Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Langage et cerveau : vingt ans d'imagerie fonctionnelle [Language and the brain: 20 years of functional imagery]

La masse considérable de travaux publiés dans le domaine de la neuroimagerie fonctionnelle concernant les fonctions ou modalités du langage (compréhension et expression de la parole, lecture) ou les différents processus linguistiques qui les sous-tendent (sémantique, phonologie, syntaxe) permet de dégager de grandes tendances en termes de substrats anatomiques. Si les « fondamentaux » issus des origines aphasiologiques du domaine n'ont pas été bouleversés, certaines spécificités non explorées par l'approche lésionnelle sont identifiables. Les méta-analyses, en regroupant les résultats de la littérature, nous procurent aujourd'hui une vision globale des substrats cérébraux du langage. Cependant la variabilité inter-individuelle reste importante en raison de multiples facteurs dont certains sont mal identifiés ; cartographier exhaustivement les fonctions du langage à l'échelle individuelle reste une gageure. La quête des images du langage est sans doute aussi inachevable que celle de l'étude du langage lui-même.

Imagerie des bronchectasies : valeur diagnostique, fonctionnelle et pronostique.

Messages à retenir: La scanographie hélicoïdale à collimation fine sur l'ensemble du thorax est l'examen de référence pour le diagnostic et l'évaluation de la distributiontopographique et de l'étendue des bronchectasies.Les reformations multiplanaires et les techniques de projection d'intensité maximum et minimum améliorent les performances diagnostiques et permettent unemeilleure détection des lésions associées des petites voies aériennes (bronchiolite infectieuse, bronchiolite oblitérative).Chez les patients atteints de bronchectasies, le degré d'épaississement pariétal bronchique ainsi que l'étendue des zones hypodenses hypoperfusées traduisantdes lésions d'obstruction bronchiolaire sont parfaitement corrélés à la sévérité du retentissement fonctionnel de la maladie .La scanographie est peu fiable pour reconnaître le diagnostic étiologique des bronchectasies. Résumé: La scanographie hélicoïdale multidétecteur à collimation fine sur l'ensemble du thorax au cours d'une seule et même apnée inspiratoire est supérieure auxexamens en coupes fines incrémentales haute résolution avec un intervalle de coupes de 10 mm, pour le diagnostic et l'évaluation de l'étendue desbronchectasies. L'usage des reformations multiplanaires améliore la détection des bronchectasies, augmente la reproductibilité des radiologues pour lediagnostic des bronchectasies ainsi que leur niveau de confiance pour apprécier la distribution lésionnelle . L'examen scanographique évalue le nombre et ladistribution des impactions mucoïdes dans des bronches dilatées et le retentissement de l'atteinte bronchique sur les voies aériennes distales et le parenchymepulmonaire. La recherche d'atteinte associée des petites voies aériennes est systématique : détection des foyers de bronchiolite infectieuse et évaluation de l'étendue des zones hypodenses, hypoperfusées, avec piégeage, qui reflètent les lésions de bronchiolite oblitérative . Ces dernières sont corrélées au degré desévérité de l'obstruction fonctionnelle. La scanographie reste peu fiable pour le diagnostic étiologique des bronchectasies. Inversement, certains mécanismessont facilement identifiés, tels que les bronchectasies post-obstructives et les bronchectasies par traction des fibroses pulmonaires .

Les cartes fonctionnelles dans le cortex visuel du chat : nouvelles stratégies d’évaluation en imagerie optique et mise en évidence de l’organisation anatomo-fonctionnelle

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire.

