Les agents de contraste

Les agents de contraste en IRM vont interagir sur les protons de leur environnement et

modifier ainsi localement le contraste. Ainsi, ce n’est pas l’agent lui-même qui est détecté mais l’effet qu’il a conféré à son entourage.

Il existe deux types d’agents de contraste : - Les agents paramagnétiques

- Les agents superparamagnétiques

Avant de les présenter tous les deux, il est nécessaire de définir quelques termes qui seront utilisés dans ce manuscrit. On parle d’effet T₁ quand un agent de contraste augmente le signal et d’effet T2 quand il le diminue. Un effet T1 est mieux détectable dans une séquence en pondération T1 et avec une pondération T2 c’est l’effet T2 qui est mieux révélé.

Le taux de relaxation (R) est également une notion importante. Elle est l’inverse des temps de relaxation (1/T en s^-1).

Pour évaluer l’efficacité d’un agent de contraste à un champ et à une température donnés, on mesure un paramètre appelé la relaxivité (r₁ ou r₂ en mM.s^-1) qui est l’efficacité d’un produit de contraste sur respectivement le temps de relaxation T₁ et/ou T₂.

I.2.3.1 Les agents paramagnétiques (effet T

)

Les électrons possèdent, comme les protons, un moment magnétique µ nommé spin électronique. Le déplacement des électrons autour du noyau génère un moment magnétique non nul si une partie des électrons est non-appariée comme c’est le cas de certains ions métalliques (Fe²⁺, Fe³⁺, Mg²⁺, Ni²⁺, Gd³⁺) ou des molécules paramagnétiques. A l’état fondamental, les moments magnétiques de ces ions vont être globalement nuls mais en appliquant un champ magnétique, ces moments vont s’orienter et une aimantation va apparaître.

Au voisinage de ces produits paramagnétiques, leurs moments magnétiques électroniques vont

temps de relaxation. Cette interaction est dépendante du champ appliqué et de la concentration locale du produit.

Cet effet paramagnétique est utilisé pour augmenter le contraste en IRM et ainsi améliorer la détection de certaines zones comme les vaisseaux ou les tumeurs tout en diminuant le temps d’analyse.

Les agents de contraste paramagnétiques les plus utilisés sont des complexes de gadolinium (Figure I.2.6). Ce sont des molécules organiques chélatant un ion Gd³⁺.

Figure I.2.6 : Structure chimique d’un agent de contraste paramagnétique à base de Gadolinium : le Gadobuterol® de la société Bayer-Schering

Pour la détection de tumeur, une séquence en pondération T₂, sans agent de contraste, permet de les faire apparaître en hypersignal (Figure I.2.7-a). Cependant, la recherche de petites zones tumorales nécessite un allongement significatif des temps d’acquisition (plus de 45 minutes dans la Figure I.2.7-A). Les complexes de gadolinium assurent également un contraste suffisant entre tissus sains et tumeurs en pondération T1 réduisant ces temps de relaxation T1 et créant un rehaussement du contraste comme le montre la tumeur de la Figure I.2.7-B tout en diminuant le temps d’acquisition (12 minutes).

Figure I.2.7 : Détection de tumeurs cérébrales indiquées par des flèches chez la souris à 4,7 T. (A) Image en pondération T2 acquise pendant 48 min (B) Image en pondération T1 avec injection d’un

produit de contraste à base de Gadolinium acquise pendant 12 min d’après (Miraux 2004) Il existe de nombreux agents de contraste à base de gadolinium dont les relaxivités r1

sont données dans le Tableau I.2.1.

Nom de marque ^{Nom de marque} européen

Relaxivité r1 à 0,47 T

(L.mmol^-1.s^-1) ^{Société / pays}

Gadobutrol Gadovist® 3,7 Bayer-Schering / Allemagne Gadoteridol Prohance® 3,7 Bracco / Italie Gadopentetate dimeglumine Magnevist® 3,8 Bayer-Schering / Allemagne

Gadoterate meglumine Dotarem® 3,5 Guerbet / France Gadodiamide Omniscan® 3,8 Nycodem / Norvège Gadobenate dimeglumine Multihance® 4,8 Bracco / Italie

Tableau I.2.1 : Relaxivités r1 mesurées à 0,47 T de certains agents de contraste commerciaux à base de gadolinium d’après (Tombach et al. 2002; Villaraza et al. 2010)

Les complexes de gadolinium de petites tailles (inférieures à 2 nm) ont une clairance

rénale rapide (Villaraza et al. 2010) (90% de la dose injectée est éliminée en moins d’une

heure). Cette élimination rapide nécessite leur utilisation dans un faible intervalle de temps post-injection. Quand les tailles des agents de contrastes à base de gadolinium dépassent les 8 nm, la clairance hépatique commence à prédominer sur celle rénale (Venditto et al. 2005). Ainsi, pour cibler cet organe, des complexes de gadolinium de tailles importantes peuvent être utilisés.

Les agents de contrastes à base de gadolinium sont couramment utilisés en imagerie médicale mais, si le patient possède une insuffisance rénale, il s’avérerait que l’augmentation du temps de clairance permettrait à l’ion Gd³⁺ de se libérer de son chélate, causant ainsi des pathologies rénales (Agarwal et al. 2009; Goulle et al. 2009) notamment une fibrose systémique néphrogénique (FSN).

I.2.3.2 Les agents superparamagnétiques (effet T

)

I.2.3.2.1Le superparamagnétisme

Les nanoparticules d’oxydes métalliques de structure spinelle possèdent des propriétés

superparamagnétiques qui vont accroître le contraste T₂ (diminution plus importante du signal en IRM).

Les cristaux d’oxyde de fer comme la magnétite (Fe₃O₄) ou la maghémite (γ-Fe2O₃) sont composés d’ions paramagnétiques (Fe²⁺, Fe³⁺). Dans le cas de particules relativement grosses (tailles supérieures à 20-30 nm), ce matériau est composé de plusieurs domaines magnétiques. Comme pour les protons en IRM, en absence de champ magnétique, les moments magnétiques de ces domaines sont orientés aléatoirement avec une aimantation totale nulle (Figure I.2.8-a). En appliquant un champ magnétique, tous ces moments vont s’orienter dans sa direction de la même manière que les produits paramagnétiques (Figure I.2.8-b). Cependant, si le champ est trop important, en l’arrêtant, le matériau va conserver son aimantation à saturation (Figure I.2.8-c) : on parle alors de ferromagnétisme.

Figure I.2.8 : Nanoparticules d’oxyde multidomaines (a) en absence de champ magnétique, (b) sous application d’un champ magnétique B0 et (c) après l’arrêt de B0 à saturation d’après (Wang et al.

2001).

Dans le cas des nanoparticules de tailles inférieures à 20-30 nm, chaque particule est assimilée à un mono-domaine magnétique (Figure I.2.9). Sous l’action d’un champ magnétique B0, leurs aimantations aléatoires vont s’orienter mais vont retourner à leur état initial après l’arrêt de B0. Cette propriété est appelée superparamagnétisme. Les nanoparticules d’oxyde de fer ne peuvent donc pas s’agglomérer par attraction magnétique. L’obtention de petites tailles de cristaux est nécessaire pour les propriétés superparamagnétiques recherchées.

B

Domaines

magnétiques

Figure I.2.9 : Nanoparticules d’oxyde de fer de taille inférieure à 20 nm assimilées à des mono-domaines magnétiques (a) en absence de champ magnétique, (b) passées dans un champ

magnétique B0 et (c) après l’arrêt de B0

Les particules superparamagnétiques ont une susceptibilité⁴ magnétique supérieure

aux composés paramagnétiques. Par ailleurs, les nanoparticules superparamagnétiques étant plus grandes que les chélates de gadolinium (de 5 à 20 nm contre 1 ou 2 nm), elles possèdent des moments magnétiques plus élevés en raison du nombre d’ions paramagnétiques qui les composent et de leur effet de coopérativité magnétique. Ces propriétés rendent les agents

superparamagnétiques plus efficaces que les agents paramagnétiques (Jung et al. 1995). I.2.3.2.2Les oxydes de fer nanostructurés comme agents de contraste en IRM

Des agents de contraste à base de nanoparticules peuvent être utilisés en imagerie médicale. Dans le cas de l’IRM, ils sont couramment constitués de monocristaux de tailles inférieures à 20 nm (appelés cristallites) d’oxydes de fer de phase magnétite (Fe3O4) ou maghémite (γ-Fe2O₃) de structure spinelle inverse qui leur confère des propriétés superparamagnétiques (Laurent et al. 2008).

Pour les stabiliser dans les milieux biologiques, ces nanoparticules doivent être modifiées en surface le plus souvent avec des molécules organiques. Sans entrer dans une liste totalement exhaustive, plusieurs types de stabilisants sont couramment utilisés : des dendrimères phosphatés (Basly et al. 2010), des acides carboxyliques (acide citrique (Racuciu

et al. 2006), acide dimercapto-succinique (Lee et al. 2006)) , des amines en surface

(NH2/NH³⁺) (Shieh et al. 2005), des polymères comme le polyéthylène glycol (Barrera et al. 2009), le polyacétate de vinyle (Petri-Fink et al. 2005) ou le dextran (Mornet et al. 2005).

Il existe depuis une dizaine d’années quelques agents de contrastes commerciaux à base d’oxyde de fer (Bonnemain 2008). Ils sont dispersés par du dextran et sont séparés en deux groupes suivant leurs tailles :

- Les SPIO (SuperParamagnetic Iron Oxide) qui sont des nanoparticules d’oxyde de fer de diamètres d’agrégats supérieurs à 50 nm (Zhang et al. 2009). Pour les agrégats de tailles inférieures à 150 nm, ces agents sont injectés au patient et pour des tailles plus grosses, ils peuvent être administrés par voie orale et servir pour l’imagerie gastro-intestinale (Wang et al. 2001).

- Les USPIO (Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) qui sont, soit des cristallites élémentaires ou des très petits agrégats de tailles inférieures à 50 nm (Mornet et al. 2004).

Les agents de contraste à base d’oxyde de fer nanostructurés sont de type T2 et ont donc des relaxivités r2 élevées (Tableau I.2.2). Il faut tout de même noter que si les nanoparticules

4

La susceptibilité magnétique est la faculté qu’a un matériau à s’aimanter sous un champ magnétique.

B

sont très petites (Tromsdorf et al. 2009) ou éventuellement à cause du polymère choisi à la surface, les USPIO ou SPIO peuvent également avoir un effet T1 (Mornet et al. 2004).

Nom de marque européen Diamètre hydrodynamique (nm) Voie d’administration ^Dose Relaxivité r2 à 0,47 T (L.mmol^-1.s^-1) aLumirem® 300 Orale ^{1,5-3,9 mM} -1 (400-600 mL) ⁷²

aEndorem® 80-150 SPIO injecté 15 µmol_Fe.kg^-1 98-107

bResovist® ou

Cliavist® 62 SPIO injecté 8 µmol_Fe.kg^-1 151-188

aSinerem® (abandonné en

2007)

20-40 USPIO injecté _{µ mol}^14-30

Fe.kg^{-1 35-53}

Tableau I.2.2 : Diamètre moyen, voie d’administration, dose prescrite et relaxivités r2 mesurées à 0,47 T de certains agents de contraste commerciaux à base de nanoparticules d’oxyde de fer d’après (Wang et al. 2001; Mornet et al. 2004). Produits provenant de : (a) la société Guerbet en France, (b) la

société Bayer-Schering en Allemagne.

L’effet T2 d’USPIO commerciaux (Resovist®) est observable sur la Figure I.2.10 avec un effondrement du contraste hépatique. En utilisant ces agents de contraste, on permet dans ce cas un rehaussement de la tumeur hépatique.

Figure I.2.10 : Détection de tumeurs hépatiques (cercles blancs) chez l’homme en IRM à 1 T. (a) Image en pondération T2 acquise sans utilisation d’USPIO (b) Image en pondération T2 acquise avec

utilisation d’USPIO (Sinerem®) d’après (Mergo et al. 1998)

La taille plus imposante des USPIO ou des SPIO par rapport à celle des chélates de gadolinium rend leur demi-vie dans l’organisme plus longue que celle des agents paramagnétiques (Sun et al. 2008). Ils deviennent alors utilisables pour des détections plus furtives de pathologies notamment grâce à leur internalisation possible par le système immunitaire (Dousset et al. 1999).

Les agents superparamagnétiques peuvent être des produits de choix pour les pathologies cardiovasculaires pour essentiellement deux raisons :

- En premier lieu, s’ils n’ont pas d’effet T1, ils pourront être détectés en cas d’anomalie dans le système circulatoire sans être masqués par l’effet T₁ du sang.

- En seconde approche comme ils sont internalisés par les macrophages, ils seront majoritairement localisés près des zones inflammatoires (Bjornerud et al. 2004).

Ces interactions entre les nanoparticules et l’organisme posent des questions sur leur

toxicologie et leur biodistribution mais ouvrent aussi la voie à des marquages spécifiques soit

I.3 Les interactions des (U)SPIO avec le vivant : de la