez la souris. Les premiers résultats n ont pas permis de conclure sans réserve à la spécificité d un produit développé par la société Guerbet, partenaire de cette thèse. Sur les bases des avancées méthodologiques présentées dans ce mémoire, l utilisation d un protocole optimisé devrait permettre à l avenir des avancées significatives dans ce domaine.Magnetic Resonance Imaging (MRI) on small animal models is increasingly needed in biomedical research to develop new diagnostic means. However this technique suffers from a lack of specificity which is still to be improved to detect early degenerative diseases such as cancer. Molecular imaging using targeted Contrast Agents (CA) is a promising tool to reach this goal. We present hereby a cross-disciplinary work with this purpose. A first issue of this work deals with contrast physical principles involved in MRI. A theoretical study allows evidencing the presence of an optimal field strength (~1-1.5 T) for paramagnetic targeted CA detection. This is validated experimentally. Highly sensitive detection coils made of superconductive material are presented and fully implemented in a clinical 1.5 T MRI system. An original characterization method of such coils is developed to manage their performances and in order to be used as a tool for new coil designs. This method accounts for the nonlinear behavior of the material. Two in vivo experimental studies are presented in the last part of this work. They were performed on mouse-implanted human tumor models using a new generation of CA developed by Guerbet, a firm involved in this work. It was not possible to validate undoubtedly the specificity of this CA from these first results. However the methodological improvements of this work will allow rationalizing imaging protocols in the near future, and will lead to significant progress in this field of research.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF