CE19 - Technologies pour la santé

Développement d'un agent de contraste bio-inspiré pour l'IRM moléculaire – pHySIOMIC

Développement d'un agent de contraste bio-inspiré pour l'IRM moléculaire

L’accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique est une atteinte neurologique soudaine, représentant la troisième cause de mortalité et la première cause de handicap acquis chez l’adulte dans les pays industrialisés. Pour guider les praticiens cliniques dans le choix de ces traitements, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) est essentielle. Mais l’IRM a ses limites et ne permet pas de diagnostiquer les microthrombi, qui sont pourtant responsables en partie des séquelles post AVC.

Ce projet consiste à développer un agent de contraste capable de révéler de façon ultra-sensible la présence de microthrombi chez les patients victimes d’accident vasculaire cérébraux ischémiques.

Enjeux et objectifs (3000 caractères)<br /><br /><br />Malgré des progrès significatifs en matière de prévention et de soins aigus au cours des dernières décennies, la prévalence des AVC ischémiques est en augmentation avec le vieillissement de la population et devrait toucher 1,3 million de personnes par an en Europe d'ici 2025. Alors que la prise en charge rapide des AVC sauve la vie de la moitié des patients, les lésions cérébrales qui en résultent restent souvent dramatiques pour les survivants et l'AVC ischémique est la principale cause d'invalidité acquise chez les adultes.<br />Le traitement actuel de la phase aiguë de l'AVC ischémique consiste à éliminer le thrombus obstruant la circulation cérébrale en injectant un médicament favorisant sa dégradation enzymatique (thrombolyse) ou, depuis 2015, en le retirant mécaniquement par cathétérisme (thrombectomie).<br />Cependant, même lorsqu'une recanalisation réussie du vaisseau principal occlus est obtenue, la microcirculation aval reste souvent occluse. Les mécanismes expliquant cette reperfusion microvasculaire incomplète ne sont pas entièrement compris mais nous savons qu'elle est due à une obstruction par des microthrombus et qu'elle est exacerbée par les conséquences inflammatoires de l'ischémie, qui induit un rétrécissement de la lumière des microvaisseaux. Plusieurs études précliniques et cliniques corrèlent la présence de tels microthrombi avec des déclins cognitifs et la démence. Plus d'un tiers des patients qui bénéficient d'une thrombectomie réussie ne retrouvent pas leur indépendance fonctionnelle bien qu'une recanalisation réussie soit rapidement obtenue.<br />Les microthrombi dans l'AVC ischémique sont donc particulièrement préoccupants pour les patients survivants d'un AVC ischémique souffrant de séquelles permanentes et représentent ainsi un coût humain, social et économique important.<br />Malgré cette préoccupation, l'impact de la thrombose microvasculaire dans l'AVC ischémique n'est actuellement pas correctement pris en compte dans la pratique clinique. Le principal obstacle étant l'absence de méthodes fiables de diagnostic des microthrombus dans le cerveau des victimes d'AVC.<br />Ici, nous proposons de développer des microparticules d'oxyde de fer biodégradables qui pourraient révéler des microthrombi avec la technique d'imagerie par résonance magnétique moléculaire (IRM). Cette invention aurait un fort potentiel commercial en tant que nouvel agent de contraste IRM.

Ce projet a pour objectif (i) d’étudier la physiopathologie des microthrombi dans l’AVC ischémique, (ii) de développer un agent de contraste permettant de révéler les microthrombi en IRM et (iii) d’établir un traitement des microthrombi.

Les précédents travaux du laboratoire PhIND ont démontré un fort potentiel de la stratégie de l’imagerie moléculaire en IRM avec des microparticules d’oxyde de fer (MPIO). Malgré le fort potentiel de cette stratégie, les MPIO utilisés dans ces études sont composés de matériaux inertes et toxiques. Le développement de MPIO biodégradables et non toxique est donc nécessaire pour rendre cette technologie applicable chez l’homme. Dans ce projet nous proposons de synthétiser des MPIO à partir de nanoparticules d’oxyde de fer assemblées dans une matrice de matériau biodégradable. Nous utiliserons un procédé d’émulsion couplé à la réticulation de la matrice biodégradable pour assembler les nanoparticules d’oxyde de fer sous forme d’aggrégats. Nous désignons ces particules par l’acronyme PHysIOMIC. Dans le cadre de ce projet ANR nous testons les propriétés d’imagerie, les capacités de ciblage de la thrombose et la biocompatibilité/biodégradabilité de l’agent de contraste PHysIOMIC.

