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JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN 9ème Journées Jeunes Chercheurs / Imagerie Fawzi Boumezbeur CEA -

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1 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN 9ème Journées Jeunes Chercheurs / Imagerie Fawzi Boumezbeur CEA - SHFJ Orsay, France Etude du métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN : application au modèle 3-NP de la maladie de Huntington

2 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Introduction Spins nucléaires B0B0 Excitation radiofréquence Signal de précession libre raie spectrale pixel dans une image La Résonance Magnétique Nucléaire en bref Transformée de Fourier

3 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN 1 H de leau 1 H de métabolites Que mesure la Spectroscopie RMN ? Introduction Imagerie RMN = détection des 1 H de leau cérébrale Spectroscopie RMN = détection des autres molécules

4 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Introduction Lenvironnement technique de la RMN Programmation de séquence Sondes radiofréquences Hardware Electronique Mais aussi : du matériel de stimulation, de monitorage, etc… Aimant 3 Tesla, corps entier avec gradients et shims performants Informatique Traitement des spectres Traitement des images tChotCrGluNAA tCho tCr Glu NAA ppm

5 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Introduction Etude du métabolisme par spectroscopie RMN Concentrations des métabolites Vitesses de réactions biochimiques

6 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Introduction Plan Quantification des concentrations de métabolites cérébraux Détermination des vitesses de réactions biochimiques Corrélation avec la 18 FDG-TEP Application à létude de la maladie de Huntington

7 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Concentration des métabolites Voxel striatal (3.9 mL) centré sur le striatum: Spectroscopie localisée à TE court Segmentation automatique Liquide céphalo- rachidien Matière grise / blanche Spectre 1 H (PRESS)

8 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Quantification relative dune huitaine de métaboliltes Analyse par combinaison linéaire de spectres En raison de la superposition des pics en spectroscopie du 1 H, un logiciel se charge de déconvoluer les différentes contributions à partir dune base de spectres. Quantification absolue par rapport à la concentration deau prise comme référence interne Glutamate NAA Créatine Choline Glutamine GABA Ins Asp NAAG Tau Lac Spectre = combinaison linéaire des spectres de chaque métabolite. Concentration des métabolites

9 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Pyr/Lac Cycle de Krebs Glucose précurseur = U- 13 C glucose. CG Glutamate Glutamine Vitesses de réactions biochimiques Détection par spectroscopie RMN des cinétiques denrichissement 13 C du glutamate sur les carbones C4 (1 er tour) et C3 (2 nd tour). Marquage isotopique au 13 C Incorporation du 13 C du glucose dans les différents intermédiaires de la glycolyse puis du cycle de Krebs. U- 13 C 13 C3 13 C4 V Krebs VXVX V cycle 13 C4 13 C3 13 C isotope stable du carbone, détectable en RMN (contrairement au 12 C) faible abondance naturelle : 1,1 %

10 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Estimation de V Krebs Cinétique dincorporation du 13 C dans le pool de glutamate* Modèle mathématique : conservation de la masse et du 13 C équations différentielles couplées résolues numériquement pour une valeur donnée de V Krebs Glu*(t) Itération de V Krebs pour minimiser la différence modèle/points expérimentaux Temps dinfusion signal 13 C (Glu * ) V Krebs (4) V Krebs (3) V Krebs (2) V Krebs (1) V Krebs Vitesses de réactions biochimiques

11 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Detection directe 13 C Detection indirecte 1 H-{ 13 C} durée dacquisition = 17.5 min gain de sensibilité dun facteur 5 à C 1 H 3 -CH 2 OH Comparaison de sensibilité pour du [2- 13 C]ethanol à 4.7T [Novotny et al., MRM 1990] Détection directe ou indirecte du 13 C ? durée dacquisition = 2.1 min Vitesses de réactions biochimiques

12 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Détection indirecte 1 H-{ 13 C} Couplage hétéronucléaire J CH Comme des dipôles magnétiques, les spins nucléaires 1 H et 13 C interagissent. Ce couplage dipôle-dipôle se manifeste par une démultiplication des raies : Raie 1 H- 12 C Raies 1 H- 13 C J CH Lorsque un métabolite senrichit en 13 C : Diminution de la raie-mère T T0T0 Vitesses de réactions biochimiques Accroissement des raies-satellites

13 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Spectre de base PRESS : Spectres de difference : (base - spectres dynamiques) Glu-H 4 Glu-H 3 Stabilité du signal et de lanimal Conditions : Détection des 1 H Glu 13 C4 et Glu 13 C3 Vitesses de réactions biochimiques

