Relaxation des ions de sodium en RMN in vivo et ex-vivo pour la caractérisation de l'état cellulaire

NMR relaxation of sodium ions in vivo and ex vivo for cellular state characterisation

• Auteur / Autrice : Mihaela Lupu
• Direction : Joël Mispelter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Résumé

Les propriétés de relaxation quadrupolaires des ions sodium ont été mises à profit pour caractériser les systèmes biologiques. Ces propriétés de relaxation ont été obtenues directement par la relaxation transversale des transitions à simple quantum et après sélection par l'intermédiaire des transitions à trois quanta. Une méthode originale (la décomposition en valeur singulière des déclins de relaxation) a permis l'extraction fiable des paramètres de relaxation simple quantum. Cette méthode, très stable, procure en outre un paramètre de relaxation nouveau (les valeurs singulières) caractérisant objectivement l'état du système en cours d'étude. Les propriétés quadrupolaires des ions sodium offrent en effet la possibilité, à travers les paramètres de relaxation RMN, de distinguer les populations d'ions libre et liés co-existant dans le milieu sans l'apport d'agent exogène de relaxation ou de déplacement chimique. On a montré ainsi que l'infection de cellules HeLa s'accompagne d'une augmentation importante de sites de liaison pour les ions sodium à la surface externe de la membrane de la cellule. Le même phénomène a été caractérisé pour des cellules en apoptose déclenchée chimiquement. L'utilisation de cette méthode a été étendue à l'exploration' de l'état de tissu dans des conditions pathologiques. On a ainsi montré que le foie perfusé présente aussi une augmentation importante de la population de sodium lié après une période d'ischémie. L'analyse quantitative de tous les paramètres de relaxation, révèle enfin l'existence d'un processus d'échange entre les fractions d'ions libres et liés, modulé par les concentrations des populations en présence. En conclusion, l'augmentation de la population d'ions sodium liés dans les états pathologiques des cellules et des tissus, mise en évidence de manière objective et totalement automatique par la relaxation RMN du sodium, peut être utilisée pour le diagnostique ou le suivi de thérapie en clinique.

For this study, the single quantum relaxation parameters (transverse relaxation times and corresponding amplitudes) as well as triple quantum filtered relaxation results were used for determining the quadrupolar sodium ions relaxation characteristics in biological systems. The retrieval of single quantum relaxation parameters was done via an original fitting method of the relaxation decays: Singular Value Decompositions. This fitting method is reliable, stable and offers a new relaxation parameter, singular values, for characterizing the state of the investigated systems. The sodium ions quadrupolar characteristics offer the possibility to distinguish via relaxation parameters the bound pools from the free compartments, co-existing in the sample, without adding any relaxation or shifting reagents. The experimental results put into evidence an important increase of extracellular binding sites, at the membrane level for perfused infected HeLa cells as compared with control. The cells apoptotic state was evidenced via NMR relaxation parameters. The same method was used for investigating the tissue pathological condition. For this purpose, normal, perfused liver was measured as compared with the same tissue while the ischemic state was induced. Irreversible tissue damage was accompanied with an important increase of bound sodium population, evidenced by both single quantum relaxation parameters as well as by TQF spectral amplitudes. The study also revealed the existence of an exchange process between the bound and free compartments modulated by the populations involved in. The overall results indicated that the increase of sodium bound populations in pathological cells or tissues may be used for clinical diagnose or treatment follow-up in a perfect non-invasive way.