Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir de l'agent infectieux dans l'hôte

Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir

de l'agent infectieux dans l'hôte

Serge BERNARD

UR 1282 – IASP 311Centre INRA de Tours

37380 [email protected]

Master 2 – Infectiologie

10 Septembre 2008

l'agent infectieux dans l'hôte

- agent infectieux

- l'hôte : modèle infectieux

méthodes d'imagerie

- Image

- Imagerie médicale :

- Signaux intrinsèques

- Traceurs

Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir de l'agent infectieux dans l'hôte

Agent infectieux

Ce terme décrit tout agent ayant la capacité de provoquer une infection

Agents Infectieux : Définitions

Infection

Une infection est caractérisée par l'invasion anormale de

l'organisme par un agent étranger (considéré alors comme agent

infectieux). Cet agent infectieux (bactérie ou virus) a un pouvoir

pathogène plus ou moins important : il en résulte une maladie

infectieuse.

Pathogenèse (syn. : pathogénie)

La période pendant laquelle la maladie apparaît, où les différents mécanismes se mettent en place pour aboutir à la maladie

La virulence est une notion quantitative

alors que

le pouvoir pathogène est une notion qualitative.



Manifestations de l’infection

-multiplication de l’agent infectieux, et/ou invasion de l’organisme

-lésions élémentaires des cellules et tissus

-troubles métaboliques, perturbations hémodynamiques et

circulatoires

-inflammation, réaction du système immunitaire

-oncologie (cancérologie), dysgénèses (malformations et embryo-

fœtopathies)

-> Ce sont ces manifestations (de la cellule à l’organe) que l’on pourra suivre

Suivi de l’agent infectieux :

- Animal : Infection naturelle / Infection expérimentale

- Modèles animaux : Plans expérimentaux affinés pour

analyser et décrypter un ou plusieurs facteurs

déterminés

- Infection expérimentale

- Suivi expérimental

- Prélèvements, analyses, …..

-=> Créer des connaissances nouvelles

Hôte : Modèles animaux

Suivi de l’agent infectieux :

- Homme : Infection naturelle

Pourquoi un modèle animal ?

L’ animal va permettre d’étudier dans des conditions de laboratoires

contrôlées, sur des animaux adaptés (trangénèse, KO, ….) les

causes , les processus et les traitements éventuels d’une pathologie

Qu’est ce qu’un modèle ?

Représentation simplifiée d’un processus ou d’un système qui ne

peut pas être étudié pour des raisons éthiques ou techniques sur

l’original.

Intérêt des modèles animaux

Agents Infectieux : Modèles animaux

L’analogie d’un modèle animal avec la pathologie humaine (ou animal)

correspondante doit satisfaire au critère d’isomorphisme

SymptômesLe modèle animal doit présenter des symptômes identiques avec ceux de la pathologie humaine compte tenu des différences anatomiques, physiologiques ...

Qu’est ce qu’un « bon »modèle ?



Symptomes

MécanismesLa connaissance initiale ( souvent faible) des mécanismes de la pathologie permet une comparaison qui s’affine avec l’utilisation du modèle ( et donc une meilleure connaissance des mécanismes)




Symptômes

Mécanismes

Causes les causes de la pathologie humaine n’étant pas toujours connues (exemple maladies neurodégénératives) la comparaison est souvent délicate et l’analogie difficile à établir

Symptômes

Mécanismes

Causes

TraitementsSi l’on dispose de pharmaceutiques dont on connaît l’effet sur la pathologie humaine , le modèle animal doit également y répondre de la même manière.





il n’existe pas de modèle parfait et il faut se garder d’extrapoler trop directement des résultats obtenus chez

le rongeur

Tout dépend du niveau de complexité et de globalité que l’on

souhaite étudier- Expression génique- Observation cellulaire- Organisation tissulaire- Interaction cellulaires et tissulaire- …. - Réaction globale de l’organisme


Autres critères de choix

- Problèmes

économiques,

- Problèmes logistiques,

- Problèmes éthiques


Malheureusement, pour certaines études, et notamment pour l’évaluation pré-clinique des nouvelles thérapeutiques, il n’est pas possible de s ’affranchir des études sur modèles animaux.

Remplacement

Réduction

Raffinement


Expérimentation animale et éthique : Règle des 3 R

L’imagerie médicale

"Voir à l'intérieur du corps sans lui nuire"... C’était le rêve d’ Hippocrate, ce médecin grec de l'Antiquité, ….

… rêve devenu réalité de puis la fin du XIXème siècle

L'imagerie médicale est le procédé par lequel un médecin peut examiner l'intérieur du corps d'un patient sans l'opérer.

Utilisation à des fins

- cliniques (diagnostic ou traitement de pathologies)

- de recherche scientifique étudiant la physiologie des

êtres vivants.

Le but de l'imagerie médicale est de créer une représentation

visuelle intelligible d'une information à caractère médical.

Le principe de l'imagerie médicale


L'objectif : représenter sous un format relativement simple une grande

quantité d'informations issues d'une multitude de mesures acquises.

Imagerie : images

Le traitement de l'image


-Transformation d’un signal continu analogique en signal discontinu (digital)

Le traitement de l'imagerie médicale

L’image est véhiculée par des photons et l’ordinateur ne gère que de chiffres entiers.


7 pixels par cm 30 pixels par cm

- La résolution- Le codage- Les couleurs- Les formats

Image matricielle/vectorielle

- La résolution- Le codage- Les couleurs- Les formats

Le codage de l'information

L'information est codée en binaire

un même élément -> 2 états différents : mémoire élémentaire ou bit

1 bit : 2 possibilités 0/1 ou noir/blanc2 bits : 2x2 = 4 possibilités : 00/01/10/113 bits : 2x2x2 = 8 possibilités : 000/001/010/011/100/101/110/1118 bits : 2x2x2x2x2x2x2x2 = (2)8 = 256 possibilités (octet)

10 000 pixels : 10 000 bits

1 bit pour 1 pixel (0 pour noir, 1 pour blanc)

10 000 pixels : 2 560 000 octets

8 bits = 1 octet: 256 possibilités (on dit 256 niveaux de gris)

Codage d'une image en couleurs

La synthèse soustractive de la lumière, ou le mode CMJN

les trois couleurs "primaires" sont le cyan (C) , le magenta (M) et le jaune (J) renforcer par un quatrième passage d'encre noire (N). Les encres déposées sur le papier agissent comme des filtres qui absorbent la lumière.

Une image RVB est composée de la somme de trois rayonnements lumineux rouge, vert, et bleu dont les faisceaux sont superposés.

La synthèse additive de la lumière, ou le mode RVB

La gamme des couleurs reproductibles est très étendue, et reproduit bien les couleurs saturées.mais elle convient mal à la restitution des nuances délicates des lumières intenses et des tons pastels.

Autres espaces : HSL (TSL : Teinte, Saturation, Luminance)

8 bits par couleur : le rouge de 0 à 255 , le vert de 0 à 255, le Bleu de 0 à 255.

addition de ces 3 couleurs primaires en proportions convenables.On obtient ainsi 256 x 256 x 256 = 16777216 (plus de 16 millions de couleurs différentes)

256 octet à partager (palette de 256 couleurs) :- rouge : 0 à 84 , - vert de 0 à 84, - Bleu de 0 à 84

Ces 256 couleurs sont choisies parmi une palette de couleur RVB. Pour chaque image le programme recherche les 256 couleurs les plus pertinentes.

Codage image en couleurs 8 bits en couleurs 24 bits

Image numérique vectorielle

Images décrites par un ensemble de formes

Ex : Rond’coul=bleu,ray10,pos(20,20) + ligne’col=rouge,pos=(10,10), pos=(30,30)

FormatCompression des données

Nb de couleurs

Affichage progressif

Format propriétaire

Usage

BMP Non compressé de 2 à 16 millions

Non Non Image non dégradée mais très lourde. Stokage

JPEG Réglable, avec perte de qualité. Plus compression importante, plus image dégradée.

16 millions Oui Non, libre de droits

Tous usages, selon compression.Images "naturelles".Format destructeur

GIF Oui, sans perte de qualité

de 2 à 256 avec palette.

Oui Brevet Unisys

Logos et Internet.Supporte les animations et la transparence.

TIFF Réglable, au choix sans perte ou avec perte de qualité

16 millions Non Brevet Aldus corporation

Tous sauf Internet

PNG Oui, sans perte de qualité

de 2 à 256 ou 16 millions

Oui Non, libre de droits

Tous, recommandé Internet mais incompatible avec les navigateurs anciens. Supporte la transparence.

