Caractéristique nécessaire nécessaires au marquage cellulaire en IRM

Les agents de contraste basés sur des chélates de Gd actuellement utilisés en clinique, ne peuvent pas être utilisés pour le marquage cellulaire. Les particules superparamagnétiques d’oxyde de fer sont utilisées à cet effet depuis la fin des années 80 [11]. Les agents de contraste pour le marquage cellulaire doivent avoir quatre caractéristiques importantes :

a) Forte internalisation cellulaire : Les surfaces des agents de contraste doivent favoriser une bonne internalisation cellulaire afin de réaliser un marquage efficace.

b) Grande rétention cellulaire : Si l’agent est rapidement détruit ou excrété par la cellule, il sera impossible de faire un suivi de son évolution à long terme. Il est donc important que la cellule ne s’y attaque pas trop vite afin de ne pas perdre le signal rapidement.

c) Persistance du signal: La division cellulaire mène à une dilution de l’agent de contraste lors de sa répartition dans les deux cellules filles .

d) Corrélation entre la charge cellulaire avec le signal : Lors de différentes procédures biomédicales, il peut s’avérer bien important d’être en mesure identifier le volume précis de cellules marquées. Les caractéristiques intrinsèques au type d’agent de contraste choisi seront donc très importantes en fonction des buts du marquage cellulaire.

e) Absence de cytotoxicité et de cytostaticité provoquée par l’agent : Il est important que les cellules marquées ne soient pas affectées par la présence de l’agent. Si c’est le cas, l’implantation se révèlera inefficace et les tissus hôtes serai ent affectés.

2.4.2.1 Agents de contraste développés et utilisés actuellement pour le

marquage cellulaire

Les nanoparticules sont de bons candidats comme sondes d’IRM [78, 83], car il est possible de moduler leur taille, leur type de recouvrement de surface ainsi que l eur forme afin d’optimiser leur internalisation dans des cellules [77]. Lorsqu’elles sont suffisamment grosses (>100 nm), l’internalisation de nanoparticules se fait principalement par endocytose (Annexe C). Ce phénomène consiste en une invagination de la membrane plasmique englobant une partie du milieu extracellulaire. La vacuole formée, appelée endosome, contient les nanoparticules qui étaient présentes dans le milieu extracellulaire. Elles subiront par la suite une série de modifications d’environnement tel que des modifications de pH, qui altèreront les nanoparticules et diminueront le signal IRM à long terme [84].

Deux facteurs distincts influencent l’internalisation cellulaire d’une particule, les types de récepteur s membranaires présents à la surface des cellules et la taille des particules internalisées. Il est possible que des nanoparticules de petite taille ayant des récepteurs compatibles avec ceux de la membrane de la cellule,

entrent par des mécanismes d’internalisation assistés (voie facilitée; Annexe C). Différents travaux de la littérature démontrent qu’il est possible de fonctionnaliser la surface des nanoparticules de façon à moduler les mécanismes d’internalisation afin d’en favoriser l’un par rapport à l’autre dans certains types de cellules [85]. Par exemple, l’addition d’un acide folique permet à l’agent de contraste de maximiser son internalisation dans certaines cellules spécifiques [86, 87]. En effet, la présence d’un ligand organique (ou d’une macromolécule) permet, par exemple, une meilleure internalisation des agents dans des cellules. Par ailleurs, les recherches de Wilhem et al. [88] ont clairement mis en évidence que la présence de ligands anioniques en surface des agents de contraste favorisait l’internalisation dans des cellules phagocytiques et non phagocytiques.

Dans le cadre des expériences réalisées au cours de ce mémoire, deux lignées cellulaires ont été utilisées, des cellules HT-1080 qui sont des cellules non ou faiblement phagocytaires [89] et des cellules F98 qui sont quant à elles phagocytaires [90]. C’est pour cette raison que nous avons utilisé un ligand chargé (DMSA) en plus d’un ligand organique (PEG) afin de recouvrir les nanoparticules d’oxyde de manganèse internalisées par les cellules HT-1080 (non phagocytaires). Au contraire, le second marquage a été réalisé avec des cellules phagocytaires, et l’utilisation de ligands chargés n’a pas été nécessaire.

