Développement d'un système optique pour l'imagerie moléculaire préclinique de l'athérothrombose

Development of an optical system for preclinical molecular imaging of atherothrombosis

• Auteur / Autrice : Dinh hoang Nguyen
• Direction : Jean-Michel Tualle, Frédéric Chaubet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Phalla Ou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Motte, Ngoc Diep Lai, Eric Tinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Ménager, Thierry Gacoin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Microscopie médicale

Athérothrombose

Imagerie

Mots clés libres

Microscopie hyperspectrale

Hyperspectral microscopy

Résumé

Dans ce travail de thèse, nous développons des protocoles d'imagerie optique pour l'observation des nanoparticules sur des coupes de tissus afin de relier leur localisation et leur «comportement» à l'environnement biologique, en particulier son éventuel état pathologique. Nous avons synthétisé des agents de contraste bimodaux, sous forme de nanoparticules -NP- visibles en résonance magnétique et en optique, à base d'oxydes de fer et de zinc (Zn(Fe)O) avec une nouvelle méthode de polyol azéotropique dans des solvants glycoliques (DEG et PG). L'élimination de l'eau à l'aide de l'appareil Dean-Stark est une nouvelle stratégie pour la synthèse de NP dans une solution de polyol, avec un rendement élevé et produisant des particules de petite taille. Les NP les plus visibles, selon leur contraste IRM, ont été revêtus de carboxyméthyl pullulane, de polyéthylène glycol, de carboxyméthyl dextrane et de fucoïdane, ce dernier étant un polysaccharide capable de se lier spécifiquement à la paroi vasculaire. Les NPs montrent de bonnes propriétés magnétiques et optiques à température ambiante. Les NP recouvertes ont été injectées dans un modèle de rat d’athérothrombose pour localiser le thrombus par IRM avant sacrifice et collecte des tissus pour étude des coupes histologiques par microscopie optique. La différence entre les images IRM avant et après l'injection de fucoïdane-NPs et de CMD-NPs est claire. Les résultats montrent que les NP recouvertes de fucoïdane sont liées au thrombus. Certains types de microscopies, tels que la microscopie de fluorescence, la microscopie en champ sombre, la microscopie hyperspectrale à champ sombre et la microscopie interférentielle à champ sombre ont été développés pour la détection des NPs en milieu liquide et dans les tissus. En analysant le spectre de chaque pixel et en le comparant au spectre des matériaux de référence, la microscopie hyperspectrale peut détecter la présence de NPs sur des coupes de tissus, les localiser, les identifier et les caractériser. Zn(Fe)O NPs constituerait donc un agent de contraste bimodal potentiel pour l’IRM et l’imagerie optique. Cependant, bien que de nombreux outils optiques avancés aient été développés, nous avons constaté qu'il est toujours difficile d'identifier de manière fiable les NP dans le tissu.

In this thesis work, we develop optical imaging protocols for the observation of then anoparticles on tissue slices in order to further link their localization and their “behaviour” to the biological pathological environment. Bimodal zinc and iron oxide-based MRI/optical nanoparticle contrast agents (Zn(Fe)O) have been synthesised with a novel azeotropicpolyol method in glycol solvents (DEG and PG). The most potent NPs, as regard to their MR contrast power, have been coated with carboxymethyl pullulan, polyethylene glycol,carboxymethyl dextran (CMD) and fucoidan, the latter being a polysaccharide able to specifically bind to the vascular wall. The coated NPs were injected into rat to locate atherothrombosis by MRI. Then the histological slices of harvested diseased tissue were imaged with our homemade optical microscope. Water removal using Dean-Stark apparatus is a novel strategy for the synthesis of NPs in polyol solution with high yield and small size.The NPs show the good magnetic and optical properties at room temperature. The coated nanoparticles were injected into an atherothrombotic rat model to locate the thrombus by MRI prior to sacrifice of the animals and tissue collection for histological study by optical microscopy. The difference of MRI images between before and after injection with Fucoidan-NPs and CMD-NPs is clear. The results indicated that fucoidan-NPs are linked to the thrombus. Some type of microscopies, such as fluorescent microscopy, dark field microscopy, hyperspectral dark field microscopy and interference dark field microscopy have been developed for the detection of NPs in liquid medium and in the histological tissue. By analyzing the spectrum of every pixel and comparing to the spectrum of reference materials, hyperspectral microscopy can detect the presence of nanomaterial on exposed tissue slices, locate, identify, and characterize them. Zn(Fe)O NPs would therefore constitute a potential bimodal contrast agent for MRI and optical imaging. Although many advance optical tools have been developed, but we found it is still a challenge to identify reliably the NPs in the tissue.