L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est déjà largement utilisée en médecine à des fins diagnostiques. L'IRM hyperpolarisée est un développement plus récent et son potentiel de recherche et d'application n'a pas encore été pleinement exploré. Des chercheurs de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM) ont maintenant dévoilé une nouvelle technique d'observation des processus métaboliques dans le corps. Leur méthode d'IRM à contraste singulet utilise du parahydrogène facilement produit pour suivre les processus biochimiques en temps réel. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans Angewandte Chemie Édition Internationale et choisi par la rédaction comme "hot paper", c'est à dire., une publication importante dans un domaine en développement rapide et très important.

Au cours des dernières décennies, l'utilisation de l'IRM pour les examens médicaux est devenue une pratique courante. Il peut être utilisé pour étudier les tissus mous du corps tels que le cerveau, disques intervertébraux, et même la formation de tumeurs. "Les images IRM peuvent nous montrer la structure du cerveau, par exemple, mais ils ne nous disent rien sur les processus biomoléculaires se produisant dans le corps, en partie à cause de la faible sensibilité de l'IRM, " a déclaré le Dr James Eills, premier auteur de l'étude et membre du groupe de travail dirigé par le professeur Dmitry Budker à JGU et HIM.

Utiliser des atomes d'hydrogène au lieu d'isotopes de carbone ou d'azote

Une façon d'améliorer considérablement les signaux IRM est l'hyperpolarisation. Cela permet d'obtenir un alignement significatif des spins nucléaires générateurs de signaux à l'aide d'un champ magnétique externe. L'IRM à hyperpolarisation est déjà utilisée pour étudier les processus biomoléculaires dans le corps; Malheureusement, l'utilisation de l'isotope du carbone C-13 ou de l'isotope de l'azote N-15 est associée à certains inconvénients. "Ce serait donc un avantage considérable si nous pouvions utiliser directement les atomes d'hydrogène. L'hydrogène a une plus grande sensibilité, est plus abondant, et l'équipement de détection est facilement disponible, " a déclaré Eills. Un inconvénient de l'hydrogène, cependant, est son temps de relaxation rapide. Cela signifie que les atomes hyperpolarisés reviennent à leur état d'origine si rapidement qu'il est difficile de générer des images.

Le Dr James Eills et ses collègues ont abordé ce problème en utilisant un état quantique spécial des noyaux d'hydrogène appelé état singulet, qui dérive de ce qu'on appelle le parahydrogène. "Cela signifie que nous avons pu surmonter les inconvénients de l'imagerie protonique hyperpolarisée, notamment celles relatives au temps de relaxation court, " a expliqué Eills. Alors que l'hydrogène a généralement un temps de relaxation de quelques secondes, cela peut être de quelques minutes dans le cas d'états singulets. L'état singulet est également non magnétique et ne peut donc pas être observé. Elle ne peut être observée que lorsque la molécule n'est plus symétrique.

Lorsque le fumarate est utilisé, le métabolisme déclenche l'hyperpolarisation

Dans l'étude en discussion, les scientifiques décrivent leur technique d'IRM en contraste singulet utilisant le fumarate, une biomolécule naturellement présente en tant que produit intermédiaire du métabolisme. D'abord, le fumarate est produit à partir d'une molécule précurseur et de parahydrogène. Le fumarate hyperpolarisé est transformé en malate par l'ajout d'une molécule d'eau lourde. Cette conversion élimine la symétrie de la molécule, le rendant magnétique et détectable. "Ensuite, nous pouvons utiliser les signaux magnétiques associés pour l'imagerie, " a souligné le Dr James Eills.

Le fumarate marqué au carbone-13 est déjà une molécule qui joue un rôle important dans l'imagerie hyperpolarisée. Ce travail ouvre la possibilité de réaliser une imagerie fumarate avec tous les avantages de l'observation de l'hydrogène plutôt que du cabon-13. De plus, l'utilisation de parahydrogène serait également bénéfique du fait qu'il peut être facilement produit :L'hydrogène gazeux est simplement refroidi en présence d'un catalyseur, qui est ensuite supprimé. Le parahydrogène résultant peut ensuite être réchauffé et reste stable à l'état para pendant des mois.

"L'IRM hyperpolarisée en est aux premiers stades de son développement, et notre contribution est une nouvelle variante IRM passionnante, " a conclu Eills. Il est possible d'enregistrer des images du signal hyperpolarisé à différents moments, qui permet le suivi en temps réel des processus métaboliques.

« La combinaison de la polarisation induite par le parahydrogène avec des états de spin à longue durée de vie et la conversion enzymatique ouvre enfin la porte à une imagerie par résonance magnétique rentable du fumarate et des marqueurs tumoraux similaires dans le métabolisme du cancer, " a ajouté le professeur Gerd Buntkowsky, chef du groupe de chimie physique de la matière condensée à la TU Darmstadt et auteur correspondant de l'ouvrage.