La présence et l’impact des microthrombi distaux seront étudiés dans 2 modèles d’AVC ischémique chez la souris. Le 1er modèle que nous utiliserons est dit thromboembolique, il est obtenu par injection de thrombine dans l’artère cérébrale moyenne (ACM). Dans le 2e modèle, l’ischémie cérébrale est induite par déposition de chlorure d’aluminium au niveau de la MCA afin d’induire une thrombose locale. Nous avons étudié précisément sur coupe histologique la quantité, la stabilité dans le temps et la composition des microthrombi dans ces 2 modèles.


Notre préoccupation suivante était d'évaluer la biodégradation correcte des PHySIOMIC dans l’organisme. Dans ce but, nous avons injecté une forte concentration de particules (4 mg de fer.kg-1), et l'avons comparée à la biodégradation des SPIO. Une IRM corps entier a été réalisée avant et peu après l'injection des suspensions PHySIOMIC ou SPIO. LA modification du signal a été surveillée dans le foie, la rate et les reins 2, 7 et 31 jours après l'injection. Les particules PHySIOMIC et SPIO ont toutes deux induit un fort hyposignal dans le foie et la rate qui correspond à une élimination rapide des particules du compartiment sanguin, capturées par le système phagocyte mononucléaire ; dans les cellules de Kupffer du foie et les macrophages résidents de la rate.

Nous avons établi une étude de la présence des microthrombi dans 2 modèles souris d’AVC ischémique. Nous avons travaillé sur un modèle thromboembolique induit par injection de thrombine dans l’artère cérébrale moyenne (MCA) et un modèle où la thrombose est formée in situ au même niveau de la MCA par déposition d’un papier filtre imbibée de chlorure d’aluminium (AlCl3). Nous avons alors examiné le cerveau de ces souris par IRM cérébrale. Nous les avons scannées au stage aigu (30 minutes après l’induction de l’AVC) avec une IRM 7T préclinique (phramascan, Brucker). Nous avons étudié la présence de modification anatomique en IRM pondérée en T1 et T2 et nous voyons à ce temps précoce aucune lésion ou autre atteintes cérébrales. Nous ne constatons pas de saignement en IRM T2* mais nous détectons une lésion qui commence à se former en IRM de diffusion (DWI). Nous constatons également un déficit de perfusion en IRM de perfusion (PWI) ainsi qu’un signal éteint en IRM de temps de vol (TOF) qui correspond à la zone ischémiée. Il est important de noté que ces déficits liés à l’ischémie sont identiques dans les 2 modèles. Par contre, nous avons également étudier la présence de thrombose dans le cerveau de ces souris mises à mort après ces acquisitions (donc toujours un temps aigu ; 1h après l’induction de l’AVC) et nous constatons une différence importante ; dans le modèle thrombine nous observons un grand nombre de microthrombi dans le modèle thrombine dans toute la zone ischémiée alors que pour le modèle AlCl3 nous ne voyons un thrombus uniquement au niveau du dépôt du papier filtre.
Nous avons ensuite travaillé sur le développement des microparticules pHySIOMIC et sur son utilisation comme outil d’imagerie moléculaire des microthrombi dans l’AVC ischémique.


Nous avons donc optimisé le protocole de synthèse des PHySIOMIC obtenu par procédé d’auto-assemblage de nanoparticules d’oxyde de fer (diamètre moyen de 70 nm) aggrégées via la polymérisation de la dopamine en polydopamine sous forme de particules sub-micrométriques (diamètre moyen d’environ 700 nm). Nous avons observé les PHySIOMIC en microscopie électronique à transmission, ce qui nous a permis de confirmer leur structure d’aggrégats de nanoparticules d’oxyde de fer piégées dans des matrices de polydopamine. La relaxivité des PHySIOMIC est de 413.2 mM-1.s-1, plus de 2 fois plus élevé que la relaxivité des SPIO (151.9 mM-1.s-1) ce qui est très encourageant quant au potentiel de détection des PHySIOMIC par des séquences d’IRM pondéré en susceptibilité magnétique.

L'agent de contraste PHYSIOMIC développé combine de fortes propriétés magnétiques et de ciblage de la thrombose. Nous avons démontré sa capacité à révéler de manière ultra-sensible et à haute résolution la présence de microthrombus corticaux dans un modèle murin d'AVC ischémique en IRM. L'agent de contraste PHYSIOMIC présente également une bonne biocompatibilité, similaire aux nanoparticules SPIO approuvées par la FDA. Bien que le mécanisme de ciblage sur la microthrombose nécessite une étude plus approfondie, nous avons démontré que la couronne protéique formée à la surface est impliquée dans le processus de fixation. L'injection in vivo de PHySIOMIC dans un modèle d'AVC induit par la thrombine révèle une microthrombose sur les images pondérées en T2* peu après le début de l'AVC. L'hyposignal ciblé induit disparaît après 24 heures. De plus, PHYSIOMIC utilisé dans le cadre d'une étude thrombolytique montre une bonne capacité à suivre la dégradation de la microthrombose. Globalement, cet agent de contraste pourrait aider à révéler et à surveiller la microthrombose chez les patients victimes d'AVC et à orienter les stratégies de traitement.

