Imagerie par résonance magnétique

 

Etudiées et utilisées au niveau de l’atome, les nanotechnologies ouvrent des applications dans les domaines de la prévention des maladies à la régénération des cellules. 


L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est utilisée dans le milieu médical afin d’établir des diagnostics. 

  Ses créateurs (Paul Lauterbur et Peter Mansfield) furent tous deux lauréats du Prix Nobel de médecine en 2003 pour l’avoir inventée en 1973.

Ils voulaient à l’époque apercevoir un système de petits vaisseaux sanguins remplis d’eau. Depuis, cette technique s’est largement développée afin de reconstruire rapidement des images en trois dimensions provenant des structures du corps humain (organes, tissus ou cellules…).La première analyse par IRM, le 3 juillet 1977, découlait de sept années de recherches et de préparation. Quatre heures ont alors permis de produire l’image. Avec la puissance de calcul des ordinateurs modernes, il ne suffit plus que de quelques secondes pour générer celle-ci.

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 Figure 1 : Tunnel d’IRM

 Contrairement à la radiographie qui révèle les zones plus denses du corps comme les os et les dents, l’IRM crée des images des tissus mous du corps. Cela devient donc un outil idéal pour détecter des développements de tissus anormaux comme les tumeurs ou les caillots. On utilise le plus couramment l’IRM pour explorer le cerveau, mais cela peut aussi servir pour toutes les parties du corps.

A partir des propriétés magnétiques des atomes d’hydrogène, présents dans tous les tissus de l’organisme, à partir des faibles signaux radio qu’ils émettent, on peut construire une image. D’un tissu à l’autre, ces signaux varient : l’image produite par le scanner à IRM permet donc de distinguer avec clarté les différents tissus, révélant des détails d’une précision de l’ordre du millimètre.  Lorsqu’on expose le corps à un puissant champ magnétique , tous les atomes d’hydrogène présents dans les molécules d’eau agissent comme des aiguilles aimantées et s‘orientent dans la même direction. Ceci est dû au moment magnétique appelé : « spin » des atomes. Lorsqu’ils sont traversés par un champ magnétique, les protons s’orientent tous en direction de ce champ.

 

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Figure 2 : Orientation du « spin »

Ils sont alors excités par l’émission d’ondes radio, dont les fréquences variées modifient l’orientation. Le signal s’arrête aussitôt et le spin retourne à sa position initiale. Ils émettent alors un signal appelé « résonance magnétique », dont la fréquence s’apparente à celle qui modifia initialement l’orientation du spin. On dit que « le noyau entre en résonance ». Des bobines enregistrent cette aimantation après l’avoir mesurée, ainsi que sa chronologie. Celle-ci est exactement traduite par un ordinateur pour ressortir sous forme de carte repérant l’univers physique et chimique des protons.Grâce à un processus athématique complexe appelé transformation de Fourier, l‘ordinateur convertit les données en image
 Afin de réaliser des images 3D, le signal provenant du spin peut être répertorié grâce à une « cartographie » de la région étudiée. C’est grâce au retour du spin à l’état initial que l’on peut déduire la nature du tissu  (cellule grise, sang…) dans lequel les noyaux d’hydrogène sont intégrés. Ainsi, une IRM anatomique permet de diagnostiquer des tumeurs.

L’IRM est très sensible au champ magnétique, ce qui lui permet de détecter facilement des agents ayant des propriétés aimantées présents dans l’organisme, car ils perturbent le champ magnétique ressenti par les protons. (En effet, les colloïdes tels que les ferrites vont réduire la résonance des protons qui ont été mis en mouvement.)

 

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Figure 3 : Carte des "autoroutes de l'information" (J.F Mangin, V. El Kouby, M. Perrin, Y Cointepas, C. Poupon /CEA) Reconstruction 3D du cerveau à partir de clichés d'IRM

 

          Différentes nanoparticules furent testées, telles celles de cobalt, de nickel, et d’oxyde de fer. Il s’avéra que ces dernières furent le plus couramment utilisées. Toutes présentent une faible toxicité, une excellente compatibilité avec le vivant, d’où leur faculté de s’accumuler en grand nombre dans les tissus. Observons plus bas, sur la figure 4, les exploitations de nanoparticules superparamagnétiques (dont les tailles varient de 3 à 10 nm) en IRM.

