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JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
9ème Journées Jeunes Chercheurs / Imagerie
Fawzi BoumezbeurCEA - SHFJ
Orsay, France
Etude du métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN : application au modèle
3-NP de la maladie de Huntington
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Introduction
Spins nucléairesB0
Excitation radiofréquence
Signal de précession libre
raie spectrale pixel dans une image
La Résonance Magnétique Nucléaire en bref
Transformée de Fourier
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
1H de l’eau
1H de métabolites
Que mesure la Spectroscopie RMN ?
Introduction
• Imagerie RMN = détection des 1H de l’eau cérébrale• Spectroscopie RMN = détection des autres molécules
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Introduction
L’environnement technique de la RMN
Programmation de séquence Sondes radiofréquences
Hardware
Electroniqu
e
Mais aussi : du matériel de stimulation, de monitorage, etc…
Aimant 3 Tesla, corps entier avec gradients et shims performants
Informatique
Traitement des spectresTraitement des images
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
tChotCho tCrtCr GluGlu NAANAA
ppm
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Introduction
Etude du métabolisme par spectroscopie RMN
Concentrations des métabolites
Vitesses de réactions biochimiques
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Introduction
Plan
• Quantification des concentrations de métabolites cérébraux
• Détermination des vitesses de réactions biochimiques
• Corrélation avec la 18FDG-TEP
• Application à l’étude de la maladie de Huntington
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Concentration des métabolites
Voxel striatal (3.9 mL) centré sur le striatum:
Spectroscopie localisée à TE court
Segmentation automatique
Liquide céphalo-rachidien
Matière grise / blanche
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
Spectre 1H (PRESS)
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Quantification relative d’une huitaine de métaboliltes.
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
Analyse par combinaison linéaire de spectres
En raison de la superposition des pics en spectroscopie du 1H, un logiciel se charge de déconvoluer les différentes contributions à partir d’une base de spectres.
Quantification absolue par rapport à la concentration d’eau prise comme référence interne
Glutamate
NAA Créatine
Choline
Glutamine GABA
Ins
AspNAAG
Tau Lac
Spectre = combinaison linéaire des spectres de chaque métabolite.
Concentration des métabolites
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Pyr/Lac
Cycle de Krebs
Glucose précurseur = U-13C glucose.
CG Glutamate Glutamine
Vitesses de réactions biochimiques
Détection par spectroscopie RMN des cinétiques d’enrichissement 13C du glutamate sur les carbones C4 (1er tour) et C3 (2nd tour) .
Marquage isotopique au 13C
Incorporation du 13C du glucose dans les différents intermédiaires de la glycolyse puis du cycle de Krebs.
U-13C
13C3
13C4
VKrebs
VX Vcycle
13C413C3 13C3
13C isotope stable du carbone, détectable en RMN (contrairement au 12C)faible abondance naturelle : 1,1 %
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Estimation de VKrebs
Cinétique d’incorporation du 13C dans le pool de glutamate*
• Modèle mathématique : conservation de la masse et du 13C équations différentielles couplées résolues numériquement pour une valeur donnée de VKrebs Glu*(t)
• Itération de VKrebs pour minimiser la différence modèle/points expérimentaux
Temps d’infusion
signal 13C(Glu*)
VKrebs(4)
VKrebs(3)VKrebs(2)
VKrebs(1)
VKrebs
Vitesses de réactions biochimiques
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Detection directe 13C Detection indirecte 1H-{13C}
durée d’acquisition = 17.5 min
gain de sensibilité d’un facteur 5 à 10
13C1H3-CH2OH
Comparaison de sensibilité pour du [2-13C]ethanol à 4.7T
[Novotny et al., MRM 1990]
Détection directe ou indirecte du 13C ?
durée d’acquisition = 2.1 min
Vitesses de réactions biochimiques
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Détection indirecte 1H-{13C} • Couplage hétéronucléaire JCH
Comme des dipôles magnétiques, les spins nucléaires 1H et 13C interagissent.
