Reconstruction osseuse suivie par Scanner Spectral à Comptage de Photons – BREAKSIT

Le projet est organisé selon 3 work packages scientifiques. Le premier (WP1) a pour but de mettre au point des formulations optimisées injectables de CPC pouvant être facilement visualisées par SPCCT. Pour cela une série de CPCs détectable par SPCCT sera préparée, chacune basée sur un agent de contraste diffèrent (i.e., nanoparticules à base de fluorure de terres rares) pour sélectionner les deux les plus intéressants en termes de sensibilité, mais aussi en termes de différenciation dans l’optique de l’imagerie simultanée de deux agents de contraste différents. L’objectif du WP2 est de réaliser une étude préclinique pour apporter la preuve de concept qu’un monitoring du remplacement du CPC implanté par de l’os peut être réalisé in vivo grâce à la SPCCT. Deux types de CPC seront étudiés: un ciment apatitique injectable commercial et son analogue combiné à du sang, qui diffèrent au niveau de leur cinétique de résorption in vivo. Le monitoring de la dégradation des matériaux correspondants une fois implantés sera étudié sur deux types de modèles animaux: (i) des défauts osseux de taille critique sur un modèle de petit animal (lapin) et (ii) un modèle sur le gros animal (brebis) d’arthrodèse vertébrale. L’objectif du WP3 est de mettre au point un CPC détectable par SPCCT et adapté pour visualiser le processus inflammatoire intervenant lors de la réparation osseuse. Cette approche nécessitera l’utilisation de deux agents de contraste différents, avec deux verrous techniques: (i) une bio-fonctionnalisation de surface appropriée du deuxième agent de contraste pour que les nanoparticules correspondantes soient capables de cibler spécifiquement l’inflammation à l’interface os/implant (fonctionnalisation des nanoparticules par des motifs PEG et acide folique, qui sont connus pour cibler les macrophages activés avec une haute spécificité; (ii) une stratégie appropriée pour que le CPC correspondant permette le relargage de ce deuxième agent de contraste à l’interface os/implant

-WP1 :
Suite à des problèmes de stabilité d’une première génération d’agents de contraste SPCCT dans le liquide durcisseur de nos ciments [agrégation sous l’effet des ions phosphate], nous en avons développé une deuxième génération. Nous avons pour cela utilisé un polymère porteur de fonctions polyéthylèneglycol et de fonctions acide phosphonique qui en se greffant à la surface des nanoparticules de terre rare [gadolinium, yttrium] permet de les stabiliser en milieu phosphate. En parallèle, le mécanisme de réaction des ions phosphate vis-à-vis des nanoparticules a été étudié et nous avons beaucoup progressé dans notre compréhension de ce phénomène. Nous avons enfin déterminé la dose d’agent de contraste à combiner au ciment pour permettre sa bonne visualisation par SPCCT (idéalement entre 5 et 20 mg par mL de pâte de ciment).

-WP2 :
Nous avons réalisé un essai préliminaire mené sur 4 lapins implantés sur des défauts critiques osseux en site fémoral avec des ciments phosphocalciques contenant un agent de contraste SPCCT (nanoparticules de fluorure de gadolinium). Les animaux anesthésiés ont été passés dans le scanner respectivement 1, 3 et 8 semaines après implantation. La SPCCT a permis à la fois d’obtenir une image conventionnelle de haute résolution et une décomposition des matériaux en eau/calcium pour suivre l’évolution chimique des échantillons. Des traitements spécifiques pour ces images avec matériaux très atténuants et agent de contraste ont été mis au point. Les acquisitions ont révélé la nécessité d’un modèle ex vivo pour calibrer les décompositions eau/calcium. Ce modèle est en cours d’acquisition.

-WP3 :
Démarrage prévu lorsque l’état d’avancement des WPs 1 et 2 sera suffisant

-Nous avons donc rencontré un gros imprévu dès le début du projet, à savoir que les nanoparticules de fluorure de terre rare greffées en surface via un groupe acide phosphonique porteur d’une chaîne polyéthylèneglycol et devant servir d’agents de contraste SPCCT pour le projet, n’étaient pas stables une fois combinées dans la pâte de ciment de phosphate de calcium. En effet, celles-ci s’agrègent rapidement dans ce milieu. Une étude exhaustive est en cours, à la fois pour caractériser et comprendre d’un point de vue chimique ce phénomène d’agrégation, et nous sommes confiants sur notre capacité à finaliser ce travail de façon à le valoriser par le biais de publications et communications scientifiques.

- Grâce aux efforts conjugués des partenaires CEISAM, Laboratoire de chimie de l’ENS-Lyon et CEMHTI, nous avons mis au point une deuxième génération d’agents de contraste qui sont stables dans la matrice cimentaire. Nous allons reprendre le projet en préparant des formulations de ciments contenant la deuxième génération d’agents de contraste SPCCT mentionnée ci-dessus

-Par ailleurs, le problème d’agrégation mentionné ci-dessus ne nous a pas empêchés de progresser sur l’autre partie de l’étude. Nous avons ainsi pu réaliser des essais préliminaires de visualisation de nos ciments phosphocalciques par SPCCT, tout d’abord sur des explants osseux, puis sur animal vivant implanté [lapin]. Ces premiers résultats sont très encourageants et confirment l’intérêt du projet.
-La mise en place de la deuxième génération de prototype de Scanner SPCCT a engendré également des mises au point supplémentaires au niveau des reconstructions d’image.

-Au bilan les difficultés mentionnées ci-dessus ont retardé l’avancement du projet d’au moins six mois [hors aléas liés à la crise sanitaire]. De plus, la stratégie initialement prévue dans le WP3 est totalement à revoir et nous y travaillons actuellement.

Deux communications orales dans des congrès scientifiques dédiés à l’imagerie biomédicale

-Bujoli, B. et al. Formulation de substituts osseux à base de phosphates de calcium pour le suivi de leur résorption par imagerie spectrale à comptage photonique, 1er Workshop d'Imagerie Spectrale à Comptage Photonique, application en ostéo-articulaire, Lyon (France), 22 Novembre 2019

-S. Parola et al. Conception de nanoparticules hybrides de fluorures de terres rares pour l’imagerie Médicale, Journées Scientifiques France Life Imaging (FLI), nœud Lyonnais, Lyon (France) 20 Décembre 2019.

Le but du projet est d’explorer le potentiel d’une toute nouvelle technique d’imagerie, un scanner X spectral à comptage de photons ou SPCCT (dédié pour l’instant à la détection et la caractérisation de maladies neuro-vasculaires et cardio-vasculaires), pour la visualisation de ciments phosphocalciques (CPC) injectables utilisés en chirurgie de reconstruction osseuse. Dans ce cadre, nous souhaitons donc étudier la possibilité de combiner des CPCs industriels avec les agents de contraste spécifiquement développés pour la SPCCT. Nous comparerons ensuite la « qualité de visualisation » de ces ciments après implantation, entre la SPCCT et les techniques conventionnelles d’imagerie, telles que la tomodensitométrie. Le projet étudiera en particulier le potentiel de la SPCCT pour le suivi in vivo de la résorption de ces CPCs au fil du temps et l’étude du processus d’inflammation ayant lieu lors de la cicatrisation osseuse. Pour cela un modèle animal de fusion intervertébrale sera utilisé, car la possibilité d’établir un diagnostic précoce en cas d’évolution défavorable de la greffe représente un enjeu très important pour cette indication. Ces travaux ouvriront également la voie à l’implantation guidée par imagerie de ces ciments, par des techniques mini-invasives.