Intérêt des techniques d’imagerie in vivo

- Évitent le sacrifice de l’animal- Permettent d’obtenir sur un même et unique animal des images 2D ou 3D - Autorise un suivi dans le temps d’un même animal (non invasif) - Vision globale sur un organe, ou le corps entier - Permet l’étude d’une maladie ou d’un traitement sur un individu, (plus de différences interindividuelles qui nécessitent une normalisation).- Différents techniques à disposition

Imagerie in vivo

Imagerie in vivo

Inconvénients des techniques d’imagerie in vivo

- Vision globale (minimum cellulaire)

- technique apporte des informations spécifiques inhérentes à

l’appareil

- Nécessiter d’utiliser différentes approches (techniques généralement

complémentaires)

- Nécessite un appareillage complexe et onéreux,

- Nécessité d’avoir un appareillage dédié pour les animaux de

laboratoire,

Choix du modèle

Imagerie animal domestique- Evite le sacrifice de l’animal- Pour les mammifères domestiques pas de miniaturisation de l’équipement- Actuellement utilisation des réactifs humains pour l’animal

Imagerie in vivo :

Animal domestique

Souvent son propre modèle

Pas de transposition essai en grandeur

nature

Modèle sur animal de laboratoire

Problèmes économiques,

Problèmes logistiques, Problèmes éthiques

Faible dimension des organes et des structures : Haute résolution spatiale

Imagerie in vivo :

Animal de laboratoire

Faible concentration des molécules à détecter : Haute sensibilité

Anesthésie : Suivi des paramètres physiologiques

- si l’on gagne un facteur 10 en résolution spatiale sur les 3

dimensions, on aura un voxel qui sera 1000 fois plus petit

Ces contraintes imposent le développement d’appareils dédiés à l’imagerie des petits animaux

Principes physiques des différents procédés utilisés en imagerie médicale :

utilisation des ondes électromagnétiques

US

- informations sur l’anatomie des organes (leur taille, leur volume,

leur localisation, la forme d’une éventuelle lésion, etc.)

imagerie structurelle ou anatomique

- informations sur le fonctionnement des organes (la physiologie, le

métabolisme, etc.), pharmacologie, biodistribution, « imagerie

moléculaire ».

imagerie fonctionnelle.

Les différentes techniques d'imagerie médicale

IntroductionL’imagerie médicale



Imagerie anatomique/structurelle

Détection de signaux intrinsèques à l’organisme

- visible

- Imagerie basées sur les rayons X (radiologie conventionnelle, radiologie 3D ou CT-scan, tomodensitomètre, angiographie, ...) - méthodes échographiques (qui utilisent les ultra-sons).

- Imagerie tomographique par résonance magnétique (IRM)

- Imagerie nucléaire (TEP, TEMP) basés sur l'émission de rayons gamma par des traceurs radioactifs,

- imagerie par Fluorescence et Bioluminescence basés sur l'émission

de rayons lumineux par des traceurs fluorescent ou luminescent

-techniques d’électrophysiologies (en particulier en lien avec l'activité nerveuse) ou encore les mesures thermographiques, mais aussi d’IRM fonctionnel (IRMf), ou X avec agents de contraste



Imagerie fonctionnelle/moléculaire

Détection d’un traceur spécifique d’une cible biologique

Les rayons visibles : imagerie Optique ou photonique

Imagerie anatomique

US

L’imagerie optique des tissus se divise en trois catégories principales :

- imagerie de surface

- imagerie sub-surface

- surfaces accessibles du corps : Organes creux internes (cavité

buccale, bronches, tractus gastro-intestinal, vessie, appareil reproducteur féminin)

- endoscopie : émission et/ou captation de la lumière avec une fibre

optique

- imagerie de volume. -biais de sources et de détecteurs de lumière multiples (couplés à de la fibre

optique) placés autour de la cible (exemple sein ou cerveau)

L’imagerie optique des tissus se divise en trois catégories principales :

- imagerie de surface (Observations visuelles, photos- Explorations macroscopiques visuelles, - microscopique de surface

- Prélèvements, Biopsie sous contrôle de la vue


Imagerie anatomique


Imagerie anatomique

Les rayons X (RX) l=10-9 m

Imagerie anatomique

US

Technique de radiographique traditionnelle. Les rayons résiduels (ceux qui auront traversé le corps) provoquent le noircissement du film placé derrière la table de radiographie


•Röntgen, 1896

Imagerie anatomique


Technique nouvelle de radiographieLes films radiographiques peuvent être remplacés par des détecteurs électroniques, ce qui permet une numérisation et donc un traitement informatique des images obtenues en radiographie.