Ce couplage dipôle-dipôle se manifeste par une démultiplication des raies :
Raie 1H-12C Raies 1H-13C
JCH
Lorsque un métabolite s’enrichit en 13C :
Diminution de la raie-mère T T0
Vitesses de réactions biochimiques
Accroissement des raies-satellites
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3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
Spectre de base PRESS :
Spectres de difference : (base - spectres dynamiques)
Glu-H4 Glu-H3
Stabilité du signal et de l’animal
Conditions :
Détection des 1H Glu13C4 et Glu13C3
Vitesses de réactions biochimiques
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Analyse des spectres de différence
Détection simultanée
e
b
c
d
a
apparition des raies 1H-13C (en négatif) diminution des raies 1H-12C (en positif)
Spectre de différence
Résultat de l’analyse
Résidus de l’analyse
Profil correspondant à l’incorporation de 13C en position C4 du glutamate
Profil correspondant à l’incorporation de 13C en position C3 du glutamate
Vitesses de réactions biochimiques
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0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
0 20 40 60 80 100 120
Glu
tam
ate
13C
(e
n m
M)
temps d’infusion (en min)
Glu C4
Glu C3
Mesure de VKrebs dans le cerveau de macaque
macaques contrôle : VKrebs = 0.55 ± 0.04 mol.g-1.min-1 (n=4)
Vitesses de réactions biochimiques
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Corrélation avec la TEP
La 18FDG-TEP en bref
KG Glutamate Glutamine
Pyr/Lac
Cycle de Krebs
Glucose-6-P18FD
VKrebs
VX Vcycle
Glucose18FD
CMRglcCMRglc = vitesse de consommation
cérébrale de glucose
= métabolisme glycolytique
VKrebs = métabolisme oxydatif
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Mesure de CMRglc dans le cerveau de macaque par 18FDG-TEP
macaques contrôle : CMRglc = 0.24 ± 0.01 mol.g-1.min-1 (n=2)
D’où un ratio CMRglc/VKrebs = 0.44
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50
Rad
ioac
tivi
té d
u 1
8F
DG
(e
n k
Bq
/mL
)
temps d’infusion (en min)
activité totale 18F
contribution du 18FDG-6-P
contribution du 18FDG
Recalage IRM/18FDG-TEP
Corrélation avec la TEP
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Application à la maladie de Huntington
La maladie de Huntington (MH)
Sujet sain MaladeImages Gwenaëlle Douaud CEA-SHFJ
Maladie génétique
Vulnérabilité des neurones striataux
Huntingtine mutée Ht
Atrophie du striatum
Objectifs :• Exploration des altérations du métabolisme cérébral
• Diagnostique précoce
• Développement pharmacologique sur modèle animal
• Suivi thérapeutique chez l’homme
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Modèle d’intoxication à l’acide 3-NP
Le modèle primate de la MH
ADP ATP
HH++
HH++
NADH NAD
CycleCyclede Krebs SDHSDH
Le cycle de Krebs = synthèse oxydative d’ATP
Mitochondrie
Acétyl CoA
Glucose
Modèle de neurodégénérescence sélective du striatum
3-NP inhibition
Application à la maladie de Huntington
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
Protocole
• Macaques (macaca fascicularis, poids ~7kg, n=4)
• 22 Semaines d’intoxication chronique au 3-NP (~25 mg/kg/jour)
• Anesthésie au propofol i.v. et ventilation
• Monitorage Maglife (ECG , PNI, PO2, capno)
Objectifs
Suivi longitudinal des altérations métaboliques accompagnant la dégénérescence : 1. quantification absolue des métabolites
2. mesure du métabolisme oxydatif VKrebs par spectroscopie RMN du glucose marqué au 13C
3. corrélation avec la mesure du métabolisme glycolytique CMRglc par 18FDG-TEP et les données morphométriques.
Application à la maladie de Huntington
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
ConclusionDu développement méthodologique à la recherche clinique
1997-2001 : Rats sains et intoxication 3-NP aigüe et chronique
2001-2004 : Macaques sains et intoxication 3-NP chronique
À partir de 2004 : Sujets sains et patients MH symptomatiques
G. Douaud CEA-SHFJ
P. Brugière CHU Mondort Créteil
Diminution de VKrebs de 18%
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
• Suivi des primates au long de l’intoxication chronique au 3-NP et exploitation des résultats.
• Passage à l’homme avec des sujets sains puis des malades en collaboration avec l’Hopital Henri Mondort (Créteil)
• Suivi thérapeutique sur des patients greffés.
Conclusion
Perspectives
• Etude des métabolismes oxydatif (VKrebs) et glycolytique (CMRglc) pendant l’activation cérébral.
• Combinaison avec la spectroscopie 31P pour l’étude du couplage mitochondrial synthèse d’ATP/cycle de Krebs.
• Combinaison avec la spectroscopie de diffusion pour suivre la compartimentation des métabolites.
Mais aussi :
JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN
RemerciementsVincent Lebon
Laurent Besret
Julien Valette
Françoise Vaufrey
Eric Giacomini
Velislav Slavov
Gwenaëlle Douaud
Pierre Brugière
Emmanuel Brouillet
Pierre-Gilles Henry
Philippe Hantraye
Gilles Bloch
Jacques Bittoun