Une illustration basée sur des simulations d’ingénieurs de l’Université Rice montre un ion gadolinium (bleu) dans l’eau (rouge et blanc), avec de l’eau de la sphère interne – l’eau la plus affectée par le gadolinium – mise en évidence. Les modèles de gadolinium dans l’eau des chercheurs montrent qu’il y a place à l’amélioration des composés utilisés comme agents de contraste en imagerie par résonance magnétique clinique. Crédit : Illustration par Arjun Valiya Parambathu
Les ingénieurs du riz trouvent des modèles plus efficaces pour analyser les agents de contraste qui détectent les maladies.
Les agents de contraste à base de gadolinium, l’étalon-or en imagerie par résonance magnétique (IRM) pour déterminer la santé d’un patient, peuvent être améliorés, selon les ingénieurs de l’Université Rice qui affinent les modèles qu’ils ont d’abord utilisés pour améliorer la récupération du pétrole et du gaz.
L’équipe dirigée par Dilip Asthagiri et Philip Singer de la George R. Brown School of Engineering avait étudié comment les outils de résonance magnétique nucléaire, couramment utilisés dans l’industrie pétrolière pour caractériser les gisements souterrains, pourrait être optimisé grâce à des simulations de dynamique moléculaire.
“Nous avons abordé de nombreuses questions scientifiques fondamentales là-bas, et nous nous sommes demandé s’il y avait d’autres moyens d’utiliser ces simulations”, a déclaré Asthagiri.
“Il y a environ 100 millions d’IRM prises dans le monde chaque année, et environ 40% d’entre elles utilisent des agents de contraste à base de gadolinium, mais la façon dont ils modélisent la réponse IRM à ces agents n’a pas changé de manière significative depuis les années 1980”, a déclaré Singer. “Nous avons pensé que ce serait un bon banc d’essai pour nos idées.”
Les résultats de leurs recherches sont publiés dans le journal de la Royal Society of Chemistry Chimie Physique Physique Chimique.
Leur article démontre comment la limitation du nombre de paramètres dans les simulations a le potentiel d’améliorer l’analyse des agents de contraste à base de gadolinium et à quel point ils sont efficaces en imagerie pour le diagnostic clinique. Leur objectif est de fabriquer des agents de contraste meilleurs et plus personnalisables.
Une illustration basée sur des simulations d’ingénieurs de l’Université Rice montre un ion gadolinium (bleu foncé) entouré d’un chélate connu sous le nom de DOTA dans l’eau. Le chélate est nécessaire pour minimiser la rétention de gadolinium dans le corps après une imagerie par résonance magnétique. Les atomes verts sont le carbone et le bleu clair sont l’azote. Crédit : Illustration par Arjun Valiya Parambathu
Les médecins utilisent des appareils d’IRM pour « voir » l’état des tissus mous à l’intérieur du corps, y compris le cerveau, en induisant des moments magnétiques dans les noyaux d’hydrogène des molécules d’eau toujours présentes pour s’aligner le long du champ magnétique. L’appareil détecte les points lumineux lorsque les noyaux alignés “se détendent” à l’équilibre thermique suite à une excitation, et plus ils se détendent rapidement, plus le contraste est brillant.
C’est là qu’interviennent les agents de contraste paramagnétiques à base de gadolinium. “Les ions gadolinium augmentent la sensibilité et rendent le signal plus lumineux en diminuant le temps de relaxation T1 des noyaux d’hydrogène”, a déclaré Asthagiri. « Notre objectif ultime est d’aider à l’optimisation et à la conception de ces agents. »
En règle générale, le gadolinium est «chélaté» – entouré d’ions métalliques – pour le rendre moins toxique. “Le corps n’élimine pas le gadolinium par lui-même et doit être chélaté pour que les reins puissent s’en débarrasser après une analyse”, a déclaré Singer. “Mais la chélation ralentit également la rotation moléculaire, ce qui crée un meilleur contraste dans l’image IRM.”
Les chercheurs ont noté que «chélate» vient du mot grec pour griffe. “Dans ce cas, ces griffes saisissent le gadolinium pour le rendre stable”, a-t-il déclaré. « Nous espérons que nos modèles nous aideront à concevoir une adhérence plus forte, ce qui les rendra plus sûrs tout en maximisant leur capacité à augmenter le contraste. »
Ils ont reconnu que les chélates de gadolinium, qui ont révolutionné les tests IRM lorsqu’ils ont été introduits à la fin des années 1980, ont été controversés ces derniers temps depuis qu’il a été découvert que les patients atteints d’insuffisance rénale étaient incapable d’éliminer toutes les toxines. “Ils ont depuis établi que si vous avez une bonne fonction rénale, les avantages l’emportent sur les risques potentiels”, a déclaré Singer.
L’équipe adapte également ses modèles au-delà des interactions avec l’eau. “Dans les systèmes biologiques, les cellules ont d’autres constituants comme les osmolytes et les dénaturants comme l’urée, donc nous modélisons le gadolinium avec ces différents environnements pour construire vers une variété d’applications”, a déclaré Asthagiri.
Référence : « Prédiction 1Relaxation RMN H en Gd3+-aqua utilisant des simulations de dynamique moléculaire » par Philip M. Singer, Arjun Valiya Parambathu, Thiago J. Pinheiro dos Santos, Yunke Liu, Lawrence B. Alemany, George J. Hirasaki, Walter G. Chapman et Dilip Asthagiri, 7 septembre 2021, Chimie Physique Physique Chimique.
DOI : 10.1039 / D1CP03356E
Les co-auteurs de l’article sont les étudiants diplômés de Rice Arjun Valiya Parambathu, Thiago Pinheiro dos Santos et Yunke Liu ; chercheur principal Lawrence Alemany; George Hirasaki, professeur émérite AJ Hartsook et professeur-chercheur ; et Walter Chapman, professeur William W. Akers de génie chimique et biomoléculaire.
Vinegar Technologies LLC, Chevron Energy Technology, le Rice University Consortium on Processes in Porous Media, le Department of Energy Office of Science et le Texas Advanced Computing Center de l’Université du Texas à Austin ont soutenu la recherche.