Photoacoustique, échographie et tomographie angiographique intégrée (PAUSAT) pour l’imagerie non invasive du cerveau entier de l’AVC ischémique

Le sang transporte l’oxygène (via la protéine d’hémoglobine) et d’autres nutriments importants vers les tissus de notre corps. Lorsque le flux sanguin à travers les tissus est interrompu (ischémie), de graves dommages aux tissus peuvent survenir, dont les effets les plus immédiats sont dus à un manque d’oxygène (hypoxie). L’AVC ischémique est le résultat d’une interruption du flux sanguin vers une certaine région du cerveau. Les lésions cérébrales résultant d’un AVC ischémique peuvent survenir dans les minutes suivant le blocage d’un vaisseau et peuvent souvent avoir des effets débilitants et durables ^1,2. Une stratégie très utile pour évaluer la physiopathologie après un AVC ischémique et identifier et tester de nouveaux traitements est l’utilisation de modèles de petits animaux en laboratoire. Les traitements découverts en laboratoire visent à être traduits en utilisation clinique et à améliorer la vie des patients. Cependant, l’utilisation d’animaux dans la recherche biomédicale doit être soigneusement évaluée selon les principes 3R de Russell et Burch: remplacement, réduction et raffinement³. L’objectif du volet réduction est de réduire le nombre d’animaux sans compromettre la collecte de données. Dans cette optique, le fait de pouvoir évaluer longitudinalement l’évolution de la lésion via l’imagerie non invasive permet un grand avantage dans la réduction du nombre d’animaux nécessaires, ainsi que dans la maximisation des informations obtenues de chaque animal⁴.

La tomographie photoacoustique (PAT) est une modalité d’imagerie hybride qui combine le contraste d’absorption optique avec la résolution spatiale de l’imagerie par ultrasons⁵. Le mécanisme d’imagerie de PAT est le suivant. Une impulsion laser d’excitation est allumée sur la cible photographiée. En supposant que la cible absorbe la lumière à la longueur d’onde du laser d’excitation, sa température augmentera. Cette augmentation rapide de la température entraîne une expansion thermoélastique de la cible. L’expansion provoque la propagation d’une onde ultrasonore hors de la cible. En détectant l’onde ultrasonore à de nombreuses positions, le temps nécessaire à l’onde pour se propager de la cible aux détecteurs peut être utilisé pour créer une image grâce à un algorithme de reconstruction. La capacité de la PAT à détecter l’absorption optique dans les régions des tissus profonds différencie la PAT de l’imagerie par ultrasons, qui détecte les limites des différentes impédances acoustiques des tissus⁵. Dans les spectres visible et proche infrarouge, les biomolécules primaires hautement absorbantes qui sont abondantes dans les organismes sont l’hémoglobine, les lipides, la mélanine et l’eau⁷. L’hémoglobine est particulièrement intéressante dans l’étude de l’AVC. Étant donné que l’oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine ont des spectres d’absorption optique différents, la PAT peut être utilisée avec plusieurs longueurs d’onde laser d’excitation pour déterminer la concentration relative des deux états de la protéine. Cela permet de quantifier la saturation en oxygène de l’hémoglobine (_sO2), ou oxygénation du sang, à l’intérieur et à l’extérieur de la région de l’infarctus ^8,9. Il s’agit d’une mesure importante dans l’AVC ischémique, car elle peut indiquer le niveau d’oxygène dans le tissu cérébral endommagé après une ischémie.

L’angiographie acoustique (AA) est une méthode d’imagerie par ultrasons à contraste amélioré qui est particulièrement utile pour l’imagerie de la morphologie du système vasculaire in vivo¹⁰. La méthode repose sur l’utilisation d’un transducteur oscillant à deux éléments (un élément basse fréquence et un élément haute fréquence) en conjonction avec des microbulles injectées dans le système circulatoire du sujet imageur. L’élément basse fréquence du transducteur est utilisé pour transmettre à la fréquence de résonance des microbulles (par exemple, 2 MHz), tandis que l’élément haute fréquence est utilisé pour recevoir les signaux super harmoniques des microbulles (par exemple, 26 MHz). Lorsqu’elles sont excitées à une fréquence de résonance, les microbulles ont une forte réponse non linéaire, ce qui entraîne la production de signaux super harmoniques que les tissus corporels environnants ne produisent pas¹¹. En recevant avec un élément haute fréquence, cela garantit que seuls les signaux de microbulles sont détectés. Puisque les microbulles sont confinées aux vaisseaux sanguins, le résultat est une image angiographique de la morphologie des vaisseaux sanguins. L’AA est une méthode puissante pour l’imagerie de l’AVC ischémique, car les microbulles qui circulent dans le système circulatoire ne peuvent pas circuler à travers les vaisseaux bloqués. Cela permet aux AA de détecter les régions du cerveau qui ne sont pas perfusées en raison d’un AVC ischémique, ce qui indique la région de l’infarctus.

La recherche préclinique sur l’AVC ischémique repose généralement sur l’utilisation de l’histologie et des tests comportementaux pour évaluer l’emplacement et la gravité de l’AVC. La coloration au chlorure de triphényltétrazolium (TTC) est une analyse histologique courante utilisée pour déterminer le volume de l’infarctus de l’AVC. Cependant, il ne peut être utilisé qu’à un point final, puisqu’il nécessite l’euthanasie de l’animal¹². Les tests comportementaux peuvent être utilisés pour déterminer la déficience de la fonction motrice à plusieurs moments, mais ils ne peuvent pas fournir de valeurs anatomiques ou physiologiques quantitatives¹³. L’imagerie biomédicale offre une approche plus quantitative pour étudier les effets de l’AVC ischémique de façon non invasive et longitudinale 9,14,15. Cependant, les technologies d’imagerie existantes (telles que l’imagerie par résonance magnétique [IRM] pour petits animaux) peuvent avoir un coût élevé, être incapables de fournir des informations structurelles et fonctionnelles simultanées ou avoir une profondeur de pénétration limitée (comme la plupart des techniques d’imagerie optique).

Ici, nous combinons la photoacoustique, l’échographie et la tomographie angiographique (PAUSAT; voir schéma du système à la figure 1), ce qui permet d’obtenir des informations structurelles et fonctionnelles complémentaires sur la perfusion sanguine et l’oxygénation après un AVC ischémique¹⁶. Ce sont deux aspects importants dans l’évaluation de la gravité de la blessure et le suivi du rétablissement ou de la réponse aux traitements. L’utilisation de ces méthodes d’imagerie intégrées peut augmenter la quantité d’information obtenue par chaque animal, réduire le nombre d’animaux requis et fournir plus d’information dans l’étude des traitements potentiels de l’AVC ischémique.

Figure 1 : Diagramme PAUSAT. (A) Schéma complet du système PAUSAT, y compris le laser et l’OPO utilisés pour le PAT. (B) Vue intérieure du système PAUSAT, y compris deux transducteurs à ultrasons. Le transducteur oscillant à double élément est utilisé à la fois pