Tumeurs, l'inflammation et les troubles circulatoires perturbent localement l'équilibre acido-basique de l'organisme. Ces changements de valeur du pH pourraient être utilisés par exemple pour vérifier le succès des traitements contre le cancer. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y a pas eu de méthode d'imagerie pour rendre ces changements visibles chez les patients. Aujourd'hui, une équipe de l'Université technique de Munich (TUM) a développé un capteur de pH qui rend les valeurs de pH visibles grâce à l'imagerie par résonance magnétique (IRM) - de manière non invasive, manière sans rayonnement.

Il y a quatre ans, lors d'une expérience de résonance magnétique avec des cellules tumorales, Le physicien du TUM, le Dr Franz Schilling, a découvert des signaux provenant d'une molécule très sensible aux changements de pH. La molécule, qui a été identifié comme étant de l'acide zymonique lors d'enquêtes ultérieures, pourrait jouer un rôle important dans l'avenir de l'imagerie médicale. En tant que biocapteur pour les valeurs de pH, cela pourrait fournir des informations sur le corps qui étaient impossibles dans le passé.

« Une méthode d'imagerie pH appropriée permettrait de visualiser des changements anormaux dans les tissus et plus précisément les processus métaboliques des tumeurs, " explique Franz Schilling. Les zones entourant les tumeurs et les inflammations sont généralement légèrement plus acides que les zones entourant les tissus sains, un phénomène possiblement lié à l'agressivité des tumeurs. Schilling voit d'autres utilisations potentielles dans les pronostics thérapeutiques :« les valeurs de pH sont également intéressantes lorsqu'il s'agit d'évaluer l'efficacité des traitements contre les tumeurs. Avant même qu'une tumeur traitée avec succès ne commence à rétrécir, son métabolisme et donc la valeur du pH de la zone environnante pourraient changer. Une méthode d'imagerie du pH appropriée indiquerait à un stade beaucoup plus précoce si la bonne approche a été sélectionnée ou non."

Schilling est maintenant directeur du groupe de travail pour l'imagerie préclinique et la physique médicale à la clinique et à la polyclinique de médecine nucléaire de la TUM Klinikum rechts der Isar. Au cours des années passées, il s'est associé à des collègues des départements de physique, Chimie et médecine pour rechercher l'acide zymonique comme biocapteur. Dans la revue Communication Nature l'équipe décrit comment il peut être utilisé pour représenter de manière fiable les valeurs de pH dans le corps de petits animaux.

IRM-Imagerie avec contraintes de temps

Afin de rendre les valeurs de pH visibles à l'aide d'acide zymonique, la molécule est injectée dans le corps, puis un examen par imagerie par résonance magnétique (IRM) est effectué sur le tissu objet. En termes très simplifiés :dans un champ magnétique puissant, les ondes radio excitent les spins nucléaires de l'acide zymonique à une oscillation. Les réactions des noyaux sont alors enregistrées. Ces données sont utilisées pour calculer des spectres de fréquence qui fournissent à leur tour des informations sur les propriétés chimiques de l'environnement moléculaire des noyaux. Finalement, la valeur du pH à n'importe quel endroit examiné dans le tissu peut être représentée sur la base des changements moléculaires dépendant du pH dans l'acide zymonique.

L'acide zymonique doit être marqué au carbone 13 pour être visible sur les images IRM. Cela signifie que les molécules contiennent 13 atomes de carbone (13C) au lieu de 12 atomes de carbone "normaux". Mais l'acide zymonique ainsi marqué n'est toujours pas mesurable :son signal IRM est trop faible. « Nous utilisons donc une méthode relativement nouvelle, hyperpolarisation, " explique Stéphane Düwel, physicien et premier auteur de l'étude. "Nous utilisons un dispositif spécial pour transférer la polarisation des électrons aux noyaux atomiques 13C à l'aide de micro-ondes à très basse température, qui se traduit par un signal IRM jusqu'à 100, 000 fois plus fort." Un liquide chaud est ensuite utilisé pour ramener rapidement l'acide zymonique à température ambiante.

Après ça, les scientifiques doivent agir rapidement. Le biocapteur est injecté par voie intraveineuse dans l'organisme, puis l'IRM doit être réalisée immédiatement :il ne faut que 60 secondes pour que l'effet amplificateur de signal de l'hyperpolarisation s'estompe à nouveau. "Nous travaillons actuellement sur l'élargissement de cette fenêtre de temps, " dit Düwel. " D'une part, nous essayons d'améliorer les propriétés IRM de l'acide zymonique avec des modifications appropriées à la molécule; D'autre part, nous recherchons d'autres molécules sensibles au pH, " explique le biochimiste Christian Hundshammer, deuxième auteur de l'étude.

Avantages par rapport aux autres approches

Franz Schilling et son équipe ont réussi à montrer que leur méthode est suffisamment sensible pour représenter des changements de valeur de pH médicalement pertinents dans l'organisme. En utilisant l'acide zymonique, il est en outre possible d'étudier spécifiquement la valeur du pH à l'extérieur de la membrane cellulaire :avec d'autres biocapteurs, il n'est souvent pas clair si les changements mesurés ont lieu à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule (intracellulaire ou extracellulaire). Ceci est important car la valeur intracellulaire est généralement stable, tandis que les changements dans le métabolisme ont un impact beaucoup plus important sur la valeur extracellulaire.

Contrairement aux méthodes optiques, qui se limitent à une pénétration superficielle dans l'organisme en raison de la faible transparence des tissus, il n'y a pas de limites à la profondeur de pénétration pour l'IRM. Il a en outre été démontré que l'acide zymonique n'est pas toxique dans les concentrations utilisées avec les petits animaux et est également créé à de faibles concentrations en tant que sous-produit du métabolite acide pyruvique qui est présent dans le corps.

"Nous pensons que l'acide zymonique est un biocapteur très prometteur pour les applications des patients, " dit Franz Schilling. Pour l'instant, cependant, des études précliniques complémentaires sont prévues afin de vérifier les avantages de ce nouveau biomarqueur d'imagerie par rapport aux méthodes conventionnelles et d'améliorer encore la résolution spatiale de l'imagerie pH.