Les agents de contraste paramagnétiques

a. Le paramagnétisme

Les électrons, tout comme les noyaux, possèdent aussi un moment magnétique appelé spin électronique. Le déplacement du nuage électronique autour des noyaux génère un moment magnétique dipolaire permanent qui peut être :

Figure 2.5. Représentation schématique de l’effet de la concentration en agent de contraste sur l’intensité du

signal. signal

-

+

faible _{dose usuelle}

Observation en T1 (Agent paramagnétique)

Observation en T2 (Agent superparamagnétique)

9 nul si les électrons de la couche externe de l’atome sont appariés : ces atomes ou molécules sont dits diamagnétiques ;

9 non nul si la couche électronique externe possède des électrons non-appariés : c’est le cas de certains ions métalliques ou de molécules paramagnétiques.

Les matériaux diamagnétiques, qui composent la majorité des composés organiques ou inorganiques, soumis à un champ magnétique extérieur, possèdent une susceptibilité magnétique négative très faible. La majorité des molécules ou ions constituant la matière biologique, notamment l’eau, est diamagnétique et leurs effets en IRM sont négligeables.

Les matériaux paramagnétiques comme les molécules de dioxygène, les radicaux libres comme les nitroxydes ou certains ions métalliques (Fe3+, Mg2+, Co2+, Mn2+, Cu2+, Gd³⁺…) présentent une susceptibilité positive lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. En l’absence de champ, les moments dipolaires élémentaires prennent toutes les directions possibles et le moment résultant est nul. Sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, ces moments magnétiques s’orientent dans sa direction pour former une aimantation résultante qui est directement proportionnelle à ce champ. La vitesse de relaxation des molécules d’eau ou des tissus contenant des noyaux d’hydrogène se situant au voisinage de composés paramagnétiques diminue sous l’effet de l’interaction dipolaire entre le moment magnétique nucléaire de chaque noyau d’hydrogène et le moment magnétique électronique de l’agent paramagnétique. Cette interaction dépend de la concentration en produit, de l’intensité du champ magnétique externe et de l’accessibilité des molécules d’eau au produit.

Notamment, les molécules d’eau peuvent être liées dans la première ou la deuxième couche de coordination et peuvent s’échanger avec la solution. Ces deux conditions sont prises en compte pour les relaxations de sphère interne et de sphère externe, décrites par les équations de Solomon-Bloembergen^71,72. Ces équations permettent d’ajuster les profils NMRD (Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion) qui représentent l’évolution de la relaxivité en fonction de la fréquence ou de l’intensité du champ magnétique. Ces profils permettent d’étudier les valeurs des relaxivités du complexe paramagnétique en solution en fonction de la nature des ligands, de l’ion métallique et du taux de solvatation.

Il existe dans l’organisme des agents paramagnétiques naturels. L’hémoglobine en est un exemple. Elle est utilisée en IRM fonctionnelle pour déterminer les fonctions spécifiques du cerveau⁷³ (goût, odorat, lecture, écoute,…). L’oxyhémoglobine possède une faible

Le contexte biomédical et la stratégie de l’étude

relaxivité tandis que la forme désoxygénée, la déoxyhémoglobine, est paramagnétique et possède une relaxivité plus forte. Cela permet de déterminer les zones du cerveau plus ou moins oxygénées et de mesurer les variations des débits sanguins.

b. Les produits paramagnétiques utilisés en IRM

Les premiers agents de contraste paramagnétiques testés sur l’animal étaient des sels métalliques. En 1978, Lauterbur et al.⁶⁵ injectèrent par voie intraveineuse du chlorure de

manganèse (MnCl2) chez le chien. Il observèrent alors une diminution des temps de relaxation des tissus du myocarde. D’autres sels minéraux (sels de Fe³⁺, Cu²⁺, La³⁺, Ce³⁺, Gd³⁺)⁷⁴ ont été testés depuis, mais la toxicité de ces agents était trop importante pour une utilisation chez l’homme75. Notamment, ces sels se condensent au pH physiologique pour former des hydroxydes insolubles, qui ne sont pas biodégradés.

