9ème Journées Jeunes Chercheurs / Imagerie

9ème Journées Jeunes Chercheurs / Imagerie Etude du métabolisme cérébral chez le primate par spectroscopie RMN : application au modèle 3-NP de la maladie de Huntington Fawzi Boumezbeur CEA - SHFJ Orsay, France

B0 Transformée de Fourier pixel dans une image raie spectrale Introduction La Résonance Magnétique Nucléaire en bref Spins nucléaires Signal de précession libre Excitation radiofréquence

Introduction Que mesure la Spectroscopie RMN ? • Imagerie RMN = détection des 1H de l’eau cérébrale • Spectroscopie RMN = détection des autres molécules 1H de l’eau 1H de métabolites

tChotCrGluNAA ppm 3.5 3.0 2.5 1.5 2.0 Introduction L’environnement technique de la RMN Hardware Aimant 3 Tesla, corps entier avec gradients et shims performants Informatique Electronique Programmation de séquence Sondes radiofréquences Traitement des spectres Traitement des images Mais aussi : du matériel de stimulation, de monitorage, etc…

Introduction Etude du métabolisme par spectroscopie RMN Vitesses de réactions biochimiques Concentrations des métabolites

Introduction Plan • Quantification des concentrations de métabolites cérébraux • Détermination des vitesses de réactions biochimiques • Corrélation avec la 18FDG-TEP • Application à l’étude de la maladie de Huntington

3.5 3.0 2.5 1.5 2.0 Spectre 1H (PRESS) Segmentation automatique Matière grise / blanche Liquide céphalo-rachidien Concentration des métabolites Spectroscopie localisée à TE court Voxel striatal (3.9 mL) centré sur le striatum:

3.5 3.0 2.5 1.5 2.0 Créatine NAA Glutamate Choline Ins Glutamine NAAG Tau GABA Asp Lac Concentration des métabolites Analyse par combinaison linéaire de spectres Spectre = combinaison linéaire des spectres de chaque métabolite. En raison de la superposition des pics en spectroscopie du 1H, un logiciel se charge de déconvoluer les différentes contributions à partir d’une base de spectres.  Quantification relative d’une huitaine de métaboliltes.  Quantification absolue par rapport à la concentration d’eau prise comme référence interne

 précurseur = U-13C glucose. Glucose Pyr/Lac Cycle de Krebs CG Glutamate Glutamine Vitesses de réactions biochimiques Marquage isotopique au 13C 13C isotope stable du carbone, détectable en RMN (contrairement au 12C) faible abondance naturelle : 1,1 % U-13C 13C3 Incorporation du 13C du glucose dans les différents intermédiaires de la glycolyse puis du cycle de Krebs. VKrebs 13C4 13C4 13C3 VX 13C3 Vcycle  Détection par spectroscopie RMN des cinétiques d’enrichissement 13C du glutamate sur les carbones C4 (1er tour) et C3 (2nd tour) .

VKrebs VKrebs(1) VKrebs(4) VKrebs(3) VKrebs(2) Vitesses de réactions biochimiques Estimation de VKrebs Cinétique d’incorporation du 13C dans le pool de glutamate* signal 13C (Glu*) Temps d’infusion • Modèle mathématique : conservation de la masse et du 13C  équations différentielles couplées résolues numériquement pour une valeur donnée de VKrebs Glu*(t) • Itération de VKrebspour minimiser la différence modèle/points expérimentaux

Vitesses de réactions biochimiques Détection directe ou indirecte du 13C ? Comparaison de sensibilité pour du [2-13C]ethanol à 4.7T 13C1H3-CH2OH Detection directe 13C Detection indirecte 1H-{13C} durée d’acquisition = 17.5 min durée d’acquisition = 2.1 min  gain de sensibilité d’un facteur 5 à 10 [Novotny et al., MRM 1990]

Vitesses de réactions biochimiques Détection indirecte 1H-{13C} • Couplage hétéronucléaire JCH Comme des dipôles magnétiques, les spins nucléaires 1H et 13C interagissent. Ce couplage dipôle-dipôle se manifeste par une démultiplication des raies : JCH Raie 1H-12C Raies 1H-13C Lorsque un métabolite s’enrichit en 13C : Accroissement des raies-satellites T0 T Diminution de la raie-mère

3.5 3.0 2.5 1.5 3.5 3.0 2.5 1.5 2.0 2.0 Vitesses de réactions biochimiques Détection des 1H Glu13C4 et Glu13C3 Glu-H3 Glu-H4 Conditions : Stabilité du signal et de l’animal Spectre de base PRESS : Spectres de difference : (base - spectres dynamiques)

a b c d e Vitesses de réactions biochimiques Analyse des spectres de différence Détection simultanée apparition des raies 1H-13C (en négatif) diminution des raies 1H-12C (en positif) Spectre de différence Résultat de l’analyse Résidus de l’analyse Profil correspondant à l’incorporation de 13C en position C4 du glutamate Profil correspondant à l’incorporation de 13C en position C3 du glutamate

Glu C4 Glu C3 Glutamate 13C (en mM) temps d’infusion (en min) Vitesses de réactions biochimiques Mesure de VKrebs dans le cerveau de macaque  macaques contrôle : VKrebs= 0.55 ± 0.04 mol.g-1.min-1(n=4)

Corrélation avec la TEP La 18FDG-TEP en bref Glucose 18FD CMRglc = vitesse de consommation cérébrale de glucose = métabolisme glycolytique CMRglc Glucose-6-P 18FD Pyr/Lac VKrebs= métabolisme oxydatif VKrebs Cycle de Krebs KG Glutamate Glutamine VX Vcycle

activité totale 18F Radioactivité du 18FDG (en kBq/mL) contribution du 18FDG-6-P contribution du 18FDG temps d’infusion (en min) Corrélation avec la TEP Mesure de CMRglc dans le cerveau de macaque par 18FDG-TEP Recalage IRM/18FDG-TEP • macaques contrôle : CMRglc= 0.24 ± 0.01 mol.g-1.min-1(n=2) D’où un ratio CMRglc/VKrebs= 0.44

Images Gwenaëlle Douaud CEA-SHFJ Sujet sain Malade Application à la maladie de Huntington La maladie de Huntington (MH) • Maladie génétique Huntingtine mutée Ht • Vulnérabilité des neurones striataux Atrophie du striatum Objectifs : • Exploration des altérations du métabolisme cérébral • Diagnostique précoce • Développement pharmacologique sur modèle animal • Suivi thérapeutique chez l’homme

Glucose Acétyl CoA inhibition 3-NP Application à la maladie de Huntington Le modèle primate de la MH Modèle d’intoxication à l’acide 3-NP H+ ATP ADP Cycle de Krebs SDH NAD NADH Mitochondrie H+ Le cycle de Krebs = synthèse oxydative d’ATP Modèle de neurodégénérescence sélective du striatum

Application à la maladie de Huntington Protocole • Macaques (macaca fascicularis, poids ~7kg, n=4) • 22 Semaines d’intoxication chronique au 3-NP (~25 mg/kg/jour) • Anesthésie au propofol i.v. et ventilation • Monitorage Maglife (ECG , PNI, PO2, capno) Objectifs Suivi longitudinal des altérations métaboliques accompagnant la dégénérescence : • quantification absolue des métabolites • mesure du métabolisme oxydatif VKrebs par spectroscopie RMN du glucose marqué au 13C • corrélation avec la mesure du métabolisme glycolytique CMRglc par 18FDG-TEP et les données morphométriques.

P. Brugière CHU Mondort Créteil G. Douaud CEA-SHFJ Conclusion Du développement méthodologique à la recherche clinique 1997-2001 : Rats sains et intoxication 3-NP aigüe et chronique Diminution de VKrebs de 18% 2001-2004 : Macaques sains et intoxication 3-NP chronique À partir de 2004 : Sujets sains et patients MH symptomatiques

Conclusion Perspectives • Suivi des primates au long de l’intoxication chronique au 3-NP et exploitation des résultats. • Passage à l’homme avec des sujets sains puis des malades en collaboration avec l’Hopital Henri Mondort (Créteil) • Suivi thérapeutique sur des patients greffés. Mais aussi : • Etude des métabolismes oxydatif (VKrebs) et glycolytique (CMRglc) pendant l’activation cérébral. • Combinaison avec la spectroscopie 31P pour l’étude du couplage mitochondrial synthèse d’ATP/cycle de Krebs. • Combinaison avec la spectroscopie de diffusion pour suivre la compartimentation des métabolites.

Remerciements Vincent Lebon Laurent Besret Julien Valette Françoise Vaufrey Eric Giacomini Velislav Slavov Gwenaëlle Douaud Pierre Brugière Emmanuel Brouillet Pierre-Gilles Henry Philippe Hantraye Gilles Bloch Jacques Bittoun

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