Modélisation pharmacocinétique en imagerie par résonance magnétique et en tomographie d’émission par positrons appliquée à un modèle de glioblastome chez le rat

Résumé : En imagerie médicale, il est courant d’associer plusieurs modalités afin de tirer profit des renseignements complémentaires qu’elles fournissent. Par exemple, la tomographie d’émission par positrons (TEP) peut être combinée à l’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir à la fois des renseignements sur les processus biologiques et sur l’anatomie du sujet. Le but de ce projet est d’explorer les synergies entre l’IRM et la TEP dans le cadre d’analyses pharmacocinétiques. Plus spécifiquement, d’exploiter la haute résolution spatiale et les renseignements sur la perfusion et la perméabilité vasculaire fournis par l’IRM dynamique avec agent de contraste afin de mieux évaluer ces mêmes paramètres pour un radiotraceur TEP injecté peu de temps après. L’évaluation précise des paramètres de perfusion du radiotraceur devrait permettre de mieux quantifier le métabolisme et de distinguer l’accumulation spécifique et non spécifique. Les travaux ont porté sur deux radiotraceurs de TEP (18F-fluorodésoxyglucose [FDG] et 18F-fluoroéthyle-tyrosine [FET]) ainsi que sur un agent de contraste d’IRM (acide gadopentétique [Gd DTPA]) dans un modèle de glioblastome chez le rat. Les images ont été acquises séquentiellement, en IRM, puis en TEP, et des prélèvements sanguins ont été effectués afin d’obtenir une fonction d’entrée artérielle (AIF) pour chaque molécule. Par la suite, les images obtenues avec chaque modalité ont été recalées et l’analyse pharmacocinétique a été effectuée par régions d’intérêt (ROI) et par voxel. Pour le FDG, un modèle irréversible à 3 compartiments (2 tissus) a été utilisé conformément à la littérature. Pour la FET, il a été déterminé qu’un modèle irréversible à 2 tissus pouvait être appliqué au cerveau et à la tumeur, alors qu’un modèle réversible à 2 tissus convenait aux muscles. La possibilité d’effectuer une conversion d’AIF (sanguine ou dérivée de l’image) entre le Gd DTPA et la FET, ou vice versa, a aussi été étudiée et s’est avérée faisable dans le cas des AIF sanguines obtenues à partir de l’artère caudale, comme c’est le cas pour le FDG. Finalement, l’analyse pharmacocinétique combinée IRM et TEP a relevé un lien entre la perfusion du Gd-DTPA et du FDG, ou de la FET, pour les muscles, mais elle a démontré des disparités importantes dans la tumeur. Ces résultats soulignent la complexité du microenvironnement tumoral (p. ex. coexistence de divers modes de transport pour une même molécule) et les nombreux défis rencontrées lors de sa caractérisation chez le petit animal.

Abstract : In medical imaging, different modalities are frequently combined in order to obtain complementary information. For example, positron emission tomography (PET) can be associated with magnetic resonance imaging (MRI) to derive both anatomical and biological information. This project explores the synergies between MRI and PET for pharmacokinetic modeling. Specifically, it exploits the high spatial resolution of MRI as well as the information about perfusion and vascular permeability derived from dynamic contrast-enhanced studies to better assess these parameters in a PET radiotracer injected shortly after the MRI examination. This more precise assessment of perfusion is thought to improve metabolism quantification for the radiotracer and to discriminate between its specific and non-specific accumulation. The present work focussed on 2 PET radiotracers, (18F-fluorodeoxyglucose [FDG] and 18F-fluoroethyltyrosine [FET]) as well as a MRI contrast agent (gadopentetic acid [Gd-DTPA]) applied to a rat glioblastoma model. Images were acquired using a sequential MRI-PET protocol and blood was drawn to derive the arterial input function (AIF) for each molecule. PET and MR images were subsequently registered and pharmacokinetic modeling was performed on regions of interest (ROI) or voxel-wise. For FDG, an irreversible 3 compartments (2-tissue) model was used in accordance to the literature. For FET, it was determined that an irreversible 2-tissue model is applicable for the brain and the tumor and a reversible 2-tissue model is preferred for the muscles. AIF (blood or image-derived) conversion between Gd-DTPA and FET, or vice versa, was also considered and proved feasible for the blood AIF derived from the caudal artery, similar to FDG. Finally, combined kinetic modeling for MRI and PET showed a relationship between the perfusion of FDG, or FET, and that of Gd-DTPA in muscle. Important disparities were noted for the tumor. These results illustrate the complexity of the tumor microenvironment (e.g. presence of various transport mechanisms for the same molecule) and the numerous challenges encountered during its characterization in small animals.