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Method Article
Des cartes quantitatives 3D de l’oxygène des tumeurs murines ont été imagées de manière non invasive à l’aide de la résonance paramagnétique électronique pulsée. L’échographie en mode B et le Doppler de puissance ont été utilisés pour l’anatomie et la structure vasculaire. Des images des deux modalités ont été superposées, ce qui a permis une analyse multiparamétrique des tumeurs.
La mesure précise et en temps réel de la pression partielle d’oxygène (pO2) apporte des informations précieuses dans de nombreuses pathologies, dont le cancer. Un faible taux de pO2 tumoral (c’est-à-dire l’hypoxie) est lié à l’agressivité tumorale et à une faible réponse au traitement. La quantification de la tumeur pO2 permet d’évaluer l’efficacité du traitement. L’imagerie par résonance paramagnétique électronique (EPRI), en particulier l’EPRI pulsée, est apparue comme une méthode tridimensionnelle (3D) avancée d’évaluation de l’oxygénation tissulaire in vivo. Cette innovation a été rendue possible par les développements technologiques en EPR (Electron Paramagnetic Resonance) et l’application des sondes de spin oxymétriques solubles dans l’eau de la famille des triaryles, offrant des données d’oxygénation rapides et sensibles. Le temps de relaxation de la sonde de spin (T1 et/ou T2) fournit des informations précises sur pO2 dans les voxels sélectionnés.
Des tumeurs de glioblastome humain LN229 ont été cultivées dans le coussinet interscapulaire de souris nues BALB/c. L’imagerie par ultrasons (US) a été utilisée comme référence pour les informations anatomiques de la tumeur. Pour imager les tissus pO2, les animaux ont été placés dans une position fixe dans le lit de l’animal avec des repères, permettant l’enregistrement entre les modalités d’imagerie. Après l’administration de l’agent de contraste OX071, l’EPRI a été effectué, suivi du mode US B. En raison de la faible toxicité de la sonde de spin, la procédure peut être répétée pendant la croissance tumorale ou le traitement. Après l’imagerie, le processus d’enregistrement a été effectué à l’aide d’un logiciel écrit dans MATLAB. En fin de compte, la fraction hypoxique peut être calculée pour une tumeur spécifique, et l’histogramme de la distribution tissulaire de pO2 peut être comparé au fil du temps. L’EPRI combiné à l’échographie est un excellent outil pour la cartographie de l’oxygène des tumeurs dans le cadre préclinique.
La compréhension du microenvironnement tumoral (TME), avec ses interactions spatiales et dynamiques complexes, permet une compréhension plus complète de la biologie tumorale. L’hypoxie, ou faible taux d’oxygène, est l’élément clé de l’EUT et joue un rôle essentiel dans le développement d’autres maladies potentiellement mortelles, notamment les maladies cardiovasculaires, les troubles métaboliques tels que le diabète et les maladies rénales chroniques 1,2,3. L’oxygénation des tissus est un facteur fondamental, en particulier dans le contexte du cancer, où la pression partielle d’oxygène des tissus (pO2) est corrélée à la résistance au traitement. Un niveau de pO2 supérieur à 10 mm Hg est associé à une augmentation de l’efficacité de la radiothérapie à faible transfert d’énergie linéaire (LET) (effet d’amélioration de l’oxygène).
Des études récentes utilisant l’imagerie par résonance paramagnétique électronique (EPRI) ont démontré que la radiothérapie guidée par l’oxygène peut entraîner une amélioration deux fois plus importante des taux de survie dans différents cancers dans des modèles murins 4,5. Ceci est similaire à celui des sujets humains dont le pO2 tumoral a été mesuré avec plusieurs mesures à l’électrode d’Eppendorf et s’est avéré avoir des valeurs médianes ou moyennes de pO2 inférieures à 10 torr6. Outre la radiothérapie, l’hypoxie tumorale a été directement corrélée à l’agressivité tumorale et aux résultats d’autres thérapies, telles que l’immunothérapie 7,8. Cette association souligne l’importance de mesures précises de l’oxygène dans l’amélioration des résultats thérapeutiques et la compréhension de la physiopathologie des maladies.
L’oxymétrie in vivo optimale nécessite une mesure directe de la pression partielle d’oxygène dans les tissus, indépendamment de facteurs tels que la perfusion tissulaire et la saturation de l’hémoglobine. La procédure doit être non invasive, avec une durée d’imagerie brève et précise pour éviter les impacts potentiels sur l’organisme, tels qu’une anesthésie prolongée, des altérations de la température des tissus ou des changements significatifs de la pression et du pH des tissus. L’oxymétrie tissulaire doit faire preuve d’une grande précision et d’une grande fiabilité, garantissant des mesures cohérentes quelles que soient les variations du microenvironnement tissulaire, y compris les différences de pH et d’état redox. Pour une planification efficace du traitement, la reconstruction des données d’image en temps réel et une interprétation simple sont cruciales. Cela implique non seulement d’atteindre une résolution spatiale de préférence inférieure à 1 mm, mais aussi de permettre une collecte rapide de données pour surveiller les changements dynamiques de l’état de l’oxygène des tissus, tels que l’hypoxie cyclique.
Dans ce contexte, diverses techniques de mesure de l’oxygène moléculaire ou d’évaluation de l’hypoxie ont été développées, chacune ayant une applicabilité et des avantages uniques. L’électrode de platine, considérée comme la « référence » pour l’oxymétrie des tissus cellulaires et des animaux vivants, offre des mesures cohérentes grâce à une insertion précise dans les tissus. D’autres approches, telles que les méthodes optiques utilisant des sondes fluorescentes, la photoacoustique, la surveillance des effets de l’hypoxie par l’expression de gènes ou de protéines, ou les tests de comètes, sont faciles à utiliser, mais sont indirectes ou limitées par le chemin optique dans les tissus. Des alternatives prometteuses pour évaluer l’hypoxie et/ou l’oxygénation semblent être l’imagerie par résonance magnétique (IRM)-OE-IRM10 -- ou MOBILE11, la tomographie par émission de positons (TEP) avec diverses sondes sensibles à l’hypoxie12, ou la résonance paramagnétique électronique (EPR).
L’EPR a une longue histoire dans le domaine de la biomédecine. Le phénomène lui-même a été signalé pour la première fois en 1944 et a été largement adopté comme outil d’analyse des structures chimiques et, plus récemment, pour les systèmes biologiques et les matériaux avec des électrons non appariés13. La spectroscopie EPR a été utilisée pour étudier la dynamique et la structure des systèmes biologiques tels que la photosynthèse, les métalloprotéines, les enzymes radicalaires et les membranes phospholipidiques 14,15,16. La spectroscopie et la tomographie par résonance paramagnétique électronique (EPR) sont devenues des méthodes non invasives essentielles pour étudier l’oxygénation tumorale et le microenvironnement avec une résolution spatiale de ~1 mm, une résolution temporelle de 1 à 10 min et une résolution pO2 de 1 à 3 torr 5,17,18.
