Vous pouvez garder vos meilleures suppositions. Les ingénieurs de la George R. Brown School of Engineering de l’Université Rice commencent à comprendre exactement ce qui se passe lorsque les médecins pompent des agents de contraste dans votre corps pour une IRM.
Dans une nouvelle étude qui pourrait conduire à de meilleurs scans, une équipe dirigée par Rice creuse plus profondément via des simulations moléculaires qui, contrairement aux modèles précédents, ne font absolument aucune hypothèse sur les mécanismes de base en jeu lorsque des agents de gadolinium sont utilisés pour mettre en évidence les tissus mous.
L’étude dirigée par l’ingénieur chimiste et biomoléculaire Rice Philip Singer, l’ancien professeur de recherche associé Dilip Asthagiri, maintenant du laboratoire national d’Oak Ridge, et l’étudiant diplômé Thiago Pinheiro dos Santos apparaît dans Physique Chimie Chimie Physique.
Il utilise les modèles sophistiqués développés pour la première fois à Rice pour les études sur le pétrole et le gaz afin d’analyser de manière concluante comment les noyaux d’hydrogène à la température corporelle « se détendent » sous résonance magnétique nucléaire (RMN), la technologie utilisée par l’imagerie par résonance magnétique, alias IRM.
Les médecins utilisent l’IRM pour « voir » l’état des tissus mous, y compris le cerveau, chez un patient en induisant des moments magnétiques dans les noyaux d’hydrogène des molécules d’eau pour s’aligner sur le champ magnétique, un processus qui peut être manipulé lorsque des agents de gadolinium sont dans le environs. L’appareil détecte les points lumineux lorsque les noyaux alignés se détendent pour revenir à l’équilibre thermique suite à une excitation. Plus ils se détendent rapidement, plus le contraste est brillant.
Les molécules de gadolinium sont naturellement paramagnétiques et sensibles à l’excitation magnétique. Parce qu’ils sont toxiques, ils sont généralement chélatés lorsqu’ils font partie d’un agent de contraste. « Un chélate épouse essentiellement le gadolinium et protège votre corps d’une interaction directe avec le métal », a déclaré Pinheiro dos Santos. « Nous demandons, exactement comment ces molécules se comportent-elles? »
Bien que des agents de contraste à base de gadolinium soient injectés par tonne aux patients chaque année, leur fonctionnement au niveau moléculaire n’a jamais été entièrement compris.
Crédit : Université Rice
« Il y a 40 ans, dans le domaine de la RMN, les gens supposaient que l’eau liquide n’était qu’une collection de billes en mouvement, et les dipôles dans les billes se réorientaient au hasard », a déclaré Asthagiri.
Mais de telles hypothèses sont limitatives, a-t-il déclaré. « Ce que Thiago fait avec sa simulation explicite, c’est montrer comment le réseau d’eau évolue dans le temps », a déclaré Asthagiri. « Ce sont des calculs compliqués et gourmands en calcul. »
Les simulations de Rice utilisent des champs de force polarisables hautement raffinés pour étudier le phénomène en détail, ce qui a nécessité un calcul intensif accéléré par GPU.
L’équipe a validé son approche de dynamique moléculaire avec des données expérimentales du co-auteur Steven Greenbaum, professeur de physique au Hunter College de la City University de New York, dont le laboratoire est spécialisé dans les mesures RMN des processus de transport ionique et moléculaire dans la matière condensée.
Les simulations ont révélé des différences distinctes dans la façon dont les enveloppes interne et externe des molécules d’eau autour du gadolinium réagissent à l’excitation thermique. « La coque interne est le groupe de huit ou neuf molécules d’eau autour du gadolinium », a déclaré Pinheiro dos Santos. « Ils sont fortement attachés au gadolinium et y restent longtemps, quelques nanosecondes. L’enveloppe externe englobe toutes les molécules d’eau restantes. »
Les chercheurs ont découvert que si la structure de la coque interne ne change pas entre 41 et 98,6 degrés Fahrenheit, sa dynamique est très sensible aux effets thermiques. Ils ont également découvert que la température affecte considérablement l’auto-diffusivité des molécules dans les simulations de gadolinium-eau d’une manière qui affecte la relaxation de la coque externe.
« Dans l’ensemble, ces découvertes ouvrent une nouvelle voie pour élucider la façon dont les agents de contraste réagissent aux conditions du corps humain lors d’une IRM », a déclaré Singer. « En comprenant mieux cela, on peut développer de nouveaux agents de contraste plus sûrs et plus sensibles, ainsi qu’utiliser des simulations pour améliorer l’interprétation des données IRM. »
Il a déclaré que de futures études examineront les complexes de gadolinium chélatés dans des fluides plus représentatifs des intérieurs cellulaires.
Plus d’information:
Thiago J. Pinheiro dos Santos et al, Effets thermiques et de concentration sur la relaxation RMN 1H de Gd3 + -aqua à l’aide de simulations et de mesures MD, Physique Chimie Chimie Physique (2022). DOI : 10.1039/D2CP04390D