Imagerie anatomique


Radiographie de contraste Il est aussi possible de visualiser certains organes ou parties creuses, habituellement invisibles aux rayons X, en les « remplissant » d’un produit de contraste, opaque aux rayons X.

Technique nouvelle de radiographieLes films radiographiques peuvent être remplacés par des détecteurs électroniques, ce qui permet une numérisation et donc un traitement informatique des images obtenues en radiographie.


Imagerie anatomique

Les rayons X : L’angiographie

Injection dans la circulation d’un produit de contraste opaque aux rayons X -> visualiser la vascularisation

Angiographie numérisée (2007):artères coronaires(1904)

Les rayons X (RX)

Imagerie anatomique : Agents infectieux

Tuberculose pulmonaire

Maladie à champignon chez le chien

Pneumonie à Rhdococcus equi chez le poulain

• Information anatomique

• Bonne résolution spatiale (~ 0,5mm)

• Des précautions doivent être prises pour

– le patient (dose et région exposée bien définies)

– le radiographe (mesure et contrôle des doses subies)

•Représente 70% des actes d’imagerie

La troisième dimension de l’espace est perdue: image = projection 2D de structures 3D

Les rayons X (RX) conventionnels : Bilan

Imagerie anatomique

Imagerie tomographique (3D)

(tomein signifiant « couper » en grec).


Il n’y a pas de solution unique, et de petites différences peuvent provoquer des écarts importants sur les coupes reconstruites.

Reconstruction analytiqueL’unique méthode utilisée est la rétroprojection filtrée (FBP)

Reconstruction itérativeLa plus courante est MLEM (Maximum Likelihood ExpectationMaximization) ou sa version accélérée OSEM (Ordered Subset

Expectation Maximization)

… mais ce n’est pas la seule !

Reconstruction


Reconstruction


Monde des fréquences

Monde de l’image

Monde des fréquences

Le scanner à rayon X- mesure du coefficient d’atténuation des rayons X en balayage (traitement numérique )- restituer une image de la zone étudiée dans les trois plan de l’espace : -Coronale, Sagitale, Transaxiale et 3D.

Les rayons X : Computerized Tomatography (CT) ou Scanner x

Imagerie anatomique

wild type Ang1 mutation

Comparison of liver vasculature between a wild type mouse and mice overexpressing human Ang1. These images were obtained by perfusing the animals with a contrast agent.

Les rayons X : Tomographie (CT)

Imagerie anatomique

Mouse vertebra


Imagerie anatomique

left: tibial metaphysis of a control Wistar male rat.right: tibial metaphysis of an orchidectomised (ORX) rat 16 week after surgery

Fusion d’image

Angiographie par scanner X des artères

fémorales

Reconstitution des surfaces

(artères, pelvis et fémurs)


Imagerie anatomique

Tuberculose

Imagerie anatomique : Agents infectieux


aspergillus Osteomyelitis à Staph

•Information anatomique

•Bonne résolution spatiale (~ 0.5mm)

•Irradiation du patient

•Risques liés aux produits de contraste iodés

•Reconstruction liées aux méthodes utilisées : quantification

très difficile

Les rayons X (CT) tomographie : Bilan

Imagerie anatomique

US

Ultrasons : Échographie

Imagerie anatomique


Imagerie anatomique

MilieuMilieuVitesse de Vitesse de

propagation propagation (m/sec)(m/sec)

AirAir 330330

EauEau 14801480

Tissus mousTissus mous 15401540

OsOs 40804080

- L'onde sonore en déplacement dans un milieu donné est caractérisée par sa fréquence (f) et sa longueur d'onde (l). - Ces 2 caractéristiques permettent de déterminer la vitesse de propagation des sons (v) dans le milieu :

v = l x f

En échographie, les ultrasons

utilisés ont une fréquence qui

varie entre 2 et 40 MHz.

