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7/25/2019 Imageriecellulaire IRM Darrasse Septembre 2010
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Apramen 7 sept. 2010 / Luc Darrasse
DDtection de cellules individuelles marqutection de cellules individuelles marques en IRM in vivo :es en IRM in vivo :
preuves de concept sur petit animalpreuves de concept sur petit animal
Luc DarrasseLuc DarrasseImagerie par RImagerie par Rsonance Magnsonance Magntiquetique MMdicaleetdicaleet MultiMulti--ModalitModalits (IR4M)s (IR4M)UMR 8081 CNRSUMR 8081 CNRS--UnivUnivParisParis--SudSud www.u2r2m.uwww.u2r2m.u--psud.frpsud.fr
quipequipe ddveloppements mveloppements mthodologiques et instrumentaux (X. Mathodologiques et instrumentaux (X. Matre)tre)JCJC GinefriGinefri, M Poirier, M Poirier--QuinotQuinot NN GargamGargam, O Girard, E, O Girard, E LaistlerLaistler, S Lambert, S Lambert
CollaborationsCollaborationsGuerbetGuerbet--ResearchResearch P RobertP RobertLaboratoire MatiLaboratoire Matires et Systres et Systmes Complexes (Paris7)mes Complexes (Paris7) FF GazeauGazeau, C. Wilhelm ..., C. Wilhelm ...Laboratoire de Recherche en Imagerie (Paris 5)Laboratoire de Recherche en Imagerie (Paris 5) -- O ClO Clment ...ment ...
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DDtection de cellules individuelles marqutection de cellules individuelles marques en IRM in vivo :es en IRM in vivo :
preuves de concept sur petit animalpreuves de concept sur petit animal
Signal et contrasteSignal et contraste
Agents ciblAgents cibls paramagns paramagntiquestiques
Agents ciblAgents ciblss superparamagnsuperparamagntiquestiques
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Vers une IRM molVers une IRM molculaire/cellulaireculaire/cellulaire
Objectif : couplageObjectif : couplage / morphologie/ morphologie l'l'chelle des organes, lchelle des organes, lsionssions/ biologie/ biologie l'l'chelle des cellules, tissuschelle des cellules, tissus
Enjeu : amEnjeu : amliorer la spliorer la spcificitcificit diagnostique de l'imagerie mdiagnostique de l'imagerie mdicaledicale
-- pathologie : dpathologie : dtection prtection prcoce des premiers signes et de l'coce des premiers signes et de l'volution pathologiquesvolution pathologiques
-- ththrapie : administration ciblrapie : administration cible de me de mdicaments, approchesdicaments, approches ththragnostiquesragnostiques
PotentialitPotentialit s de l'IRMs de l'IRM
+ outi l "+ outil " multiphysiquemultiphysique" : analyse de ph" : analyse de phnomnomnes physicochimiques survenantnes physicochimiques survenantauxaux chelles macrochelles macro--,, mesomeso--, micro, micro-- etet nanoscopiquesnanoscopiques (organes mtabolites)tabolites)
-- sensibilitsensibilit intrinsintrinsque
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MRI: resonant interaction with nuclear spinsMRI: resonant interaction with nuclear spins
CLINICAL MRI (RF)CLINICAL MRI (RF)
thermal energy 310 Kthermal energy 310 K
(( kkBoltzmannBoltzmannTT))
10-12
pm
Angstrm
10 -9 nm
10-6
m
10-3
mm
cm
1 m
103
km
106
WAVELENGTH
(Meter)
cosmic
rays
audio
gammarays
X rays
UV
IR
microwaves
radio
waves
Light
ZHz 1021
EHz 1018
PHz 1015
THz 1012
GHz 109
MHz 106
kHz 103
Hz 1
FREQUENCY(Hertz)
MeV 106
keV 10 3
eV 1
meV 10 -3
eV 10 -6
neV 10 -9
peV 10 -12
ENERGY
(electronvolt)h =
0
h
2
= 0
B
Planck's constanth
energy / frequency
gyromagnetic ratio
(static) magnetic field0
B
-- low sensitivity !low sensitivity !
-- BB00
radiotracersradiotracers
biophotonicsbiophotonics
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Signal et contraste en IRMSignal et contraste en IRM
aimantation d'aimantation d'quilibre issue d'une grande population de spinsquil ibre issue d'une grande population de spins
observable aprobservable aprs une impulsion d'excitation (antenne radiofrs une impulsion d'excitation (antenne radiofrquence)quence)
volution de l'aimantation par un jeu de perturbations magnvolution de l'aimantation par un jeu de perturbations magntiquestiques
-- locales : interaction spinlocales : interaction spin--spin, gradients de susceptibil itspin, gradients de susceptibil it......
-- exogexognes : impulsions RF et gradients appliqunes : impulsions RF et gradients appliquss
constante de temps T1 : renouvellement de l'aimantationconstante de temps T1 : renouvellement de l'aimantation
perturbations haute frperturbations haute frquence (= mouvements rapides)quence (= mouvements rapides)
constante de temps T2 : disparition du signal aprconstante de temps T2 : disparition du signal aprs une excitations une excitation
radiofrradiofrquence (dquence (dphasage irrphasage irrversible entre les spins)versible entre les spins)
perturbations haute frperturbations haute frquence + basse frquence + basse frquence (mouvements lents)quence (mouvements lents)
marquage paramagnmarquage paramagntique (tique (egeg Gd3+)Gd3+)
-- interactioninteraction courte distance + transport de l'effetcourte distance + transport de l'effet
-- effets T2 et T1effets T2 et T1
marqueursmarqueurs superparamagnsuperparamagntiquestiques ((egeg nanoparticules de fer)nanoparticules de fer)
interactioninteraction grande distance (rgrande distance (rgime de dgime de dphasage statique) : effet T2*phasage statique) : effet T2*
A 7 2010 / L D
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SNR limitation in MRI applicationsSNR limitation in MRI applications
signalsignal--toto--noisenoise volumevolume elementelement
((voxelvoxel))scanningscanning timetime
SNR =SNR = FF .. rrxx .. rryy .. rrzz .. TTscanscan
StaticStatic fieldfield intensityintensity
Acquisition techniqueAcquisition technique
ContrastContrast enhancementenhancement
RFRF coilcoil probeprobe efficiencyefficiency
SensitivitySensitivity factorfactor < 100 ms< 100 ms fastfast MRIMRI3 mm3 mm
1 mm1 mm 1 min1 min .. standard MRIstandard MRI
micromicro--MRIMRI1010 mm
(1(1 picoliterpicoliter))
hourshours,, daysdays
A 7 t 2010 / L D
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UltraUltra--highhighfieldfieldMRIMRI
HighHigh fieldfield prospros HighHigh fieldfield conscons
-- LinearLinearmagnetizationmagnetization increaseincrease -- inefficientinefficient withwith hyperpolarizedhyperpolarized substancessubstances
-- Small boreSmall bore -->> strongstrong gradientsgradients -- reducedreduced accessaccess
--
ImprovedImproved
spectral dispersionspectral dispersion
--
T1T1
increasesincreases
, T2 et T2* are, T2 et T2* are
reducedreduced
((IRMfIRMfBold,Bold, SpectroscopySpectroscopy)) -- artefacts (local signalartefacts (local signal losseslosses))
-- Effective forEffective for targetedtargeted constrastconstrast media ?media ? => short TE , large acquisition=> short TE , large acquisition bandwidthbandwidth
MagnexMagnex 9.49.4 TT -- 400400 MHzMHz
6565 cmcm borebore
heightheight 3.48 m3.48 m
lengthlength 3.14 m3.14 m
CMRRCMRR U.U. MinnesotaMinnesota
clinical scanners
BrukerBrukerAvance 750Avance 750 WBWB
17.617.6 TT -- 749 MHz749 MHz
66 cmcm borebore
EP5EP5 U.U. WWrzburg (courtesy C. Faber)rzburg (courtesy C. Faber)
small animal microscopes
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Fischer et al, MRM 1990Fischer et al, MRM 1990 Cole et Cole,Cole et Cole,J. Chem. Phys. 1941J. Chem. Phys. 1941
=> Contraste/bruit en fonction de la fr=> Contraste/bruit en fonction de la frquence/du champ ?quence/du champ ?
=> Sensibilit=> Sensibilit /sp/spcificitcificit ? D? Dtectabilittectabilit du ciblage moldu ciblage molculaire ?culaire ?
Effet du champ sur le contrasteEffet du champ sur le contraste
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Signal et contrasteSignal et contraste
Agents ciblAgents cibls paramagns paramagntiquestiques
Agents ciblAgents ciblss superparamagnsuperparamagntiquestiques
DDtection de cellules individuelles marqutection de cellules individuelles marques en IRM in vivo :es en IRM in vivo :
preuves de concept sur petit animalpreuves de concept sur petit animal
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Ciblage du rCiblage du rcepteur au folate avec un chcepteur au folate avec un chlate de Gd :late de Gd :
un manque de sensibilitun manque de sensibilit
30 molGd/kg
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0 40 80 120 160 200 240
Temps (min)
%Rehaussemen
TOTAL_P866 (n=7)
TOTAL_P999 (n=6)
3 molGd/kg
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0 40 80 120 160 200 240
Temps (minutes)
%deRehaussemen
TOTAL_P866 (n=2)TOTAL_P999 (n=2)
P866
Ciblage
FBPFBPFBP
Corot, Robert et al., MRM 2008Corot, Robert et al., MRM 2008
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: cible
: agent de contraste
contrastophore
: ligand
pharmacophore
Liaison spcifique
La limite de dLa limite de dtection en IRM impose destection en IRM impose des
doses cliniquesdoses cliniques levleveses
~100~100 mol/kgmol/kg [AC] de[AC] de 11 100 mM100 mM
Pour de telles concentrations :Pour de telles concentrations :
Saturation des rSaturation des rcepteurs (
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p p
Marquage paramagnMarquage paramagntique / modtique / modle thle thoriqueorique
SphSphre interne :re interne :
ThThorie SBMorie SBMSolomonSolomon, Phys., Phys.RevRev. 1955. 1955
Bloembergen, J. Chem. Phys. 1957Bloembergen, J. Chem. Phys. 1957Bloembergen et Morgan, J. Chem. Phys. 1961Bloembergen et Morgan, J. Chem. Phys. 1961
SphSphre externe :re externe :
ThThorie deorie de FreedFreedFreedFreed, J. Chem. Phys. 1978, J. Chem. Phys. 1978
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p p
Mobilit si AC li ou non (plus grosse molcule)
modification radicale des profils NMRD
Zhou et al, JMR 2004
Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion (NMRD) profiles
Effet du champ statique sur le marquage paramagnEffet du champ statique sur le marquage paramagntiquetique
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Rhaussement remarquable du RCB au voisinage de 1,5 T Perte de spcificit haut champ
Girard et al. On the optimal field strength for detection of targeted Gd-based Contrast Agents in Molecular MR Imaging ISMRM 1656 (2008)
Modle : 250 M de Vasovist dans 600M de Human Serum Albumin
=> Sensibil it=> Sensibilit et det dtection optimalestection optimales environ andenviron and specificityspecificity 1 T ?1 T ?
DDtection d'agents paramagntection d'agents paramagntiques cibltiques ciblss
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Signal et contrasteSignal et contraste
Agents ciblAgents cibls paramagns paramagntiquestiques
Agents ciblAgents ciblss superparamagnsuperparamagntiquestiques
DDtection de cellules individuelles marqutection de cellules individuelles marques en IRM in vivo :es en IRM in vivo :
preuves de concept sur petit animalpreuves de concept sur petit animal
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Labeled lymphocytesControl
In vitro cellularIn vitro cellular imagingimaging
B0
Voxels dephasing due to static magnetic field deformation
MagneticMagnetic labelinglabeling withwith nanoparticlesnanoparticles (1.5(1.5 pgpg Fe/Fe/cellcell))
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SuperparamagneticSuperparamagneticparticulesparticulesdetection at 1.5 Tdetection at 1.5 T
Representative of most clinical applicationsRepresentative of most clinical applications
Decreased AMNPDecreased AMNP--induced contrast at higher fieldsinduced contrast at higher fields
InducedInduced intravoxelintravoxel phase dispersionphase dispersion
AMNPAMNP
rr
TETE
(relative permeability(relative permeabilityrr ,, quasistaticquasistatic dephasingdephasing assumption)assumption)
AMNPsAMNPs are reaching 95 % of their maximum magnetization at 1.5 Tare reaching 95 % of their maximum magnetization at 1.5 T
Increased endogenous susceptibility effects at higher fieldsIncreased endogenous susceptibil ity effects at higher fieldsInherentInherent intravoxelintravoxel phase dispersionphase dispersion
B0 TEB0 TE
Source susceptibil ity dif ferenceSource susceptibil ity dif ference , main field strength, main field strength BB00 , echo time, echo time TETE
=> shorter echo times to reduce local signal=> shorter echo times to reduce local signal--loss (loss (T2*T2*) artifacts) artifacts
=> larger acquisit ion bandwidths=> larger acquisit ion bandwidths BWBW => noise increase=> noise increase
BWBW
=> presumably poorer labeled=> presumably poorer labeled--cellcell detectabilitydetectability above 1.5 Tabove 1.5 T
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B1/I : coil-sample inductive coupling(magnetic field / unit current)
Radiofrequency coil noise : equivalent
coil resistance RC and temperature TC
Noise from biological tissues : equivalent
sample resistance RS and temperature RS
mT
transverse magnetization, tO/ t
Robservation/repetition times
ScalingScalingthethe sensitivitysensitivityof the MRof the MR detectiondetection
2 3
0SR a
1/ 2 0
0CR a
01
01/ aB I
0 1 )/(+ S S
Onorm transvers
RC
e
C
tSNR mR TR TI
tB
IntrinsicIntrinsic SNRSNR aa--5/25/2 001/21/2 => prefer higher fields and/or smaller samples
to acquire smaller voxels
Use cryogenically cooled / superconducting coils whenRCTC > RS RS(small samples and/or low fields )
ScalingScalingrulesrules ::aa samplesamplesizesize
001/21/2 MRMR frequencyfrequency(
)
per unit volume
and unit time
1
0Ot
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MRI applications of HTS radiofrequency coilsMRI applications of HTS radiofrequency coils
HighHigh--Temperature Superconductivity (Temperature Superconductivity (TcTc > 77 K)> 77 K) Bednorz and Muller,1986Bednorz and Muller,1986
lowlow--field MRIfield MRI Hall A.S. et al., 1991Hall A.S. et al., 1991
=> whole=> whole--body clinical scannersbody clinical scanners < 0.5 T< 0.5 T
rationale : cost reductionrationale : cost reduction
dedicated MR microscopesdedicated MR microscopes Black R.D. et al., 1993Black R.D. et al., 1993
=> MR histology of ex=> MR histology of ex--vivo specimensvivo specimens at > 2 T .... 10 Tat > 2 T .... 10 T
rationale : biological studies andrationale : biological studies and phenotypingphenotyping
conventional body scanners (typical 1.5 T)conventional body scanners (typical 1.5 T) GinefriGinefri J.C. et al., 2001J.C. et al., 2001
=> miniature surface coils=> miniature surface coils
rationale : highrationale : high--resolution MRI at the periphery of the human body (skin,resolution MRI at the periphery of the human body (skin,
small joints...), insmall joints...), in --vivo microvivo micro--MRI of small animals (transfer)MRI of small animals (transfer)
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1.5 T body scanner (GE)1.5 T body scanner (GE)
64 MHz64 MHz -- 2222 mT/mmT/m gradientsgradients
12 mm YBCO surface coi l12 mm YBCO surface coi l
TransmissionTransmission--line resonatorline resonator
Unloaded quality factor Q > 100000Unloaded quality factor Q > 100000
Transmit/Receive mode onlyTransmit/Receive mode only
Initially designed for human skinInitially designed for human skin
4 to 15 x SNR gain / room copper4 to 15 x SNR gain / room copper
Dedicated cryostat 77 KDedicated cryostat 77 K
Desert Cryogenics, CADesert Cryogenics, CA
LN2 +LN2 + SaphireSaphire cold fingercold f inger
GinefriGinefri J.C. et al,J.C. et al, MagnMagn.. ResonReson. Med. 2001. Med. 2001
PoirierPoirier--QuinotQuinot M. et al, ISMRM Berlin 2006M. et al, ISMRM Berlin 2006
capillary tube
3D scan (20 m)3
TR/TE 248/17 ms
scan time 40 min.
