Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de ... CERF-2013.pdf · Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de demain ? W. Gonzalez, Recherche Guerbet, [email protected]

Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de demain ?

W. Gonzalez, Recherche Guerbet, [email protected]

MODULE NATIONAL D'ENSEIGNEMENT DE TECHNOLOGIES AVANCEES

Collège des Enseignants de Radiologie de France (CERF), Mercredi 17 avril 2013

www.guerbet.com

2/77

Guerbet in few words…

French company, based near Paris (Villepinte)

Specialized in contrast agent for medical imaging (Xray, MRI)

Turn Over 2011: 378 M€, 70 % outside France

1400 employees (210 in R&D)

Investment in R&D : 11 % of the sales

Market share: Europe : 25 %, ROW : 8 %

20 millions of doses produced in the world

Anatomical, Functional, Molecular Imaging Moving to a Mechanistic Imaging

Yesterday Today Tomorow

Macro/micro Anatomy, Function

Size, volume, localisation,

Vascularity, permeability, extracellular space, cell

density, temperature, …

Anatomy Function Molecular/Cellular Imaging

The future

Metabolism, Receptor /

transporter, Cellular uptake,

Enzymatic activity ….

Nanotechnologies en imagerie

Imagerie méléculaire et cellulaire

Voies de développements… et contraintes industrielles

Exemples de la littératures

Conclusion

1

3

4

5

2 Le challenge: compromis sensibilité / biodistribution

1


Imagerie méléculaire et cellulaire



Conclusion

1

3

4

5

2 Le challenge: compromis sensibilité / biodistribution

1

MR Imaging Probes for Molecular Imaging Terminology

Molecular Imaging: Number of publications on Medline according to the different imaging modalities

Highest number publications TEP Tracers

Optical Imaging : mainly experimental imaging


Pourquoi avoir recours aux nanotechnologies ?



Conclusion

1

3

4

5

2 Le challenge: compromis sensibilité /

biodistribution/pharmacocinétique

1

Imaging modalities performances

PET /

SPECT MRI CT

Optical

Imaging UltraSound

Spatial Resolution - ++ ++++ +++ +++

Intrinsic tissue contrast 0 +++ + 0 +

Temporal Résolution +/- ++ +++ ++++ ++++

Tissue penetration +++ +++ +++ - - - ++

Sensibility for tracer

detection

++++

(radiotra)

+++

(Gd/Fe)

+

(I)

++++

(fluo)

+++

(µbubbles)

Size of tracers

⃝

⃝ ⃝ 1-10 nm 1 à 300 nm 1-2 nm 1-30 nm 1 µm

Difference in spatial and temporal resolution

Difference in sensitivity (huge range of doses)

Difference of size of the tracers

Molecular Imaging in MRI : A sensibility issue

Concentrations from 100

mM to 10 mM are

necessary to obtain a MRI

signal with conventional

MR contrast agents.

Receptors or enzymatic

systems expressed in

pathological tissue are in

the range of 1mM to1nM.

Sensitivity Issue

Widespread use

10 000 MRI in US

High Spatial Resolution

Multi-contrast

No irradiation

Why MRI ?

How to reach the nanomolar sensitivity ? Optimisation of all the imaging parameters

Image Post-processingImage Post-processing

Instrumentation : coils

Magnetic Field Bo

Contrast Agent

Magnetic Field Bo

Contrast Agent

µM

nM

MRI

Nuclear

MedicineAcquisition methods

• T1w CA

• Susceptibility CA

• X Nuclei : 19F

H H

O Gd3

+

H H

O

S

H H

O

M

R

H H

O

D

Sphère interne

= interaction directe

Sphère externe

= diffusion H H

O

H H

O

H H

O

PARAMAGNETISME

DIAMAGNETISME

Ce n’est pas l’agent de contraste que l’on voit,

mais les protons de l’eau qui l’entoure !

1,2

1,2 10,20

1 1r Gd

T T

Relaxivité r

(s-1.mM-1 )

Signal

Concentration

1 nm

r1 4 s-1.mM-1

Comment

augmenter la

relaxivité ?

Une

histoire

de taille

~ 5 nm

Macromolécule ralentie Dendrimère

~ 10 nm

+ + +

+ +

+ + +

+ +

Particules de fer

(Sinerem®)

~ 30 nm

Gd Emulsions/Liposomes

~200nm

r1 = 50 à 2.000.000 s-1.mM-1 !!!

