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Développement de séquences et traitement du signal dédié pour la
spectroscopie 2D quantitative in vivoCREATIS, CNRS UMR 5220, Inserm U1044
INSA LyonUniversité de Lyon
Encadrants : H. Ratiney, D. FribouletEquipe : RMN & Optique
Financement : Allocation de rechercheEcole Doctorale EEA
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Plan
• Contexte et Objectif de la thèse – SRM 1D quantitative : introduction et limitations– SRM 2D : de la haute résolution à une application in vivo quantitative?
• Axes de développement– Quantification– Simulation– Acquisition
• Perspectives
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SRM in vivo : Potentiels et enjeux
• Spectroscopie RMN : permet une quantification et exploration métabolique non invasive et longitudinale in vivo
• Information métabolique comme descripteur de phénomènes physiologiques– Une variation en concentration de certains métabolites
permet de caractériser biochimiquement une pathologie ex : stéatose1, cancer2, …
[1] Klein, M. S., Dorn, C., Saugspier, M., Hellerbrand, C., Oefner, P. J., & Gronwald, W. (2010). Discrimination of steatosis and NASH in mice using nuclear magnetic resonance spectroscopy. Metabolomics, 7(2), 237-246[2] Duarte, I. F., & Gil, A. M. (2012). Metabolic signatures of cancer unveiled by NMR spectroscopy of human biofluids. Progress in nuclear magnetic resonance spectroscopy, 62, 51-74. Elsevier B.V
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Caractéristiques d’un spectre
• Déplacement chimique• Couplage scalaire
Résultats de quantification d’un spectre acquis à TE courts (6ms ) à 500 Mhz: en rouge le spectre estimé , en bleu cyan le spectre original, en bleu le spectre de macromolecule estimé, en noir le résidu
Image pondérée en T2 d’un cerveau de souris acquise à 500 Mhz
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Le déplacement chimique
Fréquence de résonance Production d’un moment magnétique induit par le cortège électronique s’opposant à B0𝜐0=
𝛾 𝐵0
2𝜋
𝐵𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙
Déplacement chimique en ppm:
𝛿=𝜐𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙−𝜐𝑟 é 𝑓
𝜐0106
𝐵0
→
𝐵𝑒
→
0local eB B B ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
0localB B;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
𝜐0 𝜐0 𝜐𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙
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Le couplage scalaire
Interaction magnétique entre les noyaux : l’état de spin d’un noyaux peut affecter son voisin.
Couplage spin-spin ou scalaire Ce couplage est "transporté" par les électrons de liaison
13C
1H
1J
Couplage hétéro-nucléaire
1H 1H
3J
Couplage homo-nucléaire
nJAX en Hz -> n nombre de couplage entre A et X
Apparition de structures en multiplet dans les spectres
Exemple de l’éthanol pur à 95 %
CH2 CH3
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Spectroscopie 1D in-vivo Le signal de spectroscopie provient d’un seul volume de l’échantillon Aire d’une résonance donne accès à la concentration
= Quantification : déterminer les contributions de chaque molécules dans le signal de spectroscopie
Une vingtaine de métabolites détectables à haut champs Une dizaine quantifiable (dans le cerveau) 3
[3] Govindaraju, V., Young, K., & Maudsley, A. A. (2000). Proton NMR chemical shifts and coupling constants for brain metabolites. NMR Biomed, 13(3), 129-153.
Contribution des métabolites sur un spectre cérébral PRESS
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Spectroscopie 1D
Spectre PRESS d’un raton sain de 14 jours à 400 MHz
• Méthode limitée par sa sensibilité, sa résolution 4
• Problème d’enchevêtrement spectral 5
• Phénomène de J-Modulation
Comment s’affranchir de ces contraintes ? Haut-champs : B0 ++, S/B ++, dispersion spectrale ++ 2D
[4] Van, Q. N., Issaq, H. J., Jiang, Q., Li, Q., Muschik, G. M., Waybright, T. J., Lou, H., et al. (2008). Comparison of 1D and 2D NMR Spectroscopy for Metabolic Profiling research articles. Journal of Proteome Research, 630-639.[5] Gonenc, a, Govind, V., Sheriff, S., & Maudsley, a a. (2010). Comparison of spectral fitting methods for overlapping J-coupled metabolite resonances. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine, 64(3), 623-8. doi:10.1002/mrm.22540
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Objectif de la thèse
Quantifier de manière fiable un maximum de métabolites/ composants biochimique
S’affranchir des contraintes de SRM 1D in vivo Méthode SRM 2D in vivo quantitative
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Spectroscopie 2DIdée de J. Jeener
Augmenter la résolution spectrale en ajoutant une dimension supplémentaire dans le spectre 6
Préparation Evolution Mélange Détection
t1 t2Chronogramme type d’une séquence de spectroscopie 2D
S(t1,t2)
Encodage de l’influence du couplage scalaire ( J ) et du déplacement chimique ( δ )
selon deux dimensions temporelles.