Les agents actuellement commercialisés sont constitués d’ions gadolinium Gd³⁺, car ils possèdent le plus grand nombre d’électrons non-appariés (7), ce qui lui confère un moment magnétique plus élevé et donc une plus grande efficacité sur le signal. Le mode d’administration le plus couramment utilisé est l’injection par voie intraveineuse, car elle permet une distribution dans pratiquement tous les organes irrigués. De manière à diminuer la toxicité de ce lanthanide, une grande variété de chélates a été utilisée pour complexer cet ion. L’acide diéthylènetriaminepentaacétique (DTPA), complexé sur l’ion gadolinium (Fig. 2.6), prévient la précipitation de cet ion sous forme de chlorure et les risques inhérents à cet ion libre (blocage du système réticulo-endothélial, échanges avec des ions calcium endogènes). La constante d’affinité du chélate sur cet ion étant élevée, le risque de dissociation est d’autant plus faible. Ces constantes d’affinité ont été augmentées par l’utilisation de macromolécules cycliques comme le DOTA et le DO3A (Fig. 2.6).

Des dérivés du Gd-DTPA ont été conjugués avec des macromolécules comme l’albumine, le dextran ou la polylysine pour développer des agents de contraste

Figure 2.6. Structure des complexes du gadolinium.

N N N COOH COOH HOOC HOOC COOH N N N N COOH HOOC HOOC R Gd3+ Gd3+

Gd

Gd

macromoléculaires. Les relaxivités des centres paramagnétiques de ces agents ont ainsi été multipliés parfois jusqu’à un facteur 10, ce qui a permis d’obtenir des relaxivités par molécule de l’ordre de 5800 mM^-1.s^-1. Quelques valeurs de ces relaxivités sont exposées à titre indicatif dans le tableau 2.2. Ces agents macromoléculaires permettent de prolonger le séjour dans le sang dans le but d’une imagerie des vaisseaux sanguins (angiographie)^76-84.

Composés _Gd/molécule ^{Nombre de} _(mM.s)^R1/Gd -1 R1/molécule

(mM.s)-1 Références Gd-DTPA 1 3,7 3,7 79 Dextran-Gd-DTPA 15 11 11 79 Gd-DTPA-24-cascade polymer ^{24 10 10 80} Gd-DTPA-polylysine 60 13 13 79 Gd-melanine polymer 40-80 20-40 20-40 81 6-dendrimer-Gd-DTPA 170 34 34 82

Tableau 2.2. Relaxivités de quelques agents de contraste paramagnétiques dérivés du Gd-DTPA

D’autres agents paramagnétiques sont développés dans le but de leur donner une spécificité hépatique et donc un contraste plus marqué au niveau du foie et de la rate. Ceux-ci se présentent généralement sous la forme de liposomes de taille moyenne égale à 100 nm, dans lesquelles est incorporé du Gd-DTPA. Cet aspect particulaire permet, d’une part, de modifier la biodistribution de l’agent de contraste et, d’autre part, de diminuer les doses administrées du fait de la concentration élevée du Gd-DTPA à l’intérieur des vésicules85. D’autres nanoparticules, les nanogels (250 nm), constitués à partir d’acide polygalacturonique et de manganèse ont permis d’augmenter le contraste hépatique et de détecter des métastases⁸⁶. Récemment des nanoparticules d’hydroxylapatite renfermant des ions Mn²⁺ et stabilisés par un polyéthylène glycol ont présenté des caractéristiques intéressantes (bonne stabilité dans le plasma, relaxivité R1 de 29 mM-1.s-1 et une taille moyenne égale à 10 nm) pour l’utilisation comme nouveaux agents de contraste paramagnétiques⁸⁷.

Néanmoins, la plupart des produits commercialisés, le Gd-DTPA sous le nom de Magnevist^® par la société SCHERING et le Gd-DOTA sous le nom de Dotarem^® par la société GUERBET S.A., n’ont pas de spécificité d’organe particulière et sont utilisés en clinique comme marqueurs d’espaces extracellulaires. Les réactions d’intolérance, qui peuvent être liées à l’hyperosmolalité (600 à 2000 mOsm/kg), sont généralement très rares, car les doses préconisées sont faibles (0,1 mM/kg) et leur élimination rénale est rapide (demi-vie plasmatique de l’ordre de 80 à 100 min).

Le contexte biomédical et la stratégie de l’étude