Contraste 1/4 Agents de contraste T1

preinjection 24h postinjection

USPIO

Lymph Nodes métaS

+

Healthy

Moment magnétique élevé

Minuscules « aimants » avec un très fort moment magnétique (saturé dès 0.5 T) distorsion du champ magnétique local autour de l’ USPIO

Écho de gradient pondéré T2* (effets T2 et T2* ++, effets T1 à faible concentration)

Exportation de l’artefact de susceptibilité au delà du voxel

10 à 1000 fois plus sensible que les chélates de Gd conventionnels r1particule = r1molécule x nb Fe

Particules de fer (SPIO, USPIO)

Cristal = Structure Spinelle (réseau d’oxygène)

XO.Y2O3 Magnétite : X,Y = Fe Fe3O4

X : cation divalent (Fe2+, Co2+, Mn2+, Zn2+)

Y : cation trivalent (Fe3+, Al3+)

COATING : taille, hydrophilie, charge BIODISTRIBUTION (demi-vie plasmatique, tropisme macrophagique)

+ + +

+ +

+ +

+ + +

Particules de fer

~ 30 nm

Fe2O

3

O

O

O

O

O

O

Fe2O

3

O

O

O

O

O

O

hydrophilic

O-

O-

hydrophilic

hydrophilic

pharmacophore

USPIO : plateforme pour l’imagerie moléculaire

Contraste 2/4 Contraste T2* - Susceptibilité magnétique

Contraste 3/4 : Le contraste CEST : Chemical Exchange Saturation Transfer

Bound water

Utilisation d’une structure contenant des protons échangeables et ne résonant pas à 0

Saturation des protons shiftés

Transfert d’aimantation vers les protons de l’eau libre (kex)

Baisse du signal des protons libres spécifique des protons du complexe CEST

OFF ON Ward et al. JMR 2000

Revue: van Zijl, MRM 2011

LipoCEST

Encapsulation d’agent shifteur dans un

liposome

le produit encapsulé dans le liposome doit

être un chélat de Ln

– très bon shifteur,

– mauvais relaxant ,

– avec un m d’échange rapide (eau liée,

eau dans le lipo)

– et une membrane de liposome à temps

d’échange ( intra <-> extra) lent

LipoCEST de Guerbet: LipoCEST (dH~170nm) avec de la rhodamine fluorescente

Contraste 4/4 : Le contraste 19F

Abondance naturelle 100% , spin S = ½ , rapport gyromagnétique

g proche du proton

Très faible concentration de fluor endogène : peu de background

(positif pour le contraste CNR)

Le 19F

– Utilisation d’équipement proche voire identiques à ceux utilisés pour le

proton (fréquence de résonance proche du proton)

– Possibilité de faire une co-registration de spectre 1H-19F

– Le signal correspond à l’agent de contraste

– Signal proportionnel à la concentration

Mais un compromis nécessaire entre la relaxivité et la taille

Relation r1 = f(MW) y = 0,0202x

R 2 = 0,9994

1

10

100

1000

10000

100000

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Poids moléculaire (Daltons)

Rela

xiv

ité r

1 (

s-1

.mM

-1)

Livramento,Chem.Eur.J.(2006)

P792

Accessibilité

aux tissus

profonds - -

Accessibilité

aux tissus

profonds + +

Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC, Des barrières multiples…

Pharmacocinétique sanguine t1/2 a et t1/2 b = f(PC)

Arrivée dans le tissu perfusion

Passage de la barrière endothéliale perméabilité = f(PC)

Puis mobilité dans l’espace interstitiel diffusion = f(PC)

Fixation à la cible ciblage = f(PC)

Elimination de l’agent de contraste non fixé washout = f(PC)

Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC







Pharmacocinétique

Temps

Co

nce

ntr

atio

n

Agent de

contraste non

spécifique (NSA) Excrétion rénale

libre

Extravasation

libre

NSA

LDA

Agent de

contraste à

diffusion ralentie

(LDA)

Extravasation

ralentie

Excrétion rénale

libre

Excrétion rénale

libre

Extravasation

très lente

Agent de contraste à

rémanence

vasculaire et

clairance rapide

(RCBPA)

RCBPA

Agent de contraste à

rémanence

vasculaire et

clairance lente

(SCBPA)

Extravasation

nulle

SCBPA

Excrétion rénale

restreinte

Injection i.v.

SANG ESPACE

INTERSTITIEL

t1/2 a

(min)

t1/2 b

(min)

Vd

(mL/kg)

Cl

(mL/min/kg)

C5/C0

(%)

Dotarem 2-4 30-50 170-260 3-7 13-19

P846 2-7 30-50 165-300 4-7 10-19

P792 4-5 30-40 100-120 3-5 24-51

1er

PASSAGE

DISTRIBUTION

ELIMINATION








Perméabilité

KPS : perméabilité au travers des capillaires

Dépend de l’agent de contraste

– Chélates standard : forte perméabilité

– Nanoparticules : extravasation ralentie à nulle

Contrast Agent

Capillary

Intracellular Space

Cell

Extracellular Extravascular Space (EES)

K trans

v e

v p

Contrast Agent

Capillary

Intracellular Space

Cell


Contrast Agent

Capillary

Intracellular Space

Cell


Contrast Agent

Capillary

Intracellular Space

Cell


Contrast Agent

Capillary

Intracellular Space

Cell


K PS

v e

v p








Coefficients de diffusion : Peuvent imposer un délai entre injection et imagerie +/- long

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30

temps (min)

Dis

tan

ce

(µ

m)

Dotarem

P792

P904

Emulsion








Compromis sensibilité / biodistribution

Sensibilité requise pour l’imagerie moléculaire nM

Impose des agents de contraste nanométriques : > 30 nm 1 µm

Biodistribution restreinte

– limitée à l’espace vasculaire et les organe du RES

– Faible extravasation / diffusion dans les territoires “perméables”

Cibles moléculaires éligibles

– Intravasculaire +++

– Interstitielles + temps d’imagerie post-injection long

– Intracellulaire +/-

Molecular & Cellular Imaging by MRI Industrial perspective

The new paradigm of personalized medicine

R&D Process: preclinical and clinical perspectives

Examples

Conclusion

3

4

5

2 Molecular and Cellular MR Imaging: technical challenges

1

Macrophage-

specific P904

Iron Oxyde

Particle

Angiogenesis-

specific

nanoemulsion

Gd

Preclinical stage Ready for

phase 1

Angiogenesis-

specific

nanoemulsion

19F

Phase 1

ongoing

Stem cell

visualisation

19F

Iron oxide nanoparticle imaging applications: RES Imaging

Tumoral

tissue

Liver Imaging Lymp Node Imaging

Normal

tissue

Iron Oxide NP are passively internalized into phagocytic cells T2/T2* effect

USPIO

P904

Imaging of inflammation in atherosclerosis

Angiographie

Post-P904Pre-injection

Athérome

Degree of stenosis not correlated with plaque vulnerability

Inflammation :

risk factor for plaque rupture

Can be used for statin therapy follow up

MR Imaging of inflammation in atherosclerosis

Guerbet data, Rabbit Model

USPIO

P904

Klink, Fayad et al,

unpublished data

Decrease of the

inflammatory

status

Inflammation in Alzheimer Unpublished Guerbet data

Histology

Microglia / Ab plaque co-localization

Microglial cell phagocytosis

Used to evaluate the progression of the disease

Very sensitive specific contrast agent

Early detection of Alzheimer’s disease

USPIO

P904

Nucleus, Ab plaques, Microglia

Simard et al. Neuron 2006

Targeting inflammation

Worsening of the disease

Targeting amyloid

plaques

Neuronal loss

In vivo MRI @ 7T

Ex vivo

PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms

POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms



PO

ST

P

RE





PO

ST

P

RE





PO

ST

P

RE





PO

ST

P

RE

Pre Post-injection

USPIO

P904

“Translationnal” preclinical assays Field dependence and ROC analysis

7 T

esla

2

.35

Tesla

Despite signal-to-noise differences due to slice thickness and field strength, similar patterns were observed (arrows).

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

1-Spe

Sen

TG-Pre

TG-Post

USPIO

P904

Angiogenesis targeting nano-emulsions

Marty, Giradeau, Flament et al,

NeuroSpin, CEA

Medical need: anti-angiogenic

therapy follow-up in brain cancer

Angiogenesis targeting nano-emulsions

Réf document / Emetteur

Function

permeability

Anatomy

tumor volume

Mechanism

molecular imaging of angiogenesis

Theranostic based on Nanomedicines 19F RGD-nanoparticles

“Neoangiogenesis is associated closely

with plaque progression, and

microvascular incompetence is a likely

source of Intraplaque hemorrhage.” (Virmani et al, ATVB 2005)

Concept: improve survival via earlier

detection by imaging the angiogenesis

process in atherosclerosis

– Target : αvβ3

– Ligand : small molecule

– Mode : 19F MR-imaging (PFOB)

Targeting

ligand

PFC

Lipid

With the courtesy of Greg Lanza

Documents

Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de ... CERF-2013.pdf · Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de demain ? W. Gonzalez, Recherche Guerbet, [email protected]