Quantitative imaging of aerosol deposition in small animal airways using magnetic resonance imaging

Cette thèse s’inscrit dans le projet OxHelease (ANR-TecSan 2011) qui vise à étudier l’impact de l’inhalation de l’hélium-oxygène sur la ventilation, l’oxygénation sanguine, le dépôt d’aérosol dans l’asthme et l’emphysème. Dans ce cadre, ce travail de thèse a consisté à mettre au point des méthodes d’imagerie par résonance magnétique pour quantifier les dépôts d’aérosols chez le rat. L’administration de médicaments par voie inhalée est une approche possible pour le traitement des maladies pulmonaires comme les broncho-pneumopathies chroniques obstructives. C’est également une voie intéressante pour l’administration systémique de médicaments en raison d’un transfert potentiellement rapide dans le sang. Néanmoins, le transport et les dépôts de particules dans les poumons sont complexes et difficiles à prédire, à cause de la dépendance de nombreux paramètres, tels que le protocole d’administration, la morphologie des voies aériennes, le profil respiratoire, ou encore les propriétés aérodynamiques du gaz et des particules. Pour mieux maîtriser cette voie d’administration de médicaments, des outils d’imagerie peuvent être utilisés. L’IRM est moins conventionnelle que d’autres approches pour caractériser le poumon, mais les progrès techniques et les multiples mécanismes de contraste exploitables peuvent être mis à profit pour ce faire.Pour obtenir un signal exploitable du parenchyme pulmonaire chez le rat, une séquence IRM à temps d’écho court a été mise en place sur un système clinique à 1,5 T. Cette technique a été combinée à une administration de courte durée d’un aérosol de chélate de Gadolinium en respiration spontanée. Le mécanisme de contraste principal utilisé est la modification du temps de relaxation longitudinale induisant un rehaussement du signal et qui permet d’estimer la concentration locale avec une résolution spatiale de (0,5 mm)3 et temporelle de 7,5 min permettant également de suivre l’élimination pulmonaire au cours du temps. La sensibilité de cette approche (seuil de détection de l’ordre de 20 µM) a été déterminée et pour cela des méthodes d’analyses spécifiques globales et locales incluant des segmentations, des analyses de distributions et des statistiques ont été développées. Après validation sur des rats sains, pour lesquels un rehaussement moyen de 50%, une distribution homogène de dépôt et une dose totale relativement faible (~1 µmol/kg de poids corporel) ont été observés, cette modalité d’imagerie a pu être appliquée chez des modèles asthmatiques et emphysémateux qui ont montrés des différences significatives de certains paramètres comme l’homogénéité des dépôts ou la cinétique d’élimination. Par ailleurs, des résultats préliminaires de mise en place d’une étude multimodale, où l’IRM est comparée à la tomodensitométrie et à l’imagerie nucléaire sur les mêmes animaux a été effectuée. Enfin, dans une optique d’évaluation de la faisabilité d’approches quantitatives par IRM, un système double noyaux proton-fluor pour déterminer la sensibilité de l’imagerie de gaz et d’aérosols fluorés a été implémenté et testé sur des rats.Ces approches par IRM ouvrent des perspectives pour permettre la caractérisation in vivo des dépôts de particules inhalées dans des conditions d’administration variées et leur sensibilité suggère un transfert potentiel chez l’hommeThis PhD thesis is part of the OxHelease project (ANR-TecSan 2011) that aims to study the impact of helium-oxygen inhalation on ventilation, blood oxygenation, and aerosol deposition in chronic obstructive respiratory diseases, such as asthma and emphysema. In this context, this work consisted of developing magnetic resonance imaging methods to quantify aerosol deposition in rat lung.The inhalation of pharmaceutical aerosols is an attractive approach for the treatment of lung diseases such as chronic obstructive pulmonary diseases. This is also an interesting route for the treatment of systemic disorders with the potentially fast drug transfer into circulation. However, the transport and the deposition of particles within the lungs are complex and difficult to predict, since deposition patterns depend on a number of parameters, such as administration protocols, airway geometries, inhalation patterns, and gas and aerosol aerodynamic properties. Thus, understanding drug delivery through the lungs requires imaging methods to quantify particle deposition. MRI is less conventional than other approaches for lung characterization, but the technical advances and the multiple contrast mechanisms render lung imaging more feasible.To obtain exploitable signal from the lung parenchyma of the rat, an ultra-short echo (UTE) sequence was implemented on a 1.5 T clinical system. This technique was combined with a Gadolinium-based aerosol nebulization of short duration in spontaneously breathing rats. The main contrast mechanism used here is the modification of the longitudinal relaxation time yielding signal enhancement and allowing to assess the local concentration with a spatial resolution of (0.5 mm)3 and a temporal resolution of 7.5 min enabling to quantitatively follow up lung clearance. The sensitivity of this approach (with a detection limit close to 20 µM) was determined. To do so several specific processing methods were developed for local and total lung evaluation, including segmentation, distribution analysis and statistics. After validation in the healthy rats, for which a signal enhancement of 50% on average, a homogenous distribution of deposition and a relatively low total deposited dose (~1 µmol/kg body weight) were observed, this imaging modality could be applied in asthmatic and emphysematous animal models. Significant differences were obtained such as homogeneity of deposition or clearance. Moreover, preliminary results of a multimodal study, in which MRI was compared with computed tomography and with nuclear medicine imaging in the same animals, were obtained. Finally, in order to evaluate the feasibility of other potential quantitative MRI approaches, a dual-nuclei proton/fluorine system was implemented and tested in rats for determining the sensitivity of fluorine-based gas and aerosol imaging.These MRI strategies may be applied for the in vivo characterization of particle deposition inhaled under variable administration conditions. Their sensitivity suggests a feasible translation to human