Un biocapteur IRM pour identifier le pH des cellules

Les tumeurs, l'inflammation et les troubles circulatoires perturbent localement l'équilibre acide-base du corps. Ces changements de valeur de pH pourraient être utilisés par exemple pour vérifier le succès des traitements contre le cancer. Jusqu'à présent, cependant, il n'y avait pas de méthode d'imagerie pour rendre ces changements visibles chez les patients. Une équipe de l'Université technique de Munich (TUM) a développé un capteur de pH qui rend les valeurs de pH visibles par imagerie par IRM, selon un article publié dans la revue NMR in Biomedicine.

Des applications dans l'étude des procesus métaboliques des tumeurs

Il y a quatre ans, lors d'une expérience de résonance magnétique avec des cellules tumorales, le physicien de la TUM, le Dr Franz Schilling, directeur du groupe de travail pour l'imagerie préclinique et la physique médicale à la polyclinique pour la médecine nucléaire de la TUM, a trouvé des signaux d'une molécule très sensible aux changements de pH. La molécule, identifiée comme acide zymonique dans les recherches ultérieures, pourrait jouer un rôle important dans l'avenir de l'imagerie médicale. En tant que biocapteur pour les valeurs de pH, il pourrait fournir des informations sur le corps qui avait été impossible dans le passé. "Une méthode appropriée d'imagerie au pH permettrait de visualiser des changements anormaux dans les tissus et en particulier les processus métaboliques des tumeurs", explique Franz Schilling. 

Les zones entourant les tumeurs et les inflammations sont habituellement légèrement plus acides que les zones entourant les tissus sains, un phénomène pouvant être lié à l'agressivité des tumeurs. Schilling voit d'autres utilisations potentielles dans les pronostics de traitement: "les valeurs de pH sont également intéressantes quand il s'agit d'évaluer l'efficacité des traitements de la tumeur, poursuit-il. Même avant que la tumeur traitée avec succès commence à se rétrécir, son métabolisme et donc la valeur du pH de la zone environnante pourraient changer. Une méthode appropriée d'imagerie par le pH indiquerait à un stade très précoce si la bonne approche a été sélectionnée ou non."

Imagerie par IRM avec contraintes de temps

Afin de rendre les valeurs de pH visibles à l'aide d'un acide zymonique, la molécule, marquée au Carbone 13, est injectée dans le corps, puis une IRM est pratiquée. En résultent les spectres de fréquence qui, à leur tour, fournissent des informations sur les propriétés chimiques de l'environnement moléculaire des noyaux. En fin de compte, la valeur du pH à n'importe quel endroit examiné dans le tissu peut être représentée sur la base de changements moléculaires dépendants du pH dans l'acide zymonique. Mais l'acide zymonique marqué de cette manière n'est toujours pas mesurable: son signal IRM est trop faible. "Nous utilisons donc une méthode relativement nouvelle, une hyperpolarisation, explique Stephan 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 basses températures, ce qui entraîne un signal IRM jusqu'à 100 000 fois plus fort". 

Un liquide chaud est ensuite utilisé pour ramener rapidement l'acide zymonique à la température ambiante. Puis le biocapteur est injecté par voie intraveineuse dans l’organisme et l'IRM est effectuée immédiatement: il ne faut que 60 secondes pour que l'effet amplificateur de signal de l'hyperpolarisation disparaisse. «Nous travaillons actuellement à développer cette fenêtre de temps», explique Düwel.

Avantages par rapport à d'autres approches

Franz Schilling et son équipe ont réussi à montrer que leur méthode est assez sensible pour représenter des changements de valeur du pH médicalement pertinents dans l'organisme. En utilisant l'acide zymonique, il est également possible d'étudier spécifiquement la valeur du pH à l'extérieur de la membrane cellulaire. Contrairement aux méthodes optiques, qui sont limitées à la pénétration superficielle dans le corps en raison de la faible transparence du tissu, 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 de petits animaux. "Nous croyons que l'acide zymonique est un biomarqueur hautement prometteur pour les applications médicales", explique Franz Schilling. Pour le moment, des études précliniques supplémentaires sont prévues afin de déterminer les avantages de ce nouveau biomarqueur d'imagerie par rapport aux méthodes conventionnelles et d'améliorer encore la résolution spatiale de l'imagerie par le pH."

Le projet de recherche a été financé par le Centre de recherche collaborative 824 (SFB824) "Imagerie pour la sélection, la surveillance et l'individualisation des thérapies contre le cancer" menées par le professeur Markus Schwaiger.