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Comment mieux voir pour mieux comprendre ?

Prédire l’efficacité des particules magnétiques comme agents de contraste en IRM

09/05/2012 par Jonathan Rangapanaiken / nanoscience, imagerie, IRM

Des physico-chimistes du CNRS, des universités de Bordeaux et de Paris 6 et 7 (1) viennent de publier, en collaboration avec des physiciens de l’université de Mons en Belgique, un modèle universel pour prédire l’efficacité des nanoparticules magnétiques en tant qu’agents de contraste pour l’IRM. L’étude paraît dans le numéro de juillet de la revue Advanced Healthcare Materials et en ligne le 7 mai.

Chaque année, des dizaines d’articles scientifiques décrivent de nouveaux systèmes de nanoparticules injectables pouvant modifier le contraste des tissus biologiques en IRM. Complémentaire des scanners à rayons X, l’IRM est devenue indispensable dans les hôpitaux pour réaliser des images anatomiques en trois dimensions des organes « mous » (abdomen, muscles, cerveau…). En particulier, les cancers peuvent être diagnostiqués grâce à des agents de contraste : en ciblant des cellules d’intérêt par des mécanismes passifs (perméabilité et rétention accrues) ou actifs (ciblage d’un récepteur), ces particules permettent de différencier plus aisément sur l’image les tumeurs des régions saines. Dans son principe, l’IRM consiste à exciter sélectivement le moment magnétique(2) des protons de l’eau par des impulsions radiofréquences et à observer leur retour à l’équilibre. Celui-ci est caractérisé par des temps de relaxation qui influent sur le contraste de l’image finale. Les agents de contraste se comportent comme de petits aimants qui interagissent avec les protons et accélèrent leur retour à l’équilibre, ce qui modifie le contraste de l’image. L’efficacité des agents de contraste en IRM est mesurée par la valeur de leur « relaxivité », qui est inversement proportionnelle au temps de relaxation des protons et rapportée à la concentration des ions magnétiques, le plus souvent les ions ferriques.

La nouveauté de l’article est d’avoir décrit précisément comment les agents dits « de contraste négatif » (ceux dont la présence sur l’image IRM est attestée par une zone plus sombre) doivent être comparés entre eux, en normalisant la relaxivité par la fraction volumique du matériau magnétique à l’intérieur de la nanoparticule(3), l’aimantation(4) et le diamètre externe de l’objet. Avec ces trois paramètres uniquement (fraction Φintra, aimantation volumique Mv et diamètre d en nanomètres), une quarantaine de données originales et issues de la littérature ont pu être regroupées sur une même et unique courbe. Celle-ci est décrite par une loi d’échelle, plus précisément le produit du carré du diamètre et du carré de l’aimantation, valable sur deux ordres de grandeur (cf. ci-dessous). Les points qui s’écartent de la loi proviennent d’échantillons qui ne respectent pas la condition du modèle, à savoir que la diffusion des protons des molécules l’eau sur une distance de l’ordre de la taille de la nanoparticule soit plus rapide que le déphasage, induit par les nanoparticules, des moments magnétiques protoniques. En effet, lorsque cette dernière condition n’est pas vérifiée, la relaxivité est décrite par un second régime nécessitant le recours à des simulations numériques. Néanmoins les auteurs ont pu prédire de manière analytique la relaxivité maximale qu’on peut atteindre pour différents matériaux (oxyde de fer pur, particule hybride, particule à noyau de fer métallique et couche d’oxyde, oxyde mixte de fer, de zinc et de manganèse). Selon les cas, ce maximum peut prendre des valeurs huit à dix-neuf fois plus élevées qu’avec les agents de contraste commerciaux actuels. Cependant, pour être réellement introduits sur le marché, de tels agents devraient présenter non seulement une efficacité vraiment supérieure aux agents actuels, mais aussi une totale innocuité.

Désormais les chimistes disposent d’une boîte à outil utilisable en pratique (car basée sur de simples lois de puissances) pour viser les meilleurs caractéristiques de leurs particules magnétiques, et ce avant même d’entamer la synthèse !

(1) Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (CNRS/Université de Bordeaux1) Physicochimie, Colloïdes et Sciences Analytiques (CNRS/UPMC/ESPCI Paris Tech) Laboratoire de Matière et Systèmes Complexes (CNRS/Université Paris Diderot)

(2) Le moment magnétique est une grandeur vectorielle qui décrit le magnétisme d’un composé.

(3) Celle-ci peut en effet avoir une structure interne complexe, telle qu’une écorce de silice ou une couronne de polymères pour améliorer sa furtivité dans le sang (cf. représentation ci-contre).

(4) L’aimantation désigne le moment magnétique électronique de la particule par unité de volume.

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Représentation d’un agent de contraste IRM « négatif ». Le cœur est constitué d’une ou plusieurs nanoparticules magnétiques agglomérées entourées d’une couronne d’un autre matériau, non magnétique. Quelle que soit sa nature exacte (silice poreuse, membrane lipidique, polymère hydrophile ou hydrophobe,…), les seuls paramètres qui comptent pour la relaxivité sont le diamètre externe, la fraction volumique et l’aimantation globale
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Loi d’échelle basée sur les échantillons de nanoparticules magnétiques de l’étude et d’autres issus de la littérature donnant la relaxivité r2 en s-1 par mM équivalent de fer, en fonction de la fraction volumique Φintra,du diamètre d en nanomètres et de l’aimantation volumique Mv (ou de manière équivalente de l’aimantation spécifique mS du matériau magnétique utilisé dans la formulation).

Référence

Universal Scaling Law to Predict the Efficiency of Magnetic Nanoparticles as MRI T2-Contrast Agents.
Q.L. Vuong, J.-F. Berret, J. Fresnais, Y. Gossuin et O. Sandre.
Adv. Mat. mai 2012, doi : 10.1002/adhm.201200078.

Source : CNRS / En direct des laboratoires

Contact chercheur : Olivier Sandre / Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)

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