L'imagerie médicale n'est plus au Kansas, à Toto, car une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State apporte des images diagnostiques traditionnelles en noir et blanc de rayons X et de tomodensitogrammes traditionnels en technicolor. Les chercheurs ont développé de nouveaux agents de contraste qui ciblent deux protéines impliquées dans l'arthrose, une maladie dégénérative des articulations communément appelée arthrite d'usure. En marquant les protéines avec les agents de contraste comprenant des nanosondes métalliques nouvellement conçues, les chercheurs peuvent utiliser une imagerie avancée appelée imagerie « K-edge » ou tomodensitométrie (CT) par comptage de photons pour suivre simultanément des processus biologiques distincts en couleur qui, ensemble, révèlent plus sur l'évolution de la maladie qu'un scanner traditionnel.
L'équipe a publié ses conclusions dans Science avancée. Le travail -; effectué chez le rat mais avec des implications pour les humains – ; permet aux chercheurs et aux cliniciens de voir en couleur des processus auparavant obscurcis et d’observer les signes de la maladie bien avant que les symptômes cliniques ne se développent.
« Si nous pouvons développer un agent de contraste – une nanosonde métallique – ; adapté pour identifier et quantifier les particules cibles, il y a très peu de choses que nous ne pouvons pas voir avec le scanner CT à comptage de photons », a déclaré la première auteure Nivetha Gunaseelan, doctorante en génie biomédical. à Penn State.
Et cette visualisation est particulièrement importante lorsqu’il s’agit de maladies comme l’arthrose, qui peuvent évoluer inaperçues jusqu’à la présentation clinique, qui est souvent à un stade avancé et irréversible. Une intervention précoce pourrait réduire les symptômes et améliorer le mode de vie, si nous disposons des outils permettant un diagnostic précoce et un suivi longitudinal de la maladie. Nous pouvons améliorer les techniques d’imagerie pour détecter les modifications précoces du cartilage au niveau moléculaire, ce qui pourrait contribuer à améliorer le diagnostic et la surveillance. »
Nivetha Gunaseelan, doctorante. Génie biomédical, Penn State
Le travail repose sur une technologie relativement nouvelle, le scanner de tomodensitométrie (TDM) à comptage de photons, qui révèle les mêmes os, muscles et graisses que les scanners CT conventionnels peuvent détailler, mais a une capacité beaucoup plus large à séparer divers composants à une résolution plus élevée. et dans des couleurs désignées. Une version de ce scanner avancé, produit par Siemens, a été approuvée par la Food and Drug Administration des États-Unis pour une utilisation clinique et est maintenant installée dans certains hôpitaux, mais ses capacités d'imagerie moléculaire à plus petite échelle pour les applications cliniques sont restées largement inexplorées, selon les chercheurs.
Le scanner CT à comptage de photons suit les matériaux dotés d'identités K-edge uniques, qui font référence à la manière dont les électrons d'un matériau absorbent l'énergie. Les électrons reposent sur une coque K, une sorte d’enveloppe qui entoure le noyau d’un atome. À mesure que l’énergie est absorbée par les photons ou les particules de lumière, les électrons peuvent sauter vers des coques plus externes. L’atome peut absorber une certaine quantité d’énergie, et lorsque cette limite est atteinte, l’atome émet un éclair de lumière. Les chercheurs peuvent demander au scanner de suivre cette émission lumineuse particulière, appelée K-edge. Si un matériau doté d'une identité K-edge distinctive cible également une protéine spécifique, les chercheurs peuvent utiliser le scanner pour suivre l'activité de cette protéine.
« Cette approche d'imagerie haute résolution basée sur le K-edge pourrait potentiellement être utilisée pour imager plusieurs cibles biologiques, permettant ainsi le suivi de la progression de la maladie au fil du temps en mesurant le rapport d'expression des protéines », a déclaré l'auteur correspondant Dipanjan Pan, du Dorothy Foehr Huck & Professeur titulaire de la chaire J. Lloyd Huck en nanomédecine et professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de génie nucléaire à Penn State. « Cette approche peut être particulièrement bénéfique dans le diagnostic des maladies du squelette, car la progression de la dégradation du cartilage est très variable selon les patients et les informations sur le rapport provenant des marqueurs protéiques pourraient fournir des informations cruciales sur le stade de la maladie. »
Les chercheurs ont conçu deux nanosondes métalliques de type K, constituées de praséodyme et d'hafnium. Les sondes ciblent deux protéines du tissu cartilagineux : respectivement l'aggrécane et l'aggrécanase. L'aggrécane, qui contribue à fournir de la structure et à la capacité de supporter le poids du cartilage, est abondant dans les articulations saines et dans les premiers stades de l'arthrose. L'aggrécanase, qui clive l'aggrécane et limite les capacités du cartilage, est abondante aux stades avancés de l'arthrose. À mesure que la maladie progresse, le rapport entre les protéines change, fournissant ainsi des mesures permettant de suivre l’état de la maladie.
L’équipe a utilisé le scanner CT à comptage de photons pour suivre l’évolution du rapport à mesure que la maladie progressait dans un modèle animal. Ils ont utilisé une imagerie supplémentaire et une validation expérimentale pour corroborer leurs résultats.
« L'imagerie par rayons X a beaucoup progressé depuis la première démonstration de Röntgen », a déclaré Pan, faisant référence à Wilhelm Röntgen, le physicien qui a réalisé la première radiographie en 1895, avec la main d'Anna Bertha, son épouse, comme sujet. « Cette technique présente l'avantage de capturer des images rapidement, ce qui en fait un bon choix pour les situations d'urgence, mais elle manque de contraste avec les tissus mous et ne peut pas séparer le signal d'imagerie du site de la maladie de celui des structures intrinsèques, telles que les os. »
Cependant, a expliqué Pan, les technologies de détection avancées telles que la tomodensitométrie à comptage de photons et l'imagerie K-edge – ; sur lequel son laboratoire travaille depuis plus d'une décennie – ; ont permis une imagerie très précise et détaillée.
« Nous sommes désormais capables de compter les photons individuels et, par conséquent, de générer des images de type « point chaud » basées sur l'énergie du bord K d'un élément », a déclaré Pan. « Les résultats de notre expérience démontrent – pour la première fois – qu'un processus biologique complémentaire peut être suivi en multicolore, avec une modalité cliniquement pertinente. »
Selon Pan, la tomodensitométrie par comptage de photons offre plusieurs applications cliniques dérivées d'avantages tels que l'immunité au bruit électronique et l'imagerie haute résolution sans compromettre l'efficacité quantique.
« Nous avons montré le potentiel des nanosondes K-edge et de la tomodensitométrie par comptage de photons pour détecter les stades critiques de l'arthrose avant le développement des symptômes et la présentation clinique aux stades avancés », a déclaré Pan. « On s'attend à ce que le développement synergique de ces outils détermine le succès de ce domaine. »
Parmi les autres contributeurs de Penn State figurent des membres du laboratoire de Pan : Pranay Saha, chercheur postdoctoral en génie nucléaire ; Teresa Aditya, chercheuse postdoctorale en génie nucléaire ; et Fadia Kamal, professeur adjoint d'orthopédie à la Faculté de médecine. Co-premier auteur Parikshit Moitra, professeur adjoint de recherche en génie nucléaire à Penn State pendant l'étude et professeur adjoint actuel à l'Institut indien d'enseignement et de recherche scientifiques ; et Mahdieh Moghiseh, Kevin Jonker, Steven Gieseg et Anthony Butler, MARS Bioimaging Limited, Nouvelle-Zélande, ont également contribué. Pan, Gunaseelan, Moitra, Saha et Aditya sont tous affiliés aux Penn State Huck Institutes of Life Sciences ; Pan, Gunaseelan et Moitra sont également affiliés à l'Université du Maryland à Baltimore ; Jonker et Gieseg sont affiliés à l'Université de Canterbury, en Nouvelle-Zélande ; et Gieseg et Butler sont affiliés à l'Université d'Otago, en Nouvelle-Zélande.
Penn State, les programmes de recherche médicale dirigés par le Congrès du ministère de la Défense, les Centers for Disease Control and Prevention et la National Science Foundation des États-Unis ont partiellement soutenu cette recherche.
