Lung magnetic resonance imaging as a non-invasive alternative to assess experimental pulmonary diseases in small rodents

L’imagerie par résonance magnétique est capable de détecter le contenu en eau des tissus biologiques et ainsi d’estimer localement et de manière non invasive l’infiltration d’eau et/ou la sécrétion de fluides et/ou la densification tissulaire. Dans les maladies pulmonaires comme l’asthme, les bronchopathies chroniques obstructives ou la fibrose, la fuite plasmatique, la sécrétion de mucus et l’épaississement des tissus du poumon composent parmi les signes pathologiques majeurs qui contribuent directement à l’amoindrissement de la fonction pulmonaire. Ces caractéristiques sont, en outre, bien conservées dans les modèles expérimentaux de maladies pulmonaires chez le petit rongeur. Un intérêt particulier est porté vers le développement et l’utilisation de modèles chez la souris qui a fourni, en parallèle des avancées en matière de génie génétique et de biologie molécuaire, un pertinent support in vivo pour l’investigation et la compréhension des maladies pulmonaires. De nos jours, les méthodes de routine employées pour l’évaluation de l’état pathologique des poumons dans ces modèles sont terminales, ou ne fournissent qu’une estimation globale de la fonction des voies respiratoires sans information d’ordre spatial. Ainsi, nous avons mis au point une méthode utilisant l’IRM afin de détecter différents signes pathologiques induits dans un modèle d’asthme chez la souris. Lors de cette thèse, nous avons démontré et validé la pertinence de l’IRM dans la détection et le suivi de signaux associés à la fuite plasmatique et aux sécrétions de mucus dans les voies aériennes, qui sont deux caractéristiques majeures de la réponse inflammatoire suite à la provocation allergénique. Afin de valider de façon plus approffondie nos observations, nous avons démontré l’utilité de la méthode dans une étude pharmacologique. Nous avons choisi d’étudier la pharmacologie du sphingosine-1-phosphate (S1P) car de récentes publications indiquaient l’implication de ce médiateur endogène dans les mécanismes inflammatoires et dans le maintien de la perméabilité des tissus. Dans deux études examinant les effets (i) de l’agoniste général du S1P, le FTY720 et (ii) de l’antagoniste sélectif du S1P2, le JTE013, l’incidence de la fuite plasmatique dans la détection des signaux IRM a été mise en évidence dans notre modèle d’inflammation pulmonaire chez la souris et a été confirmée par histologie et par analyse du lavage broncho-alvéolaire. De plus, la technique ayant été précédemment mise au point chez le rat, durant les travaux de thèse nous avons progressé dans les investigations concernant l’utilisation de l’IRM du poumon pour cette espèce. Ainsi, nous sommes parvenus à détecter de façon sélective et à suivre la progression des sécrétions de mucus par IRM en utilisant un agent de contraste spécifique dans un modèle d’hypersécrétion de mucus induite par endotoxine chez le rat. En outre, nous avons également démontré les capacités de l’IRM dans l’estimation et le suivi de l’hydratation des sécrétions des voies aériennes. En effet, dans un modèle non-inflammatoire chez le rat, la formation de signaux IRM liés à la présence de fluide a été induite par l’instillation d’une solution hypertonique et accrue de manière dose dépendente par l’administration de différents composés agissant directement ou indirectement sur les canaux sodiques épithéliaux (ENaC), responsables de la régulation du niveau d’hydratation du liquide de surface des voies aériennes. Ces études ont été menées avec succés chez le rat dans la perspective d’un futur transfert chez la souris permettant d’utiliser des animaux transgéniques. Enfin, nous avons en partie validé l’utilisation de l’IRM dans un modèle moins aigü de fibrose induite par bléomycine chez la souris. Ce modèle a été choisi pour sa capacité à reproduire les caractéristiques globales de la fibrose pulmonaire humaine ainsi que pour sa facilité à être mis en place. Dans cette étude, nous avons été capable de localiser et de suivre par IRM la course des signaux liés aux composantes inflammatoire et fibrotique incluant la fuite plasmatique, la sécrétion de mucus et l’épaississement des tissus qui ont été confirmées par analyse histologique des poumons. En résumé, ce travail a permis d’apporter la preuve que l’IRM peut contribuer de façon significative à la recherche dans le domaine des maladies pulmonaires chez le petit rongeur. Les résultats obtenus soutiennent que l’utilisation de l’IRM, comme un outil non-invasive et fournissant des informations d’ordre spatial et temporel, peut être envisagée en complément et/ou en remplacement des méthodes pratiquées aujourd’hui pour l’évaluation de modèles expérimentaux chez le petit rongeur.Magnetic resonance imaging (MRI) is able to detect water content in the biological tissue and thus to non-invasively assess on a regional basis infiltrated water and/or secreted fluids and/or tissue densification. In pulmonary diseases such as asthma, chronic obstructive pulmonary diseases or fibrosis, plasma exudation, mucus secretion and thickening of the lung tissue constitute hallmarks of the pathological status that directly contribute to functional impairment. These features are well conserved in experimental pulmonary disease models in the small rodents. A particular interest is given to murine models that have provided, in parallel to the technological progress in genetic engineering and molecular biology, a reliable in vivo support for lung disease understanding and investigation. Nowadays, routine methods used to evaluate disease state of the lung in these models are either terminal or gives functional estimation of the global airways.Therefore, we have set up a method using MRI technique to non-invasively depict different hallmarks occurring in a murine model of asthma. In this thesis, we have demonstrated that proton MRI provides a relevant mean to assess and follow signals associated with the plasma leakage and mucus secretions in the lung, which are both important features of the inflammatory response following allergenic provocation. To further confirm these findings, we have also validated in this model the effect of pharmacological tools. We chose to study sphingosine-1-phosphate (S1P) pharmacology on the basis of recent publications indicating a possible implication of this endogenous mediator in inflammation and lung barrier integrity in models of asthma. In two studies examining the effects of the general S1P agonist FTY720 and of the S1P2 antagonist JTE013, the incidence of plasma leakage on fluid signal detection was highlighted in our murine model of airway inflammation and confirmed by histology and BAL fluid analyses. Additionally, since the technique had been previously set up in the rat, we extended the knowledge in this species. In this regard, we achieved the selective detection and monitoring of mucus dynamics by MRI with the use of a specific contrast agent in a model of endotoxin-induced mucus hypersecretion. Besides, we also demonstrated the capabilities of MRI to follow the hydration of airway secretions. In this non-inflammatory model, the formation of MRI fluid signals were induced by hypertonic saline instillation and dose-dependently enhanced by different compounds that interact directly or indirectly with epithelial Na+ channel (ENaC), a major regulator of airway surface liquid hydration. These studies have been successfully performed in the rat with the perspective of future translation to murine models for transgenic application. Finally, we have partially validated the application of this technique to a less acute model, the murine bleomycin-induced fibrosis. This model has been chosen regarding its admitted relevance to mimic global characteristics of human pulmonary fibrosis in addition to its simplicity to be set up. In this study, we have been able to follow by MRI the course of edematous, mucous and/or fibrotic features in correlation with histological findings. In summary, the present work is bringing evidence of possible contributions of MRI in pulmonary disease investigations in mouse and rat, and postulates for its use to complete and/or replace the methods used nowadays to evaluate experimental murine models