SuperconductingSuperconducting surfacesurface coilcoil
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InIn--vivo microvivo micro--MRIMRI histologyhistology(HTS(HTS coilcoil1.5 T)1.5 T)
Comparison of a high-resolution MR slice (a) to the corresponding 3-m-thick
histological slice (b) in a subcutaneously implanted tumor (mouse). The MR image (60
m isotropic resolution) has been acquired an hour after Gd-DOTA injection. The
comparison yields the identification of different tumor components, such as living
tumoral tissue, necrosis, and well-vascularized nontumoral tissue, as a basis of the
structural heterogeneities visible on the MR image.
Poirier-Quinot et al. Performance of a miniature high-temperature superconducting (HTS) surface coil for in vivo microimaging of themouse in a standard 1.5T clinical whole-body scanner 60 (4), 917-927 (2008)
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MicroMicro--IRMIRM1,5 T : tumeur sous1,5 T : tumeur sous--cutancutane (souris in vivo)e (souris in vivo)
M. PoirierM. Poirier--QuinotQuinot et al.,et al.,paraparatre danstre dansMagnMagn..ResonReson. Med.. Med.
antenne IRM supraconductrice 12 mm 80 K :antenne IRM supraconductrice 12 mm 80 K : tude dynamique de latude dynamique de la
permpermabilitabilit tumoraletumorale haute rhaute rsolution spatiale (Gdsolution spatiale (Gd--DOTA)DOTA)
Sequence SPGR 3D
voxel 59x59x300 m3
TR/TE 50/15 msTacq 6.9 min.
Gd-Dota 0.3 mmol/kg
a. avant injection
b. 14 minutes aprs injectionc. 42 minutes aprs injection
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Tumor model: derived from ELTumor model: derived from EL--44Lymphoma expressingLymphoma expressing ovalbuminovalbumin antigenantigen(EG(EG--7 tumors)7 tumors)
Cell model: lymphocytes expressing TCell model: lymphocytes expressing Tcell receptor (TCR) specific forcell receptor (TCR) specific for
ovalbuminovalbumin were obtained from OTwere obtained from OT--11micemice
(OT(OT--1 lymphocytes)1 lymphocytes)
Cell-based anticancer therapy model
TCR antiTCR anti--OVAOVA
OTOT--1 lymphocyte1 lymphocyte
Smirnov P. et al., CMR Evian 2005Smirnov P. et al., CMR Evian 2005
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24 to 7224 to 72 hrhr:: tumortumorinfiltration byinfiltration bylymphocyteslymphocytes
IV injection ofIV injection of labeledlabeled lymphocyteslymphocytes3 103 1066 cellscells 1.51.5 pgpg // cellcell
SpleenSpleenTumorTumor
Up to 24 hr:Up to 24 hr: splenicsplenichoming ofhoming of labeledlabeledlymphocytes,lymphocytes, thenthen
division and maturationdivision and maturation
NegativeNegativeenhancementenhancement of theof thespleenspleen
NegativeNegative enhancementenhancement ofofthethe tumortumor( < 0.2( < 0.2 pgpg // cellcell))
HighlightedHighlightedmechanismsmechanismsby in vivo 7 Tby in vivo 7 T studiesstudies(Smirnov et al., ECR 2005(Smirnov et al., ECR 2005 ((EuropeanEuropean CongressCongress ofof RadiologyRadiology )), Vienna 4, Vienna 4--88 marchmarch2005)2005)
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Control Labeled lymphocytes
ResultsResults: in vivo cellular: in vivo cellular imagingimaging
(voxel size = 59 m3, TE = 14 ms acq. time = 29 min)
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ResultsResults: in vivo cellular: in vivo cellular imagingimaging
Control Labeled lymphocytes
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Ponctuals hyposignal in 3D nanoparticles labeled cells
In vivo cellular imaging / HTS coil 1.5 T
(voxel size = 59 m isotropic 3D, TE = 14 ms acq. time = 29 min)
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Transposition vers la pratique cliniqueTransposition vers la pratique clinique
Animal / Homme
B0
1.5 T
3 T
4.7 T
7 T Preuves de concept
Imagerie molculaire
Application
clinique
transposition
?Opt. Matrielle
Preuves de concept
Imagerie molculaire
Antenne conventionnelle 9 T
( 12 mm)
Antenne supraconductrice 1.5 T
( 12 mm)=
M0
?
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