Spectroscopie RMN quantitative appliquée à l’étude du métabolisme en 13C hyperpolarisé et aux interactions sel-matrice dans les aliments

Quantitative NMR spectroscopy applied to metabolism study using hyperpolarized 13C and to salt-matrix interactions in food

• Auteur / Autrice : Nour El Sabbagh
• Direction : Franck Durif, Jean-Marie Bonny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal
• Date : Soutenance le 06/01/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NPsy-Sydo - NeuroPsycho-Pharmacologie des systèmes dopaminergiques sous-corticaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Pages, Anne-Marie Delort, Cécile Lerman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giulio Gambarota, Corinne Rondeau-Mouro
• DOI : 10.70675/17ffd1c1z8791z4f44zaa88z3e76e43392b6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Résonance magnétique nucléaire (RMN)

Noyaux X

Spectroscopie par résonance magnétique (SRM)

Imagerie spectroscopique par résonance magnétique (ISRM)

Imagerie métabolique rapide

13C

Imagerie à multi-coup

Méthodologie

Encodage spatial spiralé

Traitement du signal

Correction de phase

23Na

Relaxation

Cohérence multi-quanta

Sel dans les aliments

Nuclear magnetic resonance (NMR)

X nuclei

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS)

Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI)

Rapid metabolic imaging

13C

Multi-shot imaging

Methodology

Spiral spatial encoding

Signal processing

Phase correction

23Na

Relaxation

Multi-quantum coherences

Salt in food

Résumé

L’imagerie spectroscopique par résonance magnétique des noyaux X, tel que le 13C, offre des spectres plus simples qu’en 1H. De surcroit, ce noyau est notamment très utile pour l’étude du métabolisme pathologique, par exemple celui de la maladie de Parkinson. L’inconvénient principal est une sensibilité qui empêche toute application in vivo en RMN conventionnelle. L’hyperpolarisation est une solution potentielle à cette limite car elle permet d’augmenter le niveau de polarisation du 13C d’un facteur de 10000 environ, mais qui décroît rapidement durant les expériences. Afin de pouvoir profiter de signal amplifié momentanément, une méthode d’imagerie spectroscopique rapide a été développée qui s’applique aux précurseurs 13C hyperpolarisés, mais aussi à d’autres noyaux donnant lieu à des spectres clairsemés. En particulier, cette méthode peut être appliquée à l’imagerie quantitative du 23Na ayant un spectre simple et des temps de relaxation T2 très courts. Ce noyau quadripolaire est très sensible à son environnement. Cette sensibilité peut se manifester sous forme de plusieurs compartiments, chacun d’eux pouvant générer des cohérences à simple ou multiples quanta. Cette compartimentation est très peu étudiée dans les tissus biologiques et dans les aliments. C’est pourquoi, une étude de la relaxation du 23Na a été menée dans des aliments contrastés en termes de quantité de sel et de matrice. Elle montre que diverses populations de sodium coexistent dans la plupart des matrices: une population de sodium fortement liée à la matrice et une autre plus libre qui se distinguent par l’effet quadripolaire. Ce point observé pour la première fois est important pour la quantification du sel dans les aliments et le déterminisme de la sensation salée.

13C magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) allows studying metabolism flux and characterizing the difference between healthy and diseased conditions like in Parkinson disease. However, 13C nucleus suffers from a lack of sensitivity as both its gyromagnetic ratio and its natural abundance are low. To tackle this issue, it is possible to boost its NMR signal up to 4 order of magnitudes by hyperpolarizing it. Hyperpolarized nuclei are in a transient state which start to relax as soon as the polarization process is stopped. This excited state lasts for few tens of seconds in general. To exploit this boost in NMR signal, it is then critical to have a fast MRSI approach. I implemented and optimized a fast MRSI method which can be applied to hyperpolarized 13C but also to any nuclei having a sparse spectrum like 23Na. This quadrupolar nucleus is highly sensitive to its local environment leading to possible compartmentation. This phenomenon is poorly described in both the clinical and food science literature. I performed a 23Na relaxation study on contrasted food in term of salt quantity and food structure. I demonstrated that several sodium compartments existed in most of the food: one pool strongly bounded to the food matrix leading to quadrupolar interactions and a second pool for which sodium does not present strong interactions with the food and then no quadrupolar interactions. These observations are critical to both quantify locally the sodium and make a relationship between salt properties (concentration, interaction) and salty taste.