14 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Analyse des spectres de différence Détection simultanée e b c d a apparition des raies 1 H- 13 C (en négatif) diminution des raies 1 H- 12 C (en positif) Spectre de différence Résultat de lanalyse Résidus de lanalyse Profil correspondant à lincorporation de 13 C en position C4 du glutamate Profil correspondant à lincorporation de 13 C en position C3 du glutamate Vitesses de réactions biochimiques

15 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Glutamate 13 C (en mM) temps dinfusion (en min) Glu C4 Glu C3 Mesure de V Krebs dans le cerveau de macaque macaques contrôle : V Krebs = 0.55 ± 0.04 mol.g -1.min -1 (n=4) Vitesses de réactions biochimiques

16 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Corrélation avec la TEP La 18 FDG-TEP en bref KG Glutamate Glutamine Pyr/Lac Cycle de Krebs Glucose-6-P 18 FD V Krebs VXVX V cycle Glucose 18 FD CMRglc CMRglc = vitesse de consommation cérébrale de glucose = métabolisme glycolytique V Krebs = métabolisme oxydatif

17 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Mesure de CMRglc dans le cerveau de macaque par 18 FDG-TEP macaques contrôle : CMRglc = 0.24 ± 0.01 mol.g -1.min -1 (n=2) Doù un ratio CMRglc/V Krebs = 0.44 Radioactivité du 18 FDG (en kBq/mL) temps dinfusion (en min) activité totale 18 F contribution du 18 FDG-6-P contribution du 18 FDG Recalage IRM/ 18 FDG-TEP Corrélation avec la TEP

18 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Application à la maladie de Huntington La maladie de Huntington (MH) Sujet sain Malade Images Gwenaëlle Douaud CEA-SHFJ Maladie génétique Vulnérabilité des neurones striataux Huntingtine mutée Ht Atrophie du striatum Objectifs : Exploration des altérations du métabolisme cérébral Diagnostique précoce Développement pharmacologique sur modèle animal Suivi thérapeutique chez lhomme

19 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Modèle dintoxication à lacide 3-NP Le modèle primate de la MH ADP ATP H+H+H+H+ H+H+H+H+ NADH NAD Cycle de Krebs SDH SDH Le cycle de Krebs = synthèse oxydative dATP Mitochondrie Acétyl CoA Glucose Modèle de neurodégénérescence sélective du striatum 3-NP inhibition Application à la maladie de Huntington

20 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Protocole Macaques (macaca fascicularis, poids ~7kg, n=4) 22 Semaines dintoxication chronique au 3-NP (~25 mg/kg/jour) Anesthésie au propofol i.v. et ventilation Monitorage Maglife (ECG, PNI, PO2, capno) Objectifs Suivi longitudinal des altérations métaboliques accompagnant la dégénérescence : 1.quantification absolue des métabolites 2.mesure du métabolisme oxydatif V Krebs par spectroscopie RMN du glucose marqué au 13 C 3.corrélation avec la mesure du métabolisme glycolytique CMRglc par 18 FDG-TEP et les données morphométriques. Application à la maladie de Huntington

21 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Conclusion Du développement méthodologique à la recherche clinique : Rats sains et intoxication 3-NP aigüe et chronique : Macaques sains et intoxication 3-NP chronique À partir de 2004 : Sujets sains et patients MH symptomatiques G. Douaud CEA-SHFJ P. Brugière CHU Mondort Créteil Diminution de V Krebs de 18%

22 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Suivi des primates au long de lintoxication chronique au 3-NP et exploitation des résultats. Passage à lhomme avec des sujets sains puis des malades en collaboration avec lHopital Henri Mondort (Créteil) Suivi thérapeutique sur des patients greffés. Conclusion Perspectives Etude des métabolismes oxydatif (V Krebs ) et glycolytique (CMRglc) pendant lactivation cérébral. Combinaison avec la spectroscopie 31 P pour létude du couplage mitochondrial synthèse dATP/cycle de Krebs. Combinaison avec la spectroscopie de diffusion pour suivre la compartimentation des métabolites. Mais aussi :

23 JJC03 : Session Imagerie : Métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN Remerciements Vincent Lebon Laurent Besret Julien Valette Françoise Vaufrey Eric Giacomini Velislav Slavov Gwenaëlle Douaud Pierre Brugière Emmanuel Brouillet Pierre-Gilles Henry Philippe Hantraye Gilles Bloch Jacques Bittoun


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