[6]: J. Jeener, Ampere Summer School, Basko Polje, Yugoslavia (1971) (unpublished).
RFS(t2)
1D
2D
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Spectroscopie 2DSéquences 2D
Après transformée de Fourier 2D en (t1,t2) on obtient la répartition en fréquence d’un signal de corrélation7
FFT2
FID 2D (t1, t2) Spectre 2D (f1,f2)
[ 7] Akoka, S. (n.d.). UNE INTRODUCTION A LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE Chapitre 9 : Spectroscopie RMN quantitative.
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Étude bibliographiquePrincipales Séquences de corrélation Homo-nucléaires
• Une multitude de séquences (~20) de SRM 2D haute résolution• Quelles sont celles qui s’accordent avec notre problématique ?
(quantification in vivo)– COSY (COrrelated SpectroscopY) 8
• première expérience de spectroscopie de corrélation (Ernst)
– CT-COSY (Constant Time COSY) 9
• COSY ayant une durée tc avec une refocalisation. Permet d’avoir des pic de corrélation croisés d’une intensité doublée et de cibler le couplage scalaire des systèmes de spin avec tc
– TOCSY (TOtal Correlation SpectroscopY) 10
• permet de lever les ambiguïtés d’attribution des taches de corrélation d’une COSY quand on a des déplacements chimiques proches
– SECSY (Spin Echo Correlation SpectroscopY) 11
• Amélioration de la COSY avec une acquisition de l’écho adaptée dans le temps
[8] Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimension, R. R.Ernst, G. Bodenhausen, A. Wokaun, Oxford Science Publication[9]: Wu, Z., & Bax, a. (2001). Measurement of homonuclear proton couplings based on cross-peak nulling in CT-COSY. Journal of magnetic resonance (San Diego, Calif. : 1997), 151(2), 242-52.[10]: Massou, S., Nicolas, C., Letisse, F., & Portais, J.-C. (2007). Application of 2D-TOCSY NMR to the measurement of specific(13C-enrichments in complex mixtures of 13C-labeled metabolites. Metabolic engineering, 9(3), 252-7.[11]: K.NAGAYAMA, ANIL KUMAR, K. WÃTHRICH, R. R. E. (1980). Experimental techniques of two-dimensional correlated spectroscopy. �Journal of Magnetic Resonance, 40(2), 321-334.
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Développement pour des applications in vivo
Contraintes In Vivo: • Temps de relaxation ( T2≈200ms, T1≈1500ms )11
• Milieu ayant un champ magnétique inhomogène• Nécessité de localiser• Champ moyen (200-300 MHz)• Nécessité temps d’acquisition court (protocole IRM+SRM<1h SRM <30 min)
[12] Localized proton MRS at 7T in the rat brain: Estimated metabolie concentrations T2 relaxation times, 22st Annual Scientific Meeting of ESMRMB
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Stratégie de développement
Simulation
Quantification Acquisition
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Quantification Signal SRM2D = combinaison linéaire de signaux 2D de métabolites 13
Signaux connus par simulation connaissance à priori fort Fonction modèle du signal de corrélation 14 exemple
1 2
2
1 2 1 2ˆmin ( , ) ( , )t t
S x t t x t t
expérimental modélisé
Variation des différents paramètres pour M métabolites en présence:jusqu’à 2M+3 paramètres
[13] Jensen, J. E., Licata, S. C., Ongür, D., Friedman, S. D., Prescot, A. P., Henry, M. E., & Renshaw, P. F. (2009). Quantification of {J}-resolved proton spectra in two-dimensions with LCModel using GAMMA-simulated basis sets at 4 {Tesla}. NMR Biomed, 22(7), 762-769[14] J. Keeler, Understanding NMR Spectroscopy, Wiley Press
1 21 2 1 2 0 1 2 0 1 2
1 2 2 2
ˆ ˆ( , ) ( , ) exp ( , ) 2 ( , )Métabolites
cm m
m m inh m
t t tx t t x t t C i t t i t t
T T T
Simulé Modèle paramétriqueSignal modélisé
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Développement de séquencesApplication sur un tube de 9 métabolites à 50 mmol dans de l’argarose situation in vivo :
Choline (Cho) Taurine (Tau) N-Acétyl Aspartate (NAA) acide γ-amino butyrique (GABA) Glutamate (Glu) Glutamine (Gln) Lactate (Lac) Myo-Inositol (MIn) Créatine (Cr)
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COSY localisée (L-COSY)
Mise en place d’un pseudo-temps t1 en se basant sur une séquence PRESSSous environnement de programmation Bruker et optimisation des gradients de sélection et de brouillage
a: Cho, Tau, NAA, GABA, Cr, MIn, Lac, Gln, Glu
B0 = 200MhzNA =1 TR= 2500 mst1: 256 ptst2: 1024 ptsRésolution spectrale: 10 ppmDurée d’acquisition: 10min
Spectre LCOSY de 9 métabolites a
Lac
Glu
Tau
z
x
y
π/2 π π/2t1 t2
π/2 π/2
t1 t2
Correlated SpectroscopY
Localized-Correlated SpectroscopY
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CT-COSY localisée (L-CTCOSY)
Mise en place du pseudo-temps t1 et de la constant de temps tc en se basant sur une PRESS
z
x
y
π/2 π π/2(tc-t1)/2 t2(tc+t1)/2
b: Cho, Tau, NAA, GABA, Cr, MIn, Lac, Gln, Glu
B0 = 200MhzNA =1, TR= 2500 ms, tc = 80 mst1: 256 ptst2: 1024 ptsRésolution spectrale: 10 ppmDurée d’acquisition: 10min
Spectre L-CTCOSY de 9 métabolites b
Lac
Glu
Tau
π/2 π/2tc
t2
Constant Time Correlated
SpectroscopY
Localized-Constant Time Correlated SpectroscopY
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Simulation GAMMA(General Approach to Magnetic resonance Mathematical Analysis)
[15] S.A. Smith, T.O. Levante, B.H. Meier, R.R. Ernst, Computer Simulations in Magnetic Resonance. An Object-Oriented Programming Approach, Journal of Magnetic Resonance, Series A, Volume 106, Issue 1, January 1994, Pages 75-105, ISSN 1064-1858, 10.1006/jmra.1994.1008.
Basé sur le formalisme des opérateur-produits Librairie C++ Permet de simuler des systèmes de spin plus complexes de manière numérique 15
Application sur les séquences COSY/CT-COSY pour les métabolites (sans prise en compte du phénomène de relaxation) :
Cho, GABA, Lac, Tau, MIn, Glu, Gln, NAA
COSY simulé CT-COSY simulé
B0: 200MHzt1: 256 ptst2: 1024 ptsdt1=dt2=0.001 sTemps de calcul:25 ms
B0: 200MHzt1: 256 ptst2: 1024 ptstc: 100 msdt1=dt2=0.001 sTemps de calcul:25 ms
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Stratégie de développementSimulationAcquisition
Traitement du signal
Ex: • COSY• CTCOSY• Nouvelles
séquence ?
• GAMMA• C++
Quantification:• Prototypage
MatLab• CreaProject
Synergie =Stratégie
d’acquisition
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Perspectives• Quantifier les signaux acquis par L-COSY et L-CTCOSY• Apport du point de vue quantitatif de la nouvelle séquence 2D par rapport à celle existante au labo ? (théorie (simulation)/expérimentation)• Réduction du temps de calcul
• Optimisation/développement de nouvelle séquence:– Réduction du Temps d’acquisition– Réduction du nombre de paramètres à estimer / obtention de la meilleure fonction
modèle • Application in vivo (200-300 MHz)
– Caractérisation 2D des macromolécules/ lipides
Publication à l’ étude
3-6
moi
s2e a
nnée