Susceptibility-sensitive MRI: A tool for vascular and molecular imaging

Abstract

Cette thèse présente l’utilisation et l’optimisation de méthodes d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour atteindre deux objectifs principaux : 1) imager et caractériser la vascularisation cérébrale de la souris sans agent de contraste sous différentes conditions d’anesthésie et 2) caractériser et quantifier des particules d’oxyde de fer (POF) utilisées en IRM moléculaire chez la souris. Un accent particulier est mis sur les méthodes d’IRM sensibles à la susceptibilité magnétique, comme l’imagerie quantitative de susceptibilité et la quantification de R2*. L’atteinte du premier objectif repose sur la détection de la désoxyhémoglobine, une molécule endogène hautement paramagnétique. L’extraction des vaisseaux sanguins à partir des images d’IRM montre qu’une anesthésie à la kétamine-xylazine ou la dexmédétomidine rend visible beaucoup plus de vaisseaux qu’une anesthésie à l’isoflurane pour les mêmes fractions d’oxygène inspiré. Nous présentons également une méthode qui permet de différencier les veines et les artères. Pour réaliser le deuxième objectif, nous nous intéressons à une POF déjà utilisée avec succès en IRM moléculaire : la Dynabeads® MyOne™ Tosylactivated. Cette POF peut être conjuguée à un anticorps, de sorte qu’elle se lie à la molécule cible de l’anticorps in vivo. Nous mesurons pour la première fois les relaxivités et la susceptibilité molaire de cette POF à 7T. Nous présentons également une nouvelle mire bimodale obtenue en conjuguant cette POF à un fluorophore. Cette mire permet d’étudier l’effet des POF sur le signal d’IRM à l’aide d’images de microscopie. Enfin, nous montrons que la quantité de POF peut être quantifiée à partir du taux de relaxation R2* et de la susceptibilité χ mesurés in vivo dans un modèle d’inflammation cérébrovasculaire chez la souris. Ces méthodes de quantification raffinent l’IRM de POF.Abstract: This thesis presents the use and the optimization of magnetic resonance imaging (MRI) methods to achieve two main goals: 1) to image and characterize the vasculature of the mouse brain without contrast agent under various anesthetic conditions and 2) to characterize and quantify microparticles of iron oxide (MPIOs) employed for molecular MRI in the mouse. There is a particular focus on methods sensitive to magnetic susceptibility, such as R2* mapping and Quantitative Susceptibility Mapping. Achieving the first goal relies on the detection of deoxyhemoglobin, a highly paramagnetic endogenous molecule. The extraction of blood vessels from T2*-weighted MR images shows that anesthesia under ketamine-xylazine or dexmedetomidine allows seeing a much more significant fraction of the vasculature than isoflurane anesthesia for similar fractions of inspired O2. We also present a method that allows differentiating veins from arteries. To achieve the second goal, we focus on an MPIO used several times for molecular MRI: the Dynabeads® MyOne™ Tosylactivated. This MPIO can be conjugated to a biomarker’s antibody, after which it binds to the biomarker in vivo. We report for the first time the MRI relaxivities and molar susceptibility of this MPIO at 7T. We also present a new bimodal phantom obtained after conjugating the MPIOs to a fluorophore. Imaging this phantom with both MRI and light sheet microscopy allows studying the link between heterogeneous MPIO distributions and MR signal. Finally, we show that MPIOs quantities can be estimated from R2* and χ maps acquired in vivo in a mouse cerebrovascular inflammation model. This mapping of MPIO quantities adds to the usual MPIO negative contrast quantification without extra acquisition, refining molecular imaging of MPIOs