Les méthodes EPR à ondes continues (CW) restent largement utilisées dans la plupart des applications en raison de la simplicité d’enregistrement et d’interprétation des spectres. Les interactions oxygène-sonde de spin fonctionnent en évaluant les modifications de l’intensité du signal EPR ou de la forme de la ligne, ce qui donne un aperçu des niveaux d’oxygène dans l’échantillon. L’EPR CW présente un avantage notable en termes de sensibilité à une gamme plus large de pO2 par rapport aux méthodes par impulsions. En appliquant diverses séquences d’impulsions, des informations telles que les temps de relaxation de spin des électrons, les temps de relaxation de spin du réseau et les interactions avec les spins voisins peuvent être élucidées18,19. Les techniques EPR d’impulsion, telles que la récupération d’inversion avec lecture d’écho de spin électronique (IRESE), mesurent les taux de relaxation du réseau de spin, évitant ainsi l’artefact de relaxation causé par la relaxation sonde de spin-sonde de spin à de faibles concentrations d’oxygène19,20. L’EPR peut être utilisé pour surveiller les changements de concentration d’oxygène avec une résolution temporelle et spatiale élevée ; cependant, en oxymétrie à des concentrations élevées d’oxygène, l’EPR pulsé est limité en raison des courts temps de relaxation de l’aimantation transversale mesurés avec l’écho de spin électronique (ESE). En fin de compte, la CW et l’EPR pulsée sont complémentaires, et une compréhension fiable du système de spin nécessite l’application des deux méthodes.
Les techniques d’oxymétrie EPR reposent sur la relation linéaire entre les niveaux d’oxygène et le réseau de spin ainsi que sur les taux de relaxation spin-spin en solution. Toutes les sondes oxymétriques sont souvent divisées en deux types : les sondes de spin solubles et les sondes de spin particulaires. Le choix de la sonde de spin correcte dépend de la configuration expérimentale et des informations nécessaires 21,22,23. Les sondes de spin solubles, telles que les nitroxides ou les dérivés trityliques24,25 tels que OX063 et sa forme deutérée OX071, réparties dans tout le tissu, fournissent des informations à partir de l’ensemble du volume. Alternativement, pour la mesure en un seul point, et pour les évaluations prolongées et récurrentes de l’oxygène, des sondes à l’état solide comme le LiPc, le LiBuO ou les dérivés du carbone peuvent être utilisées (voir tableau 1)22,23,26.
L’imagerie par ultrasonographie en mode B est largement utilisée en clinique pour l’imagerie des tissus mous. La résolution dépend de la fréquence du transducteur utilisé, et pour les études précliniques, 18 MHz et plus offrent une résolution suffisante dans le plan et la profondeur de l’image. Un avantage supplémentaire de l’échographie est la possibilité d’obtenir des images vasculaires fonctionnelles à l’aide du mode Power Doppler. Ici, nous présentons l’imagerie de l’oxygène par résonance paramagnétique électronique (EPROI) comme méthode pour générer des cartes d’oxygène 3D de tumeurs chez des souris vivantes. L’échographie correspondante permet d’obtenir la référence anatomique nécessaire à la définition de la tumeur au sein de l’EPROI. Plusieurs séances d’imagerie sont possibles pour chaque animal. La dernière étape est l’analyse, y compris la reconstruction d’images et l’enregistrement entre les modalités pour obtenir un histogramme pO2 à partir du volume tumoral.
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Les souris ont été obtenues à partir d’un centre d’élevage d’animaux approuvé et toutes les expériences ont été menées dans le respect des directives éthiques (dans notre cas - Autorisation n° 165/2023, Premier comité d’éthique local, Cracovie, Pologne).
1. Les animaux et la ligne tumorale
REMARQUE : Les souris ont été logées dans des conditions de laboratoire standard : Lumière/obscurité : 12 h/12 h, humidité : 60 %, température : 23 °C. Ils ont reçu un régime alimentaire standard avec un accès gratuit à l’eau potable dans les cages communautaires.
2. Imagerie Doppler US
La chronologie globale de l’imagerie tumorale est illustrée à la figure 1. L’imagerie par ultrasons est utilisée à la fois pour l’imagerie vasculaire par Doppler US et Anatomy US comme référence juste avant l’EPROI (Figure 2). L’imagerie anatomique en mode B est essentielle pour l’analyse de l’oxygénation tumorale par EPR et est décrite dans la rubrique 3. Bien que l’imagerie par ultrasons Doppler (section 2) ne soit pas obligatoire pour une performance d’enregistrement réussie, elle fournit néanmoins des informations précieuses sur la fenêtre temporelle optimale pour l’étude EPR et permet de déterminer la vascularisation active dans la zone tumorale.