Un article scientifique réunissant l'ensembles des données générées au cours de ce projet ANR JCJC est en cours de rédaction.

L’accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique est une atteinte neurologique soudaine, représentant la troisième cause de mortalité et la première cause de handicap acquis chez l’adulte dans les pays industrialisés. Le traitement actuel de la phase aigüe de l’AVC ischémique consiste à éliminer le caillot sanguin obstruant la circulation cérébrale par dégradation enzymatique (la thrombolyse) ou en le retirant mécaniquement par cathétérisme (la thrombectomie). Pour guider les praticiens cliniques dans le choix de ces traitements, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) est essentielle. Mais l’IRM a ses limites et ne permet pas de diagnostiquer les microthrombi, qui sont pourtant responsables en partie des séquelles post AVC.

Ce projet a pour objectif (i) d’étudier la physiopathologie des microthrombi dans l’AVC ischémique, (ii) de développer un agent de contraste permettant de révéler les microthrombi en IRM et (iii) d’établir un traitement des microthrombi.

1. Etude de la thrombose microvasculaire dans l’AVC ischémique.
La présence et l’impact des microthrombi distaux seront étudiés dans 2 modèles d’AVC ischémique chez la souris. Le 1er modèle que nous utiliserons est dit thromboembolique, il est obtenu par injection de thrombine dans l’artère cérébrale moyenne (ACM). Dans le 2e modèle, l’ischémie cérébrale est induite par occlusion de l’ACM avec un filament ; le retrait du filament nous permettra de reproduire la re-canalisation abrupt rencontrée chez les patiens thrombectomisés. Nous étudierons précisément sur coupe histologique la quantité, la stabilité dans le temps et la composition des microthrombi dans ces 2 modèles.

2. Synthèse d’un nouvel agent de contraste IRM pour révéler les microthrombi.
Les précédents travaux du laboratoire PhIND ont démontré un fort potentiel de la stratégie de l’imagerie moléculaire en IRM avec des microparticules d’oxyde de fer (MPIO). Malgré le fort potentiel de cette stratégie, les MPIO utilisés dans ces études sont composés de matériaux inertes et toxiques. Le développement de MPIO biodégradables et non toxique est donc nécessaire pour rendre cette technologie applicable chez l’homme.

Dans ce projet nous proposons de synthétiser des MPIO à partir de nanoparticules d’oxyde de fer assemblées dans une matrice de matériau biodégradable. Nous utiliserons un procédé d’émulsion couplé à la réticulation de la matrice biodégradable pour assembler les nanoparticules d’oxyde de fer sous forme d’aggrégats. Nous désignons ces particules par l’acronyme PHysIOMIC. Pour optimiser cette synthèse et caractériser les particules obtenues, nous travaillerons avec le département de chimie organique du laboratoire de pharmacie de Caen, le Centre d’étude en Recherche du Médicament de Normandie (le CERMN).

Nous utiliserons alors ce nouvel agent de contraste IRM pour révéler les microthrombi présents dans les modèles d’AVC ischémique en utilisant la technique d’imagerie moléculaire. Des résultats préliminaires confirment que cette méthode est efficace pour révéler des microthrombi occlusifs, présents dans le modèle d’AVC ischémique thromboembolique. Afin d’augmenter la spécificité de notre système, nous allons travailler sur la fonctionnalisation des PHysIOMIC avec des anticorps spécifiques des plaquettes contenues dans les microthrombi.

3. Etude préclinique d’une thérapie thrombolytique pour le traitement de microthrombi
Nous testerons 3 traitements thrombolytiques différents que l’on sait efficace pour dégrader les caillots riches en plaquettes et en facteur de von Willebrand. Nous testerons la N-acétylcystéine dont le puissant effet thrombolytique a été récemment mis en évidence dans le laboratoire PhIND et 2 traitements dont l’activité fibrinolytique est déclenchée par la présence de thrombine, qui est générée en très grande quantité par les plaquettes activées présentes dans les microthrombi.

Coordinateur du projet

Monsieur Thomas Bonnard (Physiopathologie et imagerie des maladies neurologiques)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PHIND Physiopathologie et imagerie des maladies neurologiques
CERMN CENTRE D'ETUDES ET DE RECHERCHE SUR LE MEDICAMENT DE NORMANDIE

Aide de l'ANR 220 417 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2020 - 48 Mois

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