Agents de contraste IRM et fonctionnement

Le but de l’utilisation d’agent de contraste (AC) en imagerie est d’améliorer le contraste de l’image, et plus particulièrement le RCB. L’idée première étant in fine de mettre en évidence une différence d’intensité plus nette entre une structure pathologique et le tissu sain ou entre un vaisseau sanguin et le reste des tissus (angiographie IRM). La classe d’agent de contraste la plus utilisée en IRM est celle des ions paramagnétiques. Le principe de fonctionnement de ces agents de contraste est de modifier les temps de relaxation des protons d’hydrogène proches. Ce concept a été investigué très tôt avec les premiers travaux en IRM vers la fin des années 1970 [37]. Puis, les travaux de recherche des décennies suivantes ont déterminé l’ion gadolinium III (Gd3+) comme un ion stable et possédant les meilleures capacités paramagnétiques de relaxivité T1. Ces recherches aboutirent à la publication d’un article fondateur sur l’utilisation des ions Gd3+ (sous forme de gadopentetate dimeglumine ou Gd-DTPA) comme agent de contraste IRM par Weinmann et al. en 1984 [38] ; aux premières injections de ce type d’agent de contraste chez l’Homme [39],[40] puis son application clinique en 1988 aux Etats-Unis, au Japon et en Allemagne [37], [41].

Contrairement aux agents de contraste des autres modalités d’imagerie, les agents de contraste utilisés en IRM ne sont pas directement visibles mais, vont impacter les temps de relaxation T1 et T2 de leur environnement proche sous l’effet du paramagnétisme. Le paramagnétisme est la capacité pour un matériau, lorsque celui-ci est soumis à un champ magnétique externe B0, à créer une aimantation colinéaire à ce dernier. Ces matériaux présentent donc une susceptibilité magnétique positive (𝜒~10-5) lorsque soumis à B0. La propriété paramagnétique d’un élément est due à la présence d’électrons libres (non-appariée) en différentes orbitales de son nuage électronique. L’ion Gadolinium III (Gd3+) par exemple possède 7 électrons non-pariés et c’est l’interaction entre les moments magnétiques des électrons libres, qui vont agir comme des dipôles, avec les moments magnétiques des protons qui va être responsable d’une augmentation de la vitesse de relaxation T1 et T2 de ces derniers. La capacité d’un AC IRM à augmenter la vitesse de relaxation T1et T2 est donnée par sa relaxivité25 (r1 pour T1 et r2 pour T2) dépendant de la

valeur de B0, la température et de l’environnement. On définit le rapport entre la valeur de T1 d’un matériau ou d’un tissu, la relaxivité r1 et la concentration d’AC ([AC]) par [42], [43] :

𝟏

𝐓_𝟏= 𝐫_𝟏⋅ [𝐀𝐂] + ^𝟏

𝐓_𝟏𝟎 (1.27)

Avec T10, la valeur de T1 sans effet paramagnétique induit par la présence de l’agent de contraste.

Cette relation est analogue pour le temps de relaxation T2.

Le Gadolinium seul étant toxique pour l’organisme humain, il est rendu assimilable en l’associant à un ligand par chélation (e.g. Gd-DTPA ou Gd-DOTA) ; c’est pourquoi lorsque l’on parle de gadolinium comme AC IRM, nous parlons en fait de chélate de Gadolinium. L’étape de chélation de ligand autour de l’ion Gd3+ est donc essentielle dans la stabilité et la non toxicité de l’agent de contraste. Il existe de nombreuses formes de structures des ligands autour du gadolinium (linéaires ou macro cyclique). Aujourd’hui en clinique, la plupart des chélates de gadolinium utilisés ont une forme macrocyclique maximisant l'effet de relaxivité et la stabilité. La très récente revue de littérature de Clough et al. [44] synthétise de façon très complète l’évolution de la structure des ligands et recense les 5 formes de chélates de Gd les plus utilisés en clinique aujourd’hui (Figure 1-11).

Ils ont une taille moléculaire d’environ 500 Daltons, ce qui leur permet une extravasation dans le milieu interstitiel depuis les capillaires mais ne leur permet pas de traverser les membranes cytoplasmiques des cellules. Ainsi on parle d’AC extracellulaire. Leur injection se fait par voie intra veineuse (IV) et leur pharmacocinétique et biodistribution ont largement été étudiées [45]–[47] ; l’élimination d’AC tel que Gd-DOTA se fait essentiellement par voie rénale. Sa biodistribution est donc dépendante de la capacité d’élimination rénale du patient auquel est injecté l’AC. C’est pour cette raison, que l’insuffisance rénale fait partie des contrindications à l’injection de ce type d’AC [48]. Il existe également des AC dont la distribution est uniquement vasculaire (intravasculaire) et dont la taille ne leur permet de passer la paroi capillaire de la plupart des organes. Ils sont utilisés en angiographie et notamment en IRM cardiaque pour la visualisation du réseau coronaire.

Figure 1-11 : 5 formes d'agents de contraste les plus administré aujourd’hui a. Gd-DTPA (Magnevist®), b. Gd-DTPA-bma (Omniscan®), c. Gd-DOTA (Dotarem®), d. Gd-DO3A-butrol (Gadovist®), e. Gd-BOPTA (Multihance®), issue de Clough et al. [44]

Enfin, une dernière classe d’AC est la catégorie singulière de l’AC endogène des protons du sang ou Arterial Spin Labeling (ASL) [49], [50]. Il s’agit d’un champ très actif de recherche en IRM et en IRM cardiaque dans l’étude de la perfusion. Cette technique permettrait de se passer de l’injection d’un agent exogène et rendrait donc moins invasive l’IRM par rehaussement de signal. De nombreuses difficultés doivent cependant encore être levées avant son application robuste en IRM cardiaque comme la réduction du temps d’acquisition ce qui la rendrait moins sensible aux bruits physiologiques [51].

En IRM, l’on peut utiliser les agents de contraste à effet paramagnétique pour visualiser une modification de contraste soit en pondération T1, par effet de diminution du T1 (contraste positif) soit en imagerie de susceptibilité en pondération T2* (contraste négatif).

L’effet de susceptibilité désigne la diminution du T2* liée aux déphasages des spins d’1H à cause des inhomogénéités de champ locales induites par l’introduction de l’AC. Cet effet de susceptibilité est directement lié à la différence de susceptibilité des AC paramagnétiques avec les tissus environnants diamagnétiques (𝜒 < 0). Nous n’aborderons pas plus en détail cet aspect de l’IRM avec agent de contraste bien qu’il occupe une place importante en IRM injectée notamment en IRM cérébrale dans l’étude dynamique après injection (DSC26). Aussi, dans la suite de ce manuscrit, nous ne nous intéresserons plus qu’à l’effet de « rehaussement » en pondération T1. Il est à noter que cet effet de susceptibilité se produit lorsque la concentration de l’agent de contraste paramagnétique est très importante (>5mM pour le Gd-DOTA), et qu’il en résulte une légère diminution du signal même en pondération T1 lorsque le terme de T2* ne peut plus être négligé (face au TE) dans ces conditions. Cette problématique est centrale dans l’échantillonnage du rehaussement de contraste dans les parties vasculaires [52].

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