Principe de base : Utiliser le fait que, lors de l’émission d’une vibration mécanique dans un milieu, une partie de l’énergie revient vers « l’envoyeur » en fonction de la nature locale du milieu traversé.


Imagerie anatomique

L’échographie permet d’explorer : - Le coeur,

- les organes digestifs (foie, rate, pancréas, vésicule biliaire), - urinaires (vessie, reins)- génitaux (prostate et testicules, ovaires et utérus)

L’échographie ne permet pas d’explorer : - Le tube digestif et les poumons, - les os - les gaz

Les ondes ultrasonores ont - une très bonne directivité - un pouvoir de se réfléchir à l’interface de milieux ayant des

impédances acoustiques différentes.

A comparison is shown between sagittal UBM images of a wildtype (normal) embryo and a VCAM-1 homozygous null mutant, both at 10.5 days of gestation (approximately equivalent to 4 weeks human). The reduction in cardiac dynamics and pronounced pericardial effusion in the VCAM-1 mutant embryos was obvious onreal-time UBM images.

Ultrasons : Effet Dopler

Imagerie anatomique

La fréquence du signal réfléchi sur une cible diminue si celle-ci s’éloigne (et inversement)

Ultrasons : Bilan

Imagerie anatomique


•Résolution spatiale ~ 1mm

•Très bonne résolution temporelle

•Innocuité, confort

•Coût (comparativement) modéré

Résonance Magnétique Nucléaire : Imagerie IRM

Imagerie anatomique

US


Imagerie anatomique

• Fondée sur les propriétés magnétiques de l’atome d’hydrogène

• Tout noyau porte une charge

• Mouvement de spin autour de l’axe nucléaire

-> l’atome se comporte comme dipôle magnétique

-> moment magnétique M

• En l’absence de champ magnétique extérieur,

-> les moments magnétiques ne sont pas orientés

Comportement dans un champ magnétique

• En présence de champ magnétique extérieur-> les moments magnétiques prennent 2I+1 orientations

-> les moments magnétiques associés aux deux états d’énergie se mettent en mouvement et décrivent deux cônes de précession. Ce mouvement a une vitesse correspondant à une fréquence de précession ω0


Imagerie anatomique

• Orientation parallèleou anti-parallèle au champ• Précession àla fréquence de Larmor ν= γB / 2π• Entre les deux états: ∆E = hν• Aimantation Mz proportionnelle à la densité ρ

C'est cette différence entre les deux niveaux d'énergie qui va rendre possible la détection d'un signal de résonance magnétique. Lorsqu'on augmente l'intensité du champ magnétique, on augmente la différence d'énergie qui existe entre les deux états des spins.

Comportement dans un champ magnétique


Imagerie anatomique

Pour observer la résonance il faut fournir l’énergie d’un second champ magnétique d'intensité 106 fois plus faible que ce qui permet aux noyaux de passer de l'état fondamental à l'état excité.

Lorsque la fréquence de rotation de est égale à la fréquence de précession de spin, il y a résonance.

Il y a basculement des moments magnétiques sur xOy

Résonance magnétique


Imagerie anatomique

Ces temps de relaxation vont varier pour un tissu donné selon l'organisation physico-chimique de l'eau dans ce tissu,

Relaxation


Imagerie anatomique

La mesure de l’évolution des moments Mz et Mxy permet de déterminer les temps de relaxation T1 et T2

- les images « pondérées en T1 » : détection de l’eau peu mobile c’est à dire intracellulaire (souvent utilisées pour l'anatomie, (signal élevé pour la substance grise et faible pour les os par exemple).- les images « pondérées en T2 ouT2* » : détection de l’eau mobile c’est à dire extracellulaire ou intravasculaire (utilisées comme images fonctionnelles)

Toxoplasmose cérébrale chez un sujet infecté par le VIH


Imagerie anatomique

Aimant horizontal de 7 Teslas (fréquence de résonance des protons : 300 MHz) Diamètre d’ouverture : 16 cm Monocanal : proton

Fast spin echo. Body. Subject dimensions: length = 11 cm, diameter = 3 cm. Resolution = 40 µm.

