Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de ... CERF-2013.pdf · Nanotechnologies en IRM...
Transcript of Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de ... CERF-2013.pdf · Nanotechnologies en IRM...
Nanotechnologies en IRM : les produits de contraste de demain ?
W. Gonzalez, Recherche Guerbet, [email protected]
MODULE NATIONAL D'ENSEIGNEMENT DE TECHNOLOGIES AVANCEES
Collège des Enseignants de Radiologie de France (CERF), Mercredi 17 avril 2013
www.guerbet.com
2/77
Guerbet in few words…
French company, based near Paris (Villepinte)
Specialized in contrast agent for medical imaging (Xray, MRI)
Turn Over 2011: 378 M€, 70 % outside France
1400 employees (210 in R&D)
Investment in R&D : 11 % of the sales
Market share: Europe : 25 %, ROW : 8 %
20 millions of doses produced in the world
Anatomical, Functional, Molecular Imaging Moving to a Mechanistic Imaging
Yesterday Today Tomorow
Macro/micro Anatomy, Function
Size, volume, localisation,
Vascularity, permeability, extracellular space, cell
density, temperature, …
Anatomy Function Molecular/Cellular Imaging
The future
Metabolism, Receptor /
transporter, Cellular uptake,
Enzymatic activity ….
Nanotechnologies en imagerie
Imagerie méléculaire et cellulaire
Voies de développements… et contraintes industrielles
Exemples de la littératures
Conclusion
1
3
4
5
2 Le challenge: compromis sensibilité / biodistribution
1
Nanotechnologies en imagerie
Imagerie méléculaire et cellulaire
Voies de développements… et contraintes industrielles
Exemples de la littératures
Conclusion
1
3
4
5
2 Le challenge: compromis sensibilité / biodistribution
1
MR Imaging Probes for Molecular Imaging Terminology
Molecular Imaging: Number of publications on Medline according to the different imaging modalities
Highest number publications TEP Tracers
Optical Imaging : mainly experimental imaging
Nanotechnologies en imagerie
Pourquoi avoir recours aux nanotechnologies ?
Voies de développements… et contraintes industrielles
Exemples de la littératures
Conclusion
1
3
4
5
2 Le challenge: compromis sensibilité /
biodistribution/pharmacocinétique
1
Imaging modalities performances
PET /
SPECT MRI CT
Optical
Imaging UltraSound
Spatial Resolution - ++ ++++ +++ +++
Intrinsic tissue contrast 0 +++ + 0 +
Temporal Résolution +/- ++ +++ ++++ ++++
Tissue penetration +++ +++ +++ - - - ++
Sensibility for tracer
detection
++++
(radiotra)
+++
(Gd/Fe)
+
(I)
++++
(fluo)
+++
(µbubbles)
Size of tracers
⃝
⃝ ⃝ 1-10 nm 1 à 300 nm 1-2 nm 1-30 nm 1 µm
Difference in spatial and temporal resolution
Difference in sensitivity (huge range of doses)
Difference of size of the tracers
Molecular Imaging in MRI : A sensibility issue
Concentrations from 100
mM to 10 mM are
necessary to obtain a MRI
signal with conventional
MR contrast agents.
Receptors or enzymatic
systems expressed in
pathological tissue are in
the range of 1mM to1nM.
Sensitivity Issue
Widespread use
10 000 MRI in US
High Spatial Resolution
Multi-contrast
No irradiation
Why MRI ?
How to reach the nanomolar sensitivity ? Optimisation of all the imaging parameters
Image Post-processingImage Post-processing
Instrumentation : coils
Magnetic Field Bo
Contrast Agent
Magnetic Field Bo
Contrast Agent
µM
nM
MRI
Nuclear
MedicineAcquisition methods
• T1w CA
• Susceptibility CA
• X Nuclei : 19F
H H
O Gd3
+
H H
O
S
H H
O
M
R
H H
O
D
Sphère interne
= interaction directe
Sphère externe
= diffusion H H
O
H H
O
H H
O
PARAMAGNETISME
DIAMAGNETISME
Ce n’est pas l’agent de contraste que l’on voit,
mais les protons de l’eau qui l’entoure !
