Échographie haute résolution du petit animal
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Échographie haute résolution du petit animal Gilles Renault Plate forme d’échographie du petit animal, Site Cochin Plate Forme d’imagerie du petit animal Paris-Descartes UNITE 1016 UMR 8104 La plate forme universitaire Descartes Images Institut Cochin Hôpital Européen Georges Pompidou IRM Echographie Micro CT microPET Centre de Recherche des Cordeliers Descartes-Images Faculté de Pharmacie iRPE Imagerie Optique Luminescence Fluorescence Traitement du signal Centre Universitaire des Saints-Pères Intérêt de l’imagerie haute résolution • Intérêt de l’imagerie … – Non invasif – Suivi longitudinal des individus • Coût • Ethique – Informations fonctionnelles • …Haute résolution Positionnement des modalités pour l’imagerie du petit animal Whole-animal imaging: The whole picture, Monya Baker Nature 463, 977-980 (18 February 2010) | doi:10.1038/463977a Positionnement de l’échographie pour l’imagerie du petit animal • Principales caractéristiques physiques – Imagerie temps réel – Opacité de l’air et des os • Applications – Développement – Cardiologie – Cancérologie – Rhumatologie … – Neurologie (sauf nouveaux nés et craniectomie) Echographie : Principes physiques • Le son – Onde de pression – Caractérisée notamment par une fréquence (f), une amplitude (A), et une vitesse de propagation (C) • L’ultrason – Infra sons f<20Hz – Sons audibles 20Hz<f<20kHz – Ultrasons 20kHz<f<200MHz • Pourquoi des ultrasons en imagerie clinique ou animale ? – Résolution fonction de la longueur d’onde (λ) – λ=C/f Echographie : Principes physiques • Mesure de l’écho reçu après émission d’une onde (ultra)sonore. X X d = Cmilieu .t 2 t Y Y Echographie : Principes physiques • Diffusion X Y Echographie : Formation de l’image • Avantages : – Innocuité – Temps réel – Imagerie de contraction et de flux – coût • Limites : – Atténuation en profondeur – Réflexion totale sur l’os et l’air Puissance acoustique en dB Echographie : Quelle grandeur physique voit-on ? • Notion d’interface acoustique – Changement d’impédance acoustique (~réflexion diffusion en optique) • Notion d’Impédance Acoustique – Z = ρC • Z impédance acoustique • ρ Masse volumique • C :Vitesse de propagation des ultrasons dans le milieu – C²=ρE • E : Module d’élasticité – Z = √(ρE) • Impédance acoustique fonction de l’élasticité et de la masse volumique • Donc en échographie on « voit » des différences d’impédances acoustiques autrement dit des variations de densité et/ou d’élasticité entre les tissus Échographie haute résolution Échographe clinique Échographe haute résolution TABC AA CPD Orcheo XQ, Sonoscanner, Sonde 15MHz Vevo 770 Visualsonics, RMV 708 (55MHz) AA : Aorte Ascendante TABC : Tronc Artériel Brachio-céphalique CPD : Carotide Primitive Droite Échographie haute résolution : détection précoce Pancreatic Tumor in Rat Échographie haute résolution : détection précoce Early detection of spontaneous Intestinal Polyp in transgenic mice strain Early detection of spontaneous Liver tumor in transgenic mice strain Spécificités de l’échographie haute résolution • Technologie Appareil clinique Appareil haute résolution Sonde Multi-éléments Sonde à balayage mécanique -Fréquence US <15 MHz -Résolution ~200µm -Profondeur ~ 50mm -Focale dynamique -Fréquence image >100Hz - Mode Doppler image -Doppler couleur -Doppler Tissulaire Image - Modes d’imagerie harmonique -Fréquence US >30 MHz -Résolution ~40µm -Profondeur ~20mm -Focale fixe -Fréquence image <100Hz - Doppler Puissance Modes échographiques : Mode TM • Image sur une ligne du mouvement des parois de l’endocarde au cours du temps (mode Temps-Mouvement) Mode B acquis en temps réel puis ralenti (500 BPM vitesse réelle) sur souris témoin C57Bl6 Exemple de mesure en mode M sur souris Témoin C57Bl6 Modes échographiques : EKV • EKV : imagerie haute fréquence de la contraction cardiaque, par synchronisation et reconstruction (1000 images/secondes) Mode 3D Imagerie fonctionnelle : échographie Doppler • L’écho renvoyé par une cible se rapprochant ou s’éloignant de la sonde est décalé en fréquence ∆f = 2.V.f0.cos(θ)/c θ f0 + ∆f f0 V Pour pouvoir faire un Doppler il faut - un réflecteur : hématies - un déplacement : artère, Veine - allant +/- dans la direction de la sonde (+/-30°, max 60°) Contraintes supplémentaires: - Compromis vitesse / profondeur - Vitesse de flux suffisante - pouvoir filtrer le signal des tissus Modes échographiques : Doppler • Doppler Spectral Vitesses absolues de déplacement du sang artériel et veineux. • Indices de résistance hémodynamique Pic Systolique • débits Flux Diastolique Mesure des vitesses d’écoulement du sang dans l’artère ombilical d’un embryon de souris (129) à E12.5 Modes échographiques : Doppler Tissulaire • Doppler Spectral Vitesses absolues de déplacement des tissus • Strain Rate Doppler Tissulaire du Mur postérieur du ventricule gauche (vitesse de contraction radiale) Modes échographiques : Doppler puissance – Doppler Puissance Vascularisation du cordon ombilical d’un embryon de souris au niveau du placenta Modes échographiques : Doppler 3D – Doppler Puissance en 3D avec image en niveaux de gris Vascularisation d’une tumeur en Doppler 3D, après injection de produit de contraste Modes échographiques : Doppler 3D – Doppler Puissance en 3D avec image en niveaux de gris Insertion du Cordon dans le placenta et gros vaisseaux de l’embryon Imagerie Haute résolution Sondes multi-éléments Doppler Couleur VEVO 2100, Visualsonics Vitesses myocardiques Banc d’échographie et préparation • Matériel – Appareil, platine chauffante, monitoring respiration et ECG. – Anesthésie isofluorane avec récupération des efflux • Protocole – Épilation de la souris – Application de Gel – Utilisation manuelle/sonde fixée. – Mesures après acquisition Applications pour le phénotypage Anatomie Fonction Cardiologie Développement embryonnaire Rhumatologie Vasculaire Cancérologie Évaluation de la mort embryonnaire dans des lignées murines congéniques (P. Laissue, Institut Cochin) • Problématique : – Identifier parmi 39 lignées congéniques (IRCS) celles présentant un phénotype de mort embryonnaire, pour identification d’un QTL (Quantitative Trait Loci). • Méthode : – Échographie pour le comptage et l’observation des embryons aux stades : • E8.5-E10.5 • E10.5-E14.5 • Éventuellement contrôle à E13.5E17.5 Évaluation de la mort embryonnaire dans des lignées murines congéniques (P. Laissue, Institut Cochin) • Résultats – 1300 examens • 215 femelles examinées • 1800 embryons observés – Phénotype de mort embryonnaire identifié dans 4 lignées : • Tx observé : > 15% ( 4,6% chez Wt) • Conclusion – Étude rendue possible par son moindre coût par l’échographie – Identification de loci potentiellement impliqués dans l’infertilité An in vivo approach of the embryonic development in an interspecific recombinant congenic mice model reveals QTL responsible for embryonic lethality and resorption, Laissue et al, Int J. Dev Biol, In Press Caractérisation de l’hémodynamique ombilicale dans deux lignées de souris transgéniques – Y a-t-il une modification de la vascularisation placentaire dans ces lignées ? • Méthode : – Mesure des vitesses dans l’artère et la veine ombilicale • Estimation indirecte de la résistance hémodynamique placentaire – Mesure des diamètres des vaisseaux ombilicaux – Mesure de débit ombilical (veineux et artériel). Poids de l’embryon (mg) • Problématique : Poids du placenta (mg) (H. Jammes, Institut Cochin) 120 100 80 60 40 20 0 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 - 40% *** Lignée 1 +30% *** wt - 18% *** Lignée 1 Lignée 2 +13% *** wt Lignée 2 Caractérisation de l’hémodynamique ombilicale dans deux lignées de souris transgéniques (H. Jammes, Institut Cochin) Caractérisation de l’hémodynamique ombilicale dans deux lignées de souris transgéniques (H. Jammes, Institut Cochin) Témoins Lignée 1 10.5 12.5 14.5 16.5 18.5 Profils de vitesse dans l’artère ombilicale d’embryon de souris au cours de la gestation Caractérisation de l’hémodynamique placentaire dans deux lignées de souris transgéniques (H. Jammes, Institut Cochin) • Résultats • Conclusion – Variation du poids non corrélée au débit sanguin ombilical – Lignée 1 : Mise en évidence d’une résistance hémodynamique inférieure – Lignée 2 : pas de différence de résistance hémodynamique index de pulsatilité 25.000 Index de pulsatilité – Examen ~ 20 embryons entre les stades E10.5 et E18.5 – Pas de différences au niveau des débits ombilicaux, des vitesses systoliques – Variation des vitesses diastoliques en fonction de la date de gestation sur une lignée 20.000 lignée 1 lignée 2 témoins P l i l (li é 1) 15.000 10.000 5.000 0.000 8.00 10.00 12.00 14.00 stade -0.5 16.00 18.00 20.00 Caractérisation du développement de l’arthrite chez la souris (G Clavel, N Bessis, Université Paris 13, Bobigny) • Problématique : – Caractérisation du développement de l’arthrite induite au collagène • Score clinique • Anatomo-pathologie – Fiabilité et apports de l’échographie pour cette caractérisation ? • Méthode : – Suivi longitudinal de souris DBA1 après injection de collagène – Observation des articulation des chevilles et des genoux • En mode B • En mode Doppler puissance Caractérisation du développement de l’arthrite chez la souris (G Clavel, N Bessis, Université Paris 13, Bobigny) • Résultats – Corrélation avec le score clinique et l’histologie Genou Cheville Caractérisation du développement de l’arthrite chez la souris (G Clavel, N Bessis, Université Paris 13, Bobigny) • Résultats – Neo-vascularisation due à l’arthrite Genou Cheville • Conclusions – Validation du score échographique par rapport au score clinique – L’imagerie Doppler permet d’identifier les phases de néovascularisation de la pathologie – Suivi plus efficace Ultrasound and Doppler micro-imaging in model of rheumatoid arthritis in mice, Clavel et al, Ann Rheum Dis. 2008 Jan 24. [Epub ahead of print] Suivi de croissance tumorale dans un modèle Murin • Problématique – Modèle de tumeurs spontanées dans un modèle trangénique – Incertitude sur la date d’apparition de la tumeur – Cinétique de croissance assez variable – Souris « précieuse » – Question : détection possible ? Caractérisation ? Détermination du stade idéal pour prélèvement. Suivi de croissance tumorale dans un modèle Murin 7 mois Mutation dans un modèle transgénique, suivi tous les mois Une mutation, deux phénotypes Suivi de croissance tumorale dans un modèle Murin 8 mois Suivi de croissance tumorale dans un modèle Murin 9 mois Suivi de croissance tumorale dans un modèle Murin 11 mois Suivi de croissance tumorale dans un modèle Murin • Conclusion – Détection possible de ce modèle – Suivi simple rapide à mettre en œuvre – Suivi individuel de chaque souris et de chaque tumeur – Optimisation du protocole. Conclusion • Échographie haute résolution bien adaptée à l’étude de la souris par sa précision • Mesure de paramètres fonctionnels de manière non invasive (Doppler, contraction) • Outil puissant pour le criblage dans des cohortes de souris • Complémentaire des autres modalités Considération pratiques pour une étude d’un modèle murin en imagerie : Avant de se lancer • Statut sanitaire / Confinement • Définir le phénotype attendu / observé – Premier criblage / faisabilité – Précision du protocole • Phénotype non pathologique bien caractérisé ? • Nombre de souris disponible / étalement dans le temps – Animalerie / difficulté d’obtention du modèle – Conditionne les outils statistiques utilisés (ou l’inverse) • Quelle modalité d’imagerie ? • Evaluation du bénéfice et du coût • Ethique • Budget animal • Budget Histo • Temps • Coût Humain • Scientifique • Humain • Temps • Budget Considération pratiques pour une étude d’un modèle murin en imagerie : un (tout petit) peu de stats Exemple de Variabilités mesurées dans une étude longitudinale en cardiologie (écart type/moyenne) • • • • • • • • • BW : 10% HR : 9% LVIDd : 10% LVIDs : 11% FS : 12% EF : 14% PWth : 46% LVMass : 12% LVMass / poids : 14% • • • • • • • LVPWd : 12% LVPWs : 13% IVSd : 15% IVSs : 14% CO : 21% LVvols : 35% LVvold : 22% Considération pratiques pour une étude d’un modèle murin en imagerie : un (tout petit) peu de stats Test T : Nombre d’individus nécessaires pour p<0.05 et puissance à 80% Ecart type / moyenne (%) Delta observé / moyenne (%) • Considération pratiques pour une étude d’un modèle murin en imagerie : Création d’une infrastructure ou pas ? • Environnement pour l’échographie – Infrastructure limitée : • Pièce dédiée • Système d’anesthésie gazeuse préférable • Echographe haute résolution selon applications – Personnel dédié et formé ++ – Interaction entre • Les chercheurs (biologistes) +++ • médecins cliniciens échographistes (cardiologues, radiologues, obstétriciens, physiologistes,…) +++ • Statisticiens ++ • physiciens + • Si fonctionnement en plate forme – Localisation de la PF (EOPS, conventionnel, A2 …) – Gestion du statut sanitaire très important – Gestion des résultats à bien réfléchir (optimisation de la gestion des mesures, des projets, de la propriété intellectuelle) • Ou Externalisation de l’imagerie – Coût à provisionner dans les demandes de financement !! Avenir de l’échographie haute résolution? En cours : Echographie de contraste haute résolution Prise de contraste dans le myocarde, mode d’imagerie non-linéaire, VEVO 2100 Prise de contraste dans une tumeur souscutanée (P815), mode fondamental VEVO 770 Avenir de l’échographie haute résolution? En cours : Délivrance d’agents par ultrasons • Micro or nano particules activables par ultrason – Ciblées ou non • Activation par ultrasons : ultrasons standards, Cavitation, hyperthermie, • Possibilité de modifier un modèle murin dans des cibles bien définies • Validation de thérapies pour l’homme Ultrasonic drug delivery--a general review, Pitt WG, Husseini GA, Staples BJ. Expert Opin Drug Deliv. 2004 Nov;1(1):37-56. Avenir de l’échographie haute résolution? • Imagerie ultra rapide, mesure de l’élasticité des tissus. • Photoacoustique Images photoacoustiques de l’hémoglobine et de sa saturation en O2 Questions Plate Forme d’échographie, Site Cochin [email protected] Plate Forme d’imagerie en général [email protected] Un peu de Biblio… • Imagerie petit animal en général – Beckmann et al In Vivo mouse imaging and spectroscopy in drug discovery, NMR Biomed. 2007; 20: 154–185 – Dickinson ME. Multimodal imaging of mouse development: tools for the postgenomic era. Dev Dyn. 2006 Sep;235(9):2386-400 • Echographie – Renault et al, Imagerie haute résolution de la souris, J Radiol. 2006 Dec;87:1937-45. – Scherrer-Crosbie M, Role of echocardiography in studies of murine models of cardiac diseases, Arch Mal Coeur Vaiss. 2006 Mar;99(3):237-41. – Grégoire et al, [Techniques and applications of noninvasive high-resolution ultrasound imaging] J Radiol. 2006 Dec;87:1920-36. – Stypmann J, Doppler ultrasound in mice, Echocardiography. 2007 Jan;24(1):97-112.