Les effets de la similarité physique dans l’observation d’actions : études comportementales et neurophysiologiques

Il a été suggéré que la similarité physique entre un observateur et une action observée facilite la perception et la compréhension d’action. Par exemple, l’observation d’un acteur exécutant des gestes de la main ayant une signification culturelle est associée à une augmentation de l’excitabilité corticospinale lorsque les deux individus sont de la même ethnicité (Molnar-Szakacs et al., 2007). La perception tactile serait également facilitée lorsqu’un individu regarde un modèle de sa propre race être touché (Serino et al., 2009), tandis que des études en imagerie cérébrale fonctionnelle suggèrent la présence d’activations plus importantes dans le cortex cingulaire lorsqu’un sujet observe une personne de son propre groupe racial ressentir de la douleur (Xu et al., 2009). Certaines études ont lié ces résultats à un mécanisme de résonance motrice, possiblement associé au système des neurones miroirs (SNM), suggérant que la représentation de l’action dans les aires motrices est facilitée par la similarité physique. Toutefois, la grande majorité des stimuli utilisés dans ces études comportent une composante émotionnelle ou culturelle pouvant masquer les effets purement moteurs liant la similarité physique à un mécanisme de résonance motrice. De plus, la sélectivité de l’activation du SNM face à des stimuli biologiques a récemment été remise en question en raison de biais méthodologiques. La présente thèse présente trois études visant à évaluer l’effet de la similarité physique et des caractéristiques biologiques d’un mouvement sur la résonance motrice à l’aide de mesures comportementales et neurophysiologiques. À cet effet, l’imitation automatique de mouvements de la main, l’excitabilité corticospinale et la désynchronisation du rythme électroencéphalographique mu ont servi de marqueurs de l’activité du SNM. Dans les trois études présentées, la couleur de la peau et l’aspect biologique du stimulus observé ou imité ont été systématiquement manipulés. Nos données confirment la sélectivité du SNM pour le mouvement biologique en démontrant une réponse imitative plus rapide et une désynchronisation du rythme mu plus prononcée lors de la présentation de stimuli biologiques comparativement à des stimuli non-biologiques répliquant les aspects physiques du mouvement humain. Les deux mêmes mesures montrent une réponse neurophysiologique et comportementale équivalente lorsque l’action est exécutée par un agent de couleur similaire ou dissimilaire au participant. Nous rapportons aussi un effet surprenant de la similarité physique sur l’excitabilité corticospinale, où l’observation d’une action exécutée par un agent de couleur différente est associée à une activation plus grande du cortex moteur primaire droit de participants de sexe féminin. Prises dans leur ensemble, ces données suggèrent que la similarité physique avec une action observée ne module généralement pas l’activité du SNM au niveau des aires sensorimotrices en l’absence de composantes culturelles et émotionnelles. De plus, les résultats présentés suggèrent que le SNM est sélectif au mouvement biologique plutôt qu’à l’aspect kinématique du mouvement.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

Mécanismes cellulaires du métabolisme énergétique cérébral: implications pour l'imagerie fonctionnelle

Signals detected with functional brain imaging techniques are based on the coupling of neuronal activity with energy metabolism. Techniques such as positron emission tomography (PET) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) allow the visualization of brain areas that are activated by a variety of sensory, motor or cognitive tasks. Despite the technological sophistication of these brain imaging techniques, the precise mechanisms and cell types involved in coupling and in generating metabolic signals are still debated. Recent experimental data on the cellular and molecular mechanisms that underlie the fluorodeoxyglucose (FDG) - based PET imaging point to a critical role of a particular brain cell type, the astrocytes, in coupling neuronal activity to glucose utilization. Indeed, astrocytes possess receptors and re-uptake sites for a variety of neurotransmitters, including glutamate, the predominant excitatory neurotransmitter in the brain, In addition, astrocytic end-feet, which surround capillaries, are enriched in the specific glucose transporter GLUT-1. These features allow astrocytes to "sense" synaptic activity and to couple it with energy metabolism. In vivo and in vitro data support the following functional model: in response to glutamate released by active neurons, glucose is predominantly taken up by astrocytic end-feet; glucose is then metabolized to lactate which provides a preferred energy substrate for neurons. These data support the notion that astrocytes markedly contribute to the FDG-PET signal.