1,2
1,2 10,20
1 1r Gd
T T
Relaxivité r
(s-1.mM-1 )
Signal
Concentration
1 nm
r1 4 s-1.mM-1
Comment
augmenter la
relaxivité ?
Une
histoire
de taille
~ 5 nm
Macromolécule ralentie Dendrimère
~ 10 nm
+ + +
+ +
+ + +
+ +
Particules de fer
(Sinerem®)
~ 30 nm
Gd Emulsions/Liposomes
~200nm
r1 = 50 à 2.000.000 s-1.mM-1 !!!
Contraste 1/4 Agents de contraste T1
preinjection 24h postinjection
USPIO
Lymph Nodes métaS
+
Healthy
Moment magnétique élevé
Minuscules « aimants » avec un très fort moment magnétique (saturé dès 0.5 T) distorsion du champ magnétique local autour de l’ USPIO
Écho de gradient pondéré T2* (effets T2 et T2* ++, effets T1 à faible concentration)
Exportation de l’artefact de susceptibilité au delà du voxel
10 à 1000 fois plus sensible que les chélates de Gd conventionnels r1particule = r1molécule x nb Fe
Particules de fer (SPIO, USPIO)
Cristal = Structure Spinelle (réseau d’oxygène)
XO.Y2O3 Magnétite : X,Y = Fe Fe3O4
X : cation divalent (Fe2+, Co2+, Mn2+, Zn2+)
Y : cation trivalent (Fe3+, Al3+)
COATING : taille, hydrophilie, charge BIODISTRIBUTION (demi-vie plasmatique, tropisme macrophagique)
+ + +
+ +
+ +
+ + +
Particules de fer
~ 30 nm
Fe2O
3
O
O
O
O
O
O
Fe2O
3
O
O
O
O
O
O
hydrophilic
O-
O-
hydrophilic
hydrophilic
pharmacophore
USPIO : plateforme pour l’imagerie moléculaire
Contraste 2/4 Contraste T2* - Susceptibilité magnétique
Contraste 3/4 : Le contraste CEST : Chemical Exchange Saturation Transfer
Bound water
Utilisation d’une structure contenant des protons échangeables et ne résonant pas à 0
Saturation des protons shiftés
Transfert d’aimantation vers les protons de l’eau libre (kex)
Baisse du signal des protons libres spécifique des protons du complexe CEST
OFF ON Ward et al. JMR 2000
Revue: van Zijl, MRM 2011
LipoCEST
Encapsulation d’agent shifteur dans un
liposome
le produit encapsulé dans le liposome doit
être un chélat de Ln
– très bon shifteur,
– mauvais relaxant ,
– avec un m d’échange rapide (eau liée,
eau dans le lipo)
– et une membrane de liposome à temps
d’échange ( intra <-> extra) lent
LipoCEST de Guerbet: LipoCEST (dH~170nm) avec de la rhodamine fluorescente
Contraste 4/4 : Le contraste 19F
Abondance naturelle 100% , spin S = ½ , rapport gyromagnétique
g proche du proton
Très faible concentration de fluor endogène : peu de background
(positif pour le contraste CNR)
Le 19F
– Utilisation d’équipement proche voire identiques à ceux utilisés pour le
proton (fréquence de résonance proche du proton)
– Possibilité de faire une co-registration de spectre 1H-19F
– Le signal correspond à l’agent de contraste
– Signal proportionnel à la concentration
Mais un compromis nécessaire entre la relaxivité et la taille
Relation r1 = f(MW) y = 0,0202x
R 2 = 0,9994
1
10
100
1000
10000
100000
100 1000 10000 100000 1000000 10000000
Poids moléculaire (Daltons)
Rela
xiv
ité r
1 (
s-1
.mM
-1)
Livramento,Chem.Eur.J.(2006)
P792
Accessibilité
aux tissus
profonds - -
Accessibilité
aux tissus
profonds + +
Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC, Des barrières multiples…
Pharmacocinétique sanguine t1/2 a et t1/2 b = f(PC)
Arrivée dans le tissu perfusion
Passage de la barrière endothéliale perméabilité = f(PC)
Puis mobilité dans l’espace interstitiel diffusion = f(PC)
Fixation à la cible ciblage = f(PC)
Elimination de l’agent de contraste non fixé washout = f(PC)
Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC
Pharmacocinétique sanguine t1/2 a et t1/2 b = f(PC)
Arrivée dans le tissu perfusion
Passage de la barrière endothéliale perméabilité = f(PC)
Puis mobilité dans l’espace interstitiel diffusion = f(PC)
Fixation à la cible ciblage = f(PC)
Elimination de l’agent de contraste non fixé washout = f(PC)
Pharmacocinétique
Temps
Co
nce
ntr
atio
n
Agent de
contraste non
spécifique (NSA) Excrétion rénale
libre
Extravasation
libre
NSA
LDA
Agent de
contraste à
diffusion ralentie
(LDA)
Extravasation
ralentie
Excrétion rénale
libre
Excrétion rénale
libre
Extravasation
très lente
Agent de contraste à
rémanence
vasculaire et
clairance rapide
(RCBPA)
RCBPA
Agent de contraste à
rémanence
vasculaire et
clairance lente
(SCBPA)
Extravasation
nulle
SCBPA
Excrétion rénale
restreinte
Injection i.v.
SANG ESPACE
INTERSTITIEL
t1/2 a
(min)
t1/2 b
(min)
Vd
(mL/kg)
Cl
(mL/min/kg)
C5/C0
(%)
Dotarem 2-4 30-50 170-260 3-7 13-19
P846 2-7 30-50 165-300 4-7 10-19
P792 4-5 30-40 100-120 3-5 24-51
1er
PASSAGE
DISTRIBUTION
ELIMINATION
Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC
Pharmacocinétique sanguine t1/2 a et t1/2 b = f(PC)
Arrivée dans le tissu perfusion
Passage de la barrière endothéliale perméabilité = f(PC)
Puis mobilité dans l’espace interstitiel diffusion = f(PC)
Fixation à la cible ciblage = f(PC)
Elimination de l’agent de contraste non fixé washout = f(PC)
Perméabilité
KPS : perméabilité au travers des capillaires
Dépend de l’agent de contraste
– Chélates standard : forte perméabilité
– Nanoparticules : extravasation ralentie à nulle
Contrast Agent
Capillary
Intracellular Space
Cell
Extracellular Extravascular Space (EES)
K trans
v e
v p
Contrast Agent
Capillary
Intracellular Space
Cell
Extracellular Extravascular Space (EES)
Contrast Agent
Capillary
Intracellular Space
Cell
Extracellular Extravascular Space (EES)
Contrast Agent
Capillary
Intracellular Space
Cell
Extracellular Extravascular Space (EES)
Contrast Agent
Capillary
Intracellular Space
Cell
Extracellular Extravascular Space (EES)
K PS
v e
v p
Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC
Pharmacocinétique sanguine t1/2 a et t1/2 b = f(PC)
Arrivée dans le tissu perfusion
Passage de la barrière endothéliale perméabilité = f(PC)
Puis mobilité dans l’espace interstitiel diffusion = f(PC)
Fixation à la cible ciblage = f(PC)
Elimination de l’agent de contraste non fixé washout = f(PC)
Coefficients de diffusion : Peuvent imposer un délai entre injection et imagerie +/- long
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 5 10 15 20 25 30
temps (min)
Dis
tan
ce
(µ
m)
Dotarem
P792
P904
Emulsion
Accessibilité de l’agent de contraste à la MEC
Pharmacocinétique sanguine t1/2 a et t1/2 b = f(PC)
Arrivée dans le tissu perfusion
Passage de la barrière endothéliale perméabilité = f(PC)
Puis mobilité dans l’espace interstitiel diffusion = f(PC)
Fixation à la cible ciblage = f(PC)
Elimination de l’agent de contraste non fixé washout = f(PC)
Compromis sensibilité / biodistribution
Sensibilité requise pour l’imagerie moléculaire nM
Impose des agents de contraste nanométriques : > 30 nm 1 µm
Biodistribution restreinte
– limitée à l’espace vasculaire et les organe du RES
– Faible extravasation / diffusion dans les territoires “perméables”
Cibles moléculaires éligibles
– Intravasculaire +++
– Interstitielles + temps d’imagerie post-injection long
– Intracellulaire +/-
Molecular & Cellular Imaging by MRI Industrial perspective
The new paradigm of personalized medicine
R&D Process: preclinical and clinical perspectives
Examples
Conclusion
3
4
5
2 Molecular and Cellular MR Imaging: technical challenges
1
Macrophage-
specific P904
Iron Oxyde
Particle
Angiogenesis-
specific
nanoemulsion
Gd
Preclinical stage Ready for
phase 1
Angiogenesis-
specific
nanoemulsion
19F
Phase 1
ongoing
Stem cell
visualisation
19F
Iron oxide nanoparticle imaging applications: RES Imaging
Tumoral
tissue
Liver Imaging Lymp Node Imaging
Normal
tissue
Iron Oxide NP are passively internalized into phagocytic cells T2/T2* effect
USPIO
P904
Imaging of inflammation in atherosclerosis
Angiographie
Post-P904Pre-injection
Athérome
Degree of stenosis not correlated with plaque vulnerability
Inflammation :
risk factor for plaque rupture
Can be used for statin therapy follow up
MR Imaging of inflammation in atherosclerosis
Guerbet data, Rabbit Model
USPIO
P904
Klink, Fayad et al,
unpublished data
Decrease of the
inflammatory
status
Inflammation in Alzheimer Unpublished Guerbet data
Histology
Microglia / Ab plaque co-localization
Microglial cell phagocytosis
Used to evaluate the progression of the disease
Very sensitive specific contrast agent
Early detection of Alzheimer’s disease
USPIO
P904
Nucleus, Ab plaques, Microglia
Simard et al. Neuron 2006
Targeting inflammation
Worsening of the disease
Targeting amyloid
plaques
Neuronal loss
In vivo MRI @ 7T
Ex vivo
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PO
ST
P
RE
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PO
ST
P
RE
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PO
ST
P
RE
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PRE 3DGE PRE 3DGME-TE10ms PRE 3DGME-TE 24ms
POST 3DGE POST 3DGME-TE10ms POST 3DGME-TE 24ms
PO
ST
P
RE
Pre Post-injection
USPIO
P904
“Translationnal” preclinical assays Field dependence and ROC analysis
7 T
esla
2
.35
Tesla
Despite signal-to-noise differences due to slice thickness and field strength, similar patterns were observed (arrows).
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
1-Spe
Sen
TG-Pre
TG-Post
USPIO
P904
Angiogenesis targeting nano-emulsions
Marty, Giradeau, Flament et al,
NeuroSpin, CEA
Medical need: anti-angiogenic
therapy follow-up in brain cancer
Angiogenesis targeting nano-emulsions
Réf document / Emetteur
Function
permeability
Anatomy
tumor volume
Mechanism
molecular imaging of angiogenesis
Theranostic based on Nanomedicines 19F RGD-nanoparticles
“Neoangiogenesis is associated closely
with plaque progression, and
microvascular incompetence is a likely
source of Intraplaque hemorrhage.” (Virmani et al, ATVB 2005)
Concept: improve survival via earlier
detection by imaging the angiogenesis
process in atherosclerosis
– Target : αvβ3
– Ligand : small molecule
– Mode : 19F MR-imaging (PFOB)
Targeting
ligand
PFC
Lipid
With the courtesy of Greg Lanza