2.4.2.1.1 Nanoparticules de Fe

O

ou deγ-Fe

O

Le potentiel d’utilisation comme agent de contraste pour le marquage cellulaire des nanoparticules d’oxyde de fer (SPIO ou USPIO) a rapidement été étudié pour de nombreuses raisons. Tout d’abord, leur caractère superparamagnétique provoque un fort effet de contraste, et ce, malgré de très petites tailles (< 10 nm). Par ailleurs, il est possible de synthétiser différentes tailles de nanoparticules ainsi que de fonctionnaliser leur surface grâce à l’avancement des recherches actuelles. Un autre avantage est que ce type de nanoparticules peut provoquer un contraste positif ou négatif en fonction de sa taille, de son revêtement [91, 92], de sa concentration [93] et des séquences d’acquisition utilisées [93-95]. Par contre, la présence de ce contraste négatif est à la fois un avantage et un inconvénient. En effet, des études démontrent qu’il y a apparition d’un artéfact important lorsque la concentration de fer dépasse les 1.5 mM (Figure 23) [96]. L’importance de cet artéfact dépend de la concentration et de l’aimantation des nanoparticules. Toutefois, même si elle génère habituellement un contraste négatif, il est possible par différentes séquences d’IRM d’obtenir un contraste positif [75, 97, 98]. Voici deux images d’une s ection d’un myocarde de porc dans lequel on a injecté de 1 million de cellules marquées avec des nanoparticules d’oxyde de fer imagé en écho de gradient (gauche) montrant un artéfact négatif par rapport à la projection hors résonance à -800 Hz montrant les quatre sites d’injections (droite).

Figure 23 : Section d’un myocarde de porc imagé en écho de gradient (gauche) montrant un art éfact négatif et sa projection hors résonance à -800 Hz (droite).

(Figure tirée de Cunningham, 2005 [96])

Le signal produit par un agent de contraste négatif est identifiable par le biais de taches noires sur l’image. Ces zones peuvent poser problème puisqu’i l est impossible de quantifier l’intensité du signal (absence de signal). Ainsi, une corrélation entre l’intensité de signal et la concentration de fer dans les cellules est difficile. Cependant, la présence d’une trop grande concentration d’agent de contraste provoque la perte du signal à l’extérieur de la zone marquée par les agents de contraste (artéfacts). La présence d’artéfacts est un avantage considérable dans le domaine du marquage cellulaire, puisqu’il augmente considérablement la sensibilité de détection de l’appareil. Par contre, il est aussi un inconvénient majeur puisqu’il devient impossible de quantifier le volume de l’amas de cellules qui le produit puisque l’artéfact négatif dépasse largement la région marquée. Cette difficulté provoque un problème de localisation exacte des cellules marquées ce qui fait perdre un des principaux avantages de l’IRM.

2.4.2.1.2 Les nanoparticules paramagnétiques (MnO et de Gd

O

)

Tel qu’abordé dans la section précédente, les nanoparticules d’oxyde de fer montrent certaines limites importantes pour le marquage cellulaire : l’impossibilité d’établir une corrélation entre l’effet de contraste détecté et la concentration locale en fer, la possible perte d’information anatomique en raison des artéfacts d’image pour de fortes concentrations en produits de contraste [96] ou la distinction difficile du signal engendré par l’agent par rapport au signal environnant. Le laboratoire des Biomatériaux pour l’Imagerie Médicale (BIM) développe des alternatives basées sur les agents de contraste positifs. Ces agents de contraste réunissent les avantages des chélates de gadolinium ou de manganèse, et ceux des nanoparticules. Le contraste positif minimiserait les problèmes de distinction et de perte d’information tout en maintenant les avantages des nanoparticules fortement internalisées et retenues lors d’un marquage.