Evaluation de l'activité fonctionnelle des membres supérieurs chez des patients atteints de maladies neuromusculaires par mesures cinématiques (Physilog®)

Contexte :¦Les affections neuromusculaires sont des maladies rares, le plus souvent d'origine génétique et dont le degré de sévérité est variable. Certaines sont progressives et conduisent à une perte de l'indépendance motrice et à une insuffisance respiratoire, tandis que d'autres permettent une vie proche de la normale.¦Les progrès des connaissances en génétique moléculaire ont permis d'améliorer significativement la connaissance des mécanismes physiopathologiques de ces maladies et ont également ouverts la voie à de nouvelles possibilités thérapeutiques. Concernant les maladies les plus graves, le but premier de ces thérapies sera de tenter de préserver la marche indépendante le plus longtemps possible. Toutefois, les patients ayant déjà perdu la marche et qui dépendent de la fonction de leur membres supérieurs pour garder une certaine indépendance devront également pouvoir être inclus dans des essais thérapeutiques et bénéficier des traitements reconnus efficaces.¦De nouveaux moyens de mesure de la fonction motrice des membres supérieurs doivent être développés non seulement dans la perspective de ces éventuels essais thérapeutiques pour ces patients limités à la chaise roulante, mais également dans le but de pouvoir évaluer plus précisément l'histoire naturelle des maladies même après la perte de la marche indépendante.¦Objectifs:¦Evaluer la fonction motrice des membres supérieurs chez des patients myopathes ayant perdu la marche indépendante par mesure cinématique.¦Méthode :¦Mesure de l'activité des membres supérieurs et le profil de cette activité par mesure cinématique (Physilog) chez:¦-Vingt-cinq patients atteints d'une myopathie en chaise roulante.¦-Vingt-cinq sujets contrôle assis¦Ces mesures seront comparées aux scores obtenus à l'échelle de Mesure de Fonction Motrice (Bérard et al, 2005) et plus précisément à l'axe D3 de cette échelle qui évalue les fonctions distales.¦Les patients seront vus à deux reprises pour une période de deux fois deux heures pendant laquelle ils porteront le Physilog. Il leur sera demandé d'effectuer une série d'exercices afin d'évaluer la fonction motrice des membres supérieurs (manger un yaourt avec une cuillère, verser un verre d'eau et le boire, se toucher selon les possibilités la tête, le front, la bouche, le cou, jouer à la console Wii) Le score de Brooke sera également testé. Chaque exercice sera répété plusieurs fois afin de d'assurer de la qualité des résultats.¦Système portable Physilog :¦Physilog est un système de mesure ambulatoire. La version utilisée dans cette étude est composée de 2 capteurs miniatures et d'une unité numérique portable légère (~215 g), qui filtre, amplifie et sauvegarde les signaux fournis par les capteurs sur une carte mémoire (Physilog-BioAGM, CH).¦Afin de pouvoir enregistrer l'activité des deux membres supérieurs, deux appareils Physilog (4 capteurs) seront utilisés par patient. Deux capteurs seront fixés sur chaque membre supérieur. Les capteurs sont fixés sur la peau à l'aide d'une bande autocollante.¦Les capteurs mis au point par le LMAM (laboratoire de mesure et d'analyse du mouvement) mesurent la rotation angulaire et l'accélération au niveau des membres supérieurs. L'algorithme utilisé dans cette étude a été développé dans le laboratoire LMAM à l'EPFL et a fait l'objet d'une thèse.¦Résultats escomptés :¦Les résultats de l'étude pilote montrent que le Physilog permet de quantifier de manière fiable et reproductible la fonction des membres supérieurs durant des activités courantes de la vie quotidienne et pourrait donc devenir un moyen d'évaluation fiable des nouveaux traitements.

Imagerie cardiaque non invasive: apport spécifique en clinique des nouvelles modalités (II). Evaluation fonctionnelle [Cardiac imaging: specific clinical role of newly developed non invasive techniques. Part II: functional evaluation].

The non-invasive evaluation of myocardial ischemia is a priority in cardiology. The preferred initial non-invasive test is exercise ECG, because of its high accessibility and its low cost. Stress radionuclide myocardial perfusion imaging or stress echocardiography are now routinely performed, and new non-invasive techniques such as perfusion-MRI, dobutamine stress-MRI or 82rubidium perfusion PET have recently gained acceptance in clinical practice. In the same time, an increasing attention has been accorded to the concept of myocardial viability in the decisional processes in case of ischemic heart failure. In this indication, MRI with late enhancement after intravenous injection of gadolinium and 18F-FDG PET showed an excellent diagnostic accuracy. This article will present these new imaging modalities and their accepted indications.

Effets sur le métabolisme cérébral par PET au 18F-FDG de la stimulation du nerf vague chez les patients épileptiques

Contexte : La stimulation du nerf vague est une technique neurochirurgicale qui consiste en l'implantation d'une électrode envoyant des impulsions autours de celui-ci. Depuis l'approbation de la FDA en 1997 aux Etats-Unis, elle est utilisée chez certains patients épileptiques pharmaco-résistants et dont la chirurgie classique n'est pas envisageable [1], Par exemple lorsque qu'aucun foyer épileptique n'est identifiable, qu'une zone éloquente du cortex est atteinte ou encore qu'il y a de multiples points de départ. On parle généralement de patient « répondeur » lorsqu'une diminution de plus de 50% des crises est observée après l'opération. La proportion de patients répondeurs est estimée entre 20 à 50% [2], avec une action positive sur l'éveil [3]. Le mécanisme d'action de cette thérapie reste largement inconnu même si quelques ébauches d'hypothèses ont été formulées, notamment une action inhibitrice sur le noyau solitaire du nerf vague qui pourrait avoir comme effet de moduler des projections ascendantes diffuses via le locus coeruleus [3, 4]. Objectifs : Le but de ce travail est d'observer les effets de la stimulation du nerf vague sur le métabolisme cérébral et potentiellement d'élaborer des hypothèses sur le mécanisme d'action de ce traitement. Il faudra plus précisément s'intéresser au tronc cérébral, contenant le locus coeruleus (métabolisme de la noradrénaline) et aux noyaux du raphé (métabolisme de la sérotonine), deux neurotransmetteurs avec effet antiépileptique [5]. Le but sera également d'établir des facteurs prédictifs sur la façon de répondre d'un patient à partir d'une imagerie cérébrale fonctionnelle avant implantation, notamment au niveau du métabolisme cortical, particulièrement frontal (éveil) sera intéressant à étudier. Méthodes : Un formulaire d'information ainsi que de consentement éclairé sera remis à chaque patient avant inclusion dans l'étude. Les informations de chaque patient seront également inscrites dans un cahier d'observation (Case Report Form, CRF). Le travail s'organisera essentiellement sur deux populations. Premièrement, chez les patients déjà opérés avec un stimulateur en marche, nous réaliserons qu'une imagerie PET au F-18-fluorodeoxyglucose (FDG) post-opératoire qui seront comparés à une base de données de patients normaux (collaboration Dr E. Guedj, AP-HM, La Timone, Marseille). Nous confronterons également les images de ces patients entre elles, en opposant les répondeurs (diminution des crises de ≥50%) aux non-répondeurs. Deuxièmement, les patients non encore opérés auront un examen PET basal avant implantation et 3-6 mois après la mise en marche du stimulateur. Nous évaluerons alors les éventuelles modifications entre ces deux imageries PET, à la recherche de différences entre les répondeurs et non-répondeurs, ainsi que de facteurs prédictifs de bonne réponse dans l'imagerie de base. Toutes les comparaisons d'images seront effectuées grâce avec le programme d'analyse SPM08. Résultats escomptés : Nous espérons pouvoir mettre en évidence des modifications du métabolisme cérébral au FDG sur la base de ces différentes images. Ces constatations pourraient nous permettre de confirmer ou d'élargir les hypothèses physiologiques quant aux effets du traitement par stimulation vagale. Nous aimerions, de plus, amener à définir des facteurs prédictifs sur la façon de répondre d'un patient au traitement à l'aide du PET au F-18-FDG de départ avant implantation. Plus value escomptée : Ces résultats pourront donner des pistes supplémentaires quant au fonctionnement de la stimulation vagale chez les patients avec épilepsie réfractaire et servir de base à de nouvelles recherches dans ce domaine. Ils pourraient aussi donner des éléments pronostics avant l'implantation pour aider la sélection des patients pouvant bénéficier de ce type de thérapie.