Microfluidic bench for histological MRI to model in vitro molecular imaging : effect of the choice of the contrast agent and the magnetic field on the detection limits

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

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

Inhibition Of Degradation Of Extracellular Matrix

International audienceThis paper presents the feasibility of three-dimensional (3D) magnetic resonance (MR) histology of atheromatous coronary lesions in the entire human heart ex vivo using a standard 1.5-T scanner and a 12-mm high-temperature superconducting (HTS) surface coil. The HTS coil was a five-turn transmission-line resonator operated at 77 K, affording a signal-to-noise ratio (SNR) gain of about ninefold as compared to a similar, room-temperature copper coil. Local microscopy at the surface of an explanted, entire heart was achieved by a 3D spoiled gradient echo sequence and assessed by comparison with conventional histology. One hundred and twenty four adjacent cross sections of the coronary artery, with voxels of 59 × 59 × 100 µm 3 and an SNR of about 20, were obtained in 25 min. Consecutive data sets were combined to reconstruct extended views along the artery. Compared to histology, MR microscopy allowed precise nondestructive 3D depiction of the architecture of the atheromatous plaques. This is the first report of microscopic details (less than 10 −3 mm 3 voxels) of diseased arteries obtained in an entire human heart preserving the arterial integrity and the spatial geometry of atheroma. This noninvasive microscopy approach using a HTS surface coil might be applied in vivo to study the architecture and components of superficial human structures, using routine MR scanners