Diet drug effect. T1-weighted spin echo images emphasizing the body fat

•Activation d’une zone -> variation du rapportHb02/Hb-> modification locale du champ magnétique (effet

BOLD)•Soustraction image activation –image contrôle

IRM Fonctionnelle : IRM f

Imagerie anatomique

MRI visualization of diabetes progression (left: normal mouse, right: mouse 3 days away from becoming diabetic)


•Bon contraste entre tissus mous

•Bonne résolution spatiale (~ 1 mm)

•Information fonctionnelle (IRMf et SRM)

•Impraticable dans certains cas

•Temps d’acquisition longs

•Coût élevé

IRM : Bilan

Imagerie anatomique


•Bon contraste entre tissus mous

•Bonne résolution spatiale (~ 1 mm)

•Information fonctionnelle (IRMf et SRM)

•Impraticable dans certains cas

•Temps d’acquisition longs

•Coût élevé

IRM : Bilan

Imagerie anatomique

Imagerie anatomique

Suivi de l’infection : Bilan

- Tissus dur : Os,

- Tissus transparents : Poumons, Circulation …)

Rayons X (RX) conventionnel/(CT) Tomographie :

Ultrasons

liée à une modification anatomiqueConséquence de la multiplication microbienne

- Tissus mous : muscle, tendons

- Cavités : cœur, utérus,

- Circulation : echo DoplerIRM et IRMf

- Tissus mous : graisse (cerveau), muscle, …

- Circulation,

- IRM spectral autres atomes que l’hydrogène

Imagerie anatomique normale

Imagerie fonctionnelle anormale

Imagerie anatomique : des insuffisances

Modifications physiologiques ou biochimiques (sans altération anatomique)

Principe

Imagerie Fonctionnelle

L’imagerie fonctionnelle va donc consister à :

- Identifier le phénomène métabolique ou fonctionnelle;

- Identifier un substrat caractéristique de la fonction métabolique

ou physiologique à étudier : le traceur ;

- “Marquer” ce traceur à l’aide d’un marqueur qui se prête à

une détection externe ;

- Déterminer le devenir du traceur dans l’organisme pour étudier

ainsi la fonction métabolique ou physiologique.











- “Marquer” ce traceur à l’aide d’un marqueur qui se prête à

une détection externe ;

Principe

Imagerie Moléculaire

L’imagerie moléculaire est la visualisation de gènes ou de protéines spécifiques,

ou encore de signaux émanant de ces entités.

frontière entre imageriemoléculaire et imagerie fonctionnelle est

encore actuellement mal définie.

Essentiellement chez le petit animal

Imagerie Optique ou Photonique :

Saul cas particulier, utilisé uniquement in vitro ou in vivo sur souris ou plantes

Imagerie Fonctionnelle/Moléculaire

La Fluorescence :

phénomène naturel qui consiste en l’excitationlumineuse d’un fluorophore qui ré-émet de la lumière en se relaxant.

intérêt : pas de molécule à injecterinconvénient : doit apporter de la lumière

La Bioluminescence :phénomène naturel qui consiste en l’excitation

chimique d’un fluorophore qui émet de la lumière en serelaxant.

intérêt : pas d’excitation lumineuse externe quipourrait entraîner des artéfacts

inconvénient : doit apporter le substrat (injection)

Imagerie Optique ou Photonique :


Imagerie Optique ou Photonique :BioluminescenceBioluminescence


Certains organismes vivants possèdent la capacité étonnante d'émettre de la lumière. Ce phénomène s'appelle la bioluminescence

Imagerie Optique ou Photonique :FlurorescenceFlurorescence


Imagerie Optique ou Photonique :Fluorescence/Bioluminescence BilanFluorescence/Bioluminescence Bilan


Information Fonctionnelle

- Imagerie de l’expression génique

- Résolution spatiale correcte (~ 1-2 mm)

- Grande absorption des photons par les organes

- Utilisable uniquement sur souris (blanche)

La troisième dimension de l’espace est perdue: image = projection 2D de structures 3D

Suivi de l’infection- Localisation de l’agent infectieux (fluo-bioluminescene)- Perturbation du métabolisme- Ciblage spécifique

Imagerie Radioactive : Marquage du traceur


US

Imagerie Radioactive : Marquage du traceur


Propriétés du radiotraceur :

• Être spécifiques d'un organe, d'une fonction ou d'une pathologie.