Ces nanoparticules, sous forme d’agrégats aux propriétés magnétiques, se fixent par exemple dans le foie, la rate, le pancréas, et d’autres zones précises du cerveau. Sous forme de monocristaux nanométriques (d’un diamètre extérieur de 13 nm), elles sont regroupées dans des protéines. Celles-ci riches en fer vont assombrir l’image, permettant de doser le fer contenu dans les organes visés sans envahir le corps contrairement à des procédés chimiques. Des maladies telles que Parkinson, la thalassémie ou l’hémochromatose peuvent être ainsi ciblées par l’insertion de ces nanoparticules dans les cellules, permettant de trier les cellules ciblées. De plus, leur évolution peut être suivie en temps réel par l’IRM pour permettre de mieux approcher la thérapie à l’échelle de la cellule.

 

figure-6-microscope-1.jpgFigure 4 : Images obtenues au microscopes életroniques. A gauche des nanoparticules d'oxyde de fer encapsulées dans de la silice. A droite des nanoparticules d'oxyde de fer incorporées dans une matrice zéolite

 

          l’IRM est donc un moyen efficace de diagnostiquer des tumeurs, des maladies ou de déterminer  l’organisation des réseaux cellulaires. Elle permet de réaliser assez rapidement des images en 3D des parties du corps telles que le cerveau, le genou… Cette nouvelle imagerie médicale offrirait ainsi la possibilité de dépister les cellules tumorales,  pour enfin assurer le suivi d’autres maladies.

L’imagerie a été rendue beaucoup plus performante par le recours aux nanotechnologies. « Les nanotechnologies nous offriront un jour la possibilité de voir le cerveau fonctionner et d’en distinguer les fonctions moléculaires. » a pu affirmer M. François Berger, directeur du département Nanomédecine etcerveau à l’Institut des neurosciences de Grenoble.

Il y a également un autre moyen de développer l’imagerie : desnanoparticules, permettant d’observer des phénomènes biologiques par l’intermédiaire d’agents fluorescents

Les nanoparticules de silice


          Toujours dans le domaine de l’imagerie, des nanoparticules (nanocristaux organiques ou nanobilles polymères) peuvent être utilisées pour cette technologie comme agent de contraste photoluminescent, qui sont ensuite éliminées par voie urinaires. Tout d’abord, nous n’avons a priori aucun souci à avoir, du fait de leur non-toxicité. Ces marqueurs fluorescents s’utilisent pour l’imagerie, grâce à des colorants intégrés dans les nanoparticules. Si les conditions de synthèse sont appropriées, il devient possible d’accumuler jusqu’à des dizaines de milliers de molécules colorées dans une seule de ces nanoparticules de silice. Le résultat visible ici est une amélioration du signal optique par rapport aux fluorophores traditionnels ce qui améliorerait la sensibilité de l’analyse biologique. A partir du moment où les molécules colorées sont présentes dans une enveloppe de silice, elles sont protégées des autres nanoparticules qui réduiraient leur luminescence. Cela entraîne ainsi une diminution des cas de blanchiment et de photodégradation. Les nanoparticules de silice seront donc utilisées pour observer des phénomènes de longues durées d’exposition. La silice est intéressante car elle est chimiquement stable et inerte, et sa surface est modifiable facilement grâce à la chimie des silanes (gaz incolore à température ambiante, dérivé des alcanes). Cette modification de la surface de la silice permet de lier ces nanoparticules à des anticorps spécifiques, et ainsi elles permettront de détecter des cellules leucémiques.

 

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Figure 5 : Spectre d’émission de fluorescence de nanoparticules de silice contenant divers colorants

 

 

SUITE : de la prévention à la régénération : régénération, les nanofibres & les nanotubes de carbone

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