3. L’EPROI
4. Analyse des données
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La figure 5 montre une coupe efficace représentative de l’image échographique d’une tumeur LN229 se développant dans le coussinet adipeux intra-scapulaire, ainsi que dans un système vasculaire. Une partie du système vasculaire est visible en dehors de la bordure de la tumeur. De manière inattendue, le pourcentage de volume vasculaire tumoral n’a pas diminué et est resté stable avec la croissance tumorale.
Comme indiq...
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Le protocole d’imagerie décrit comporte quelques étapes critiques. Tout d’abord, pour enregistrer les images anatomiques avec les cartes d’oxygène, l’IRM pourrait être un meilleur choix que l’échographie en raison de sa meilleure résolution et de sa capacité à fournir des données 3D détaillées19. L’échographie avec un transducteur haute fréquence offre une excellente résolution et une profondeur d’imagerie suffisante pour les études pr...
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Le Prof H. Halpern et B. Epel sont cofondateurs d’O2M Technologies. Les autres auteurs : G. Dziurman, A. Bienia, A. Murzyn, B. Płóciennik, J. Kozik, G. Szewczyk, M. Szczygieł, M. Krzykawska-Serda et M. Elas n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Nous remercions O2M Technology pour son aimable support technique. Les subventions n° 2020/37/B/NZ4/01313 (imageur Jiva-25) et NCBiR : ENM3/IV/18/RXnanoBRAIN/2022 (coûts des animaux) sont reconnues. L’achat de l’échographie VevoF2 a été soutenu par la Faculté de Biochimie, de Biophysique et de Biotechnologie dans le cadre de l’Initiative d’Excellence du Programme Stratégique de l’Université Jagellonne.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
aqua pro injectione | Polpharma | 1280610 | - |
ArbuzGUI | O2M Technologies | - | accesible in the github repository |
disodium phosphate | POCH S.A. | 799280115 | - |
Dulbecco′s Modified Eagle′s Medium - high glucose | Merck Life Science | D5648 | 4500 mg/L glucose and L-glutamine |
fetal bovine serum | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 10500064 | - |
fishing wire | Good Fish | A-55A-035 | US position marker - 0.35 mm |
Geltrex | Gibco, Thermo Fisher Scientific | A1413302 | reduced growth factor basement membrane matrix |
ibGUI | O2M Technologies | - | accesible in the github repository |
injectio natrii chlorati isotonica | Polpharma | multipe items were used | 9 mg/mL |
insulin needles 29 G | Becton, Dickinson and Company | multipe items were used | - |
Jiva 25 | O2M Technologies | - | EPROI |
MATLAB | MathWorks | - | version R2021b |
penicillin-streptomycin | Merck Life Science | P4333 | with 10,000 units penicillin and 10 mg streptomycin/mL |
potassium chloride | POCH S.A. | 739740114 | - |
potassium dihydrogen phosphate | POCH S.A. | 742020112 | - |
ProcessGUI | O2M Technologies | - | accesible in the github repository |
PTFE tubing | Cole Palmer Instrument Co | 06412-11 | - |
sodium chloride | POCH S.A. | 794121116 | - |
SpecMan4EPR | FEMI Instruments | - | version 3.4 CS 64bit |
Surflash I.V. Catheter | Terumo | SR*FF2419 | size: 24G x ¾" |
tape | 3M | multipe items were used | micropore |
Trypsin-EDTA | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 25200072 | - |
Ultrasonography | Telemed | - | Anatomical US |
US gel | KONIX | NUG-0019 | - |
Vetflurane | Virbac | 137317 | 1000 mg/g |
Vevo F2 | FujiFilms, Visual Sonics | - | B-mode and Doppler |
vinyl polysiloxane dental clay | 3M ESPE | multiple items were used | - |
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