• Avoir une période courte et une énergie

• Ne pas être toxiques (biologique et radiotoxicologique)

• Utilisés à de très faible concentration de manière à ne pas modifier le

métabolisme de l'organe étudié.

• Avoir une cinétique équivalente à la substance mère

• Etre stable (détection du seul métabolisme pour lequel il est employé)

- Phénomène physique naturel : recherche spontanée d’une

stabilité nucléaire

- Le noyau d'un isotope radioactif se transforme spontanément

en un noyau d'un isotope plus stable

- La désintégration dégage de l'énergie sous forme de

rayonnements.

L’énergie dégagée par ces rayonnements est une constante du

nucléide et exprimé en Kev.

Généralités : Radioactivité

Les Rayonnements ionisants

- particules alpha (noyaux d’hélium)- très ionisantes, peu pénétrantes - parcours trop faible dans les tissus -> non adaptés à une détection externe

- Électrons- ionisants, libre parcours moyen très faible dans les tissus -> utilisés en radiothérapie pour détruire des cellules

- photons gamma, résultant de désexcitation d’un noyau instable- annihilation de positons (électrons béta+) -> pénétrants donc adaptés à une détection externe

Les neutrons

Mesure de l'effet biologique- En fonction des effets spécifiques de chaque rayonnement sur la matière vivante,les dégâts occasionnés (effet biologique) s'appelle équivalent de dose (Unité : Sievert (Sv)

Unités : quelques définitions

Activité d’un échantillon- nombre moyen de désintégrations par unité de temps (unité : le

becquerel, Symbole : Bq, 1Bq correspond à une désintégration/sec).

Dose absorbée- quantité d'énergie reçue par ce corps. (unité utilisée : le Gray (Gy), correspond à une énergie de 1 joule par kg de matière irradiée). si on fait intervenir le temps : débit de dose 1 Gy/h

La période radioactive (Demi-vie t1/2)

La période radioactive (T) est le temps pour lequel la moitié des atomes initiaux disparaissent. (constante spécifique du nucléide)

NT = No . e (- . T)

T = 0.693 / Ln(NT/N0)=-

Imagerie Radioactive : Emetteur


Deux types d’isotopes radioactifs sont utilisés en médecine nucléaire

• les émetteurs γ (Imagerie 2D, Tomographie par Émission

MonoPhotonique TEMP ou SPECT)

• les émetteurs β+ (Tomographie par Émission de Positons)

Imagerie Radioactive : Scintigraphie


Comment transformer un rayonnement gamma en signal électrique ?

Imagerie scintigraphique : Contraintes


Les plus utilisés des émetteurs gamma sont le technétium 99mTc, le thallium 201Tl, le xénon 133Xe, l’iode 131I, l’indium 111In .

IsotopesIsotopes Energie gamma (keV)Energie gamma (keV) Demi-vie physique Demi-vie physique (heures)(heures)

Technétium Technétium 99m99mTcTc 140140 6 6

Iode Iode 123123II 159159 13 13

Thallium Thallium 201201TlTl 75 et 13575 et 135 73 73

Xénon Xénon 133133XeXe 8181 127 127

Indium Indium 111111InIn 173 et 247173 et 247 67 67

Imagerie scintigraphique : Choix de l’émetteur


Localisation et quantification d’un radiotraceurinjecté au préalable dans l’organisme

Hyperthyroïdïe

Agent Pathogène : Marquage direct

Listeria monocytogenes / Ovin

Agent Pathogène : Marquage indirect

Localisation des foyers infectieux (Staphyloccoques) dans la mamelle de la chèvre

par les PMN autologues

Trait ClodronateTmoin

Dcubitus Latral

Dcubitus Ventral

Décubitus

Latéral

Décubitus

Ventral

Traité ClodronateTémoin

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

5min

1 h 20 h 5min

1 h 20 h 5min

1 h 20 h

Post inoculation Time

Radio-activity (% injected)

Non traited Traited

Liver Lungs Spleen

Agent Pathogène : Activité de molécules

pharmacologiques

Capture de Salmonella après destruction de l’activité phagocytaire pulmonaire ovine par du clodronate

Imagerie scintigraphique : Imagerie Tomographique SPECT


Imagerie Tomographique d’émission de positrons

PET


Imagerie PET : Collimation électronique


fenêtre de coïncidence de 5 à 20 nano sec

Traceur: FDG [18F]fluoro-2-deoxy-glucose

In vivo PET imaging of TK2 expression in transduced and wild-type U87 xenografts in mice at 2 hours after [124I]FIAU administration.

The paradigm of HSV1-TK Reporter Gene Imaging

Information fonctionnelle ou métabolique

Résolution spatiale > mm

Matériel radioactif

- Approvisionnement

- Protection des manipulateurs et Irradiation du patient

Coût élevé

Suivi de l’infectionLocalisation de l’agent infectieux (radio)Perturbation du métabolismeCiblage spécifique

Imagerie radioactive : Bilan


1 ms.

1/10 s.

0.5 mn.

20 mn.

0.25 mm.

0.5 mm.

1 mm.

5 mm.

Temporal resolution

Spatial resolution

X-Ray

MRI CT

Echography

SPECT

PET

MEG / EEG

- Ne jamais oublier qu’une image reste une image, - Que le cerveau l’analyse en fonction de ce qu’il connaît- L’interprétation des images même en imagerie médicale n’est donc pas objective

Serge BERNARD, INRA UR1282, IASP 311 37380 NouzillyTel : 02 47 42 78 [email protected]

Les protons alignés dans le champ magnétique sont représentés par un vecteur de magnétisation M qui a deux composantes, - la magnétisation longitudinale Mz - la magnétisation transversale Mxy

Résonance magnétique

Si les protons rentre en résonnace résonance (fréquenceH1):- Mz égale 0- Mxy est maximum


Imagerie anatomique

Relaxation


Imagerie anatomique

Si on supprime le champ H1, le vecteur M a tendance à revenir à sa position initiale

- colinéaire à l'axe Oz- My et Mx se déphase et tend alors vers 0, - Mz croît

La relaxation longitudinale

Le retour de Mz à sa valeur de départ Mo est exponentielle : Mz (t) = Mo (1 - e -t/T1 )

Cette relaxation longitudinale, dite relaxation T1 ou encore relaxation "spin-réseau".

Relaxation


Imagerie anatomique

T1

M12/3 Mo

T1 dépend de la mobilité des atomes d'hydrogène ou de celle des molécules où ils sont engagés.

T1 sera d'autant plus court que ces hydrogènes seront liés à de grosses molécules.

La relaxation transversale

Le retour de Mxy vers 0 est exponentiel Mxy (t) = Mo e-t/T2.

Ces temps de relaxation vont varier pour un tissu donné selon l'organisation physico-chimique de l'eau dans ce tissu, et c'est sur ces variations que l’on s'appuie pour détecter au sein d'un tissu les modifications liées à la présence d'une lésion.

Cette décroissance se caractérise par le temps de relaxation T2 (encore appelé temps de relaxation "spin-spin").

Relaxation


Imagerie anatomique

Imagerie structuraleImagerie structurale Informations anatomiquesInformations anatomiques

La région explorée est-elle normale ?La région explorée est-elle normale ? Existe-t-il une structure anormale ?Existe-t-il une structure anormale ? Quelles sont ses dimensions ?Quelles sont ses dimensions ? Où se trouve-t-elle exactement ? Où se trouve-t-elle exactement ? Prend-elle la place d’une autre structure ?Prend-elle la place d’une autre structure ? Est-elle de forme régulière ou irrégulière ?Est-elle de forme régulière ou irrégulière ? Est-elle homogène ou hétérogène ?Est-elle homogène ou hétérogène ?

Radiologie, échographie, IRM

Imagerie fonctionnelleImagerie fonctionnelle

Informations sur le fonctionnementInformations sur le fonctionnement La fonction étudiée est-elle normale ?La fonction étudiée est-elle normale ? Est-ce un hypo- ou hyperfonctionnement ?Est-ce un hypo- ou hyperfonctionnement ? L’anomalie est-elle globale ou partielle ?L’anomalie est-elle globale ou partielle ? Porte-t-elle sur l’intensité du fonctionnement ? Porte-t-elle sur l’intensité du fonctionnement ? Porte-t-elle sur le moment de survenue ?Porte-t-elle sur le moment de survenue ? Est-elle modifiée par une action ?Est-elle modifiée par une action ?

Médecine Nucléaire, IRMf

Documents

Limite des méthodes d'imagerie pour suivre le devenir de l'agent infectieux dans l'hôte