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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
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Introduction
La Résonance Magnétique Nucléaire en bref
Spins nucléaires
Signal de précession libre
Excitation radiofréquence
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Introduction
Que mesure la Spectroscopie RMN ?

• Imagerie RMN détection des 1H de leau
  cérébrale
• Spectroscopie RMN détection des autres
  molécules

1H de leau
1H de métabolites
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Introduction
Lenvironnement technique de la RMN
Hardware
Aimant 3 Tesla, corps entier avec gradients et
shims performants
Electronique
Informatique
Programmation de séquence
Sondes radiofréquences
Traitement des spectres
Traitement des images
Mais aussi du matériel de stimulation, de
monitorage, etc
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Introduction
Etude du métabolisme par spectroscopie RMN
Vitesses de réactions biochimiques
Concentrations des métabolites
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Introduction
Plan

• Quantification des concentrations de métabolites
  cérébraux
• Détermination des vitesses de réactions
  biochimiques
• Corrélation avec la 18FDG-TEP
• Application à létude de la maladie de Huntington

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Concentration des métabolites
Spectroscopie localisée à TE court
Voxel striatal (3.9 mL) centré sur le striatum
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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 dune base de spectres.
? Quantification relative dune huitaine de
métaboliltes.
? Quantification absolue par rapport à la
concentration deau prise comme référence interne
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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
denrichissement 13C du glutamate sur les
carbones C4 (1er tour) et C3 (2nd tour) .
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Vitesses de réactions biochimiques
Estimation de VKrebs
Cinétique dincorporation du 13C dans le pool de
glutamate
signal 13C (Glu)
Temps dinfusion
Modèle mathématique conservation de la masse
et du 13C ? équations différentielles couplées
résolues numériquement pour une valeur donnée de
VKrebs ? Glu(t) Itération de VKrebs pour
minimiser la différence modèle/points
expérimentaux
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Vitesses de réactions biochimiques
Détection directe ou indirecte du 13C ?
Comparaison de sensibilité pour du 2-13Cethanol
à 4.7T
13C1H3-CH2OH
Detection directe 13C
Detection indirecte 1H-13C
durée dacquisition 17.5 min
durée dacquisition 2.1 min
? gain de sensibilité dun facteur 5 à 10
Novotny et al., MRM 1990
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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 senrichit en 13C
Accroissement des raies-satellites
T0
T
Diminution de la raie-mère
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Vitesses de réactions biochimiques
Détection des 1H Glu13C4 et Glu13C3
Glu-H3
Glu-H4
Stabilité du signal et de lanimal
Conditions
Spectre de base PRESS Spectres de
difference (base - spectres dynamiques)
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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 lanalyse
Résidus de lanalyse
Profil correspondant à lincorporation de 13C en
position C4 du glutamate
Profil correspondant à lincorporation de 13C en
position C3 du glutamate
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Vitesses de réactions biochimiques
Mesure de VKrebs dans le cerveau de macaque
? macaques contrôle VKrebs 0.55 0.04
?mol.g-1.min-1 (n4)
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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
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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 (n2)
• Doù un ratio CMRglc/VKrebs 0.44

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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 lhomme

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Application à la maladie de Huntington
Le modèle primate de la MH
Modèle dintoxication à lacide 3-NP
H
ATP
ADP
Cycle de Krebs
SDH
NAD
NADH
Mitochondrie
H
Le cycle de Krebs synthèse oxydative dATP
Modèle de neurodégénérescence sélective du
striatum
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Application à la maladie de Huntington
Protocole

• Macaques (macaca fascicularis, poids 7kg, n4)
• 22 Semaines dintoxication 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

1. quantification absolue des métabolites

1. mesure du métabolisme oxydatif VKrebs par
   spectroscopie RMN du glucose marqué au 13C

1. corrélation avec la mesure du métabolisme
   glycolytique CMRglc par 18FDG-TEP et les données
   morphométriques.

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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
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Conclusion
Perspectives

• Suivi des primates au long de lintoxication
  chronique au 3-NP et exploitation des résultats.
• Passage à lhomme avec des sujets sains puis des
  malades en collaboration avec lHopital Henri
  Mondort (Créteil)
• Suivi thérapeutique sur des patients greffés.

Mais aussi

• Etude des métabolismes oxydatif (VKrebs) et
  glycolytique (CMRglc) pendant lactivation
  cérébral.
• Combinaison avec la spectroscopie 31P pour
  létude du couplage mitochondrial synthèse
  dATP/cycle de Krebs.
• Combinaison avec la spectroscopie de diffusion
  pour suivre la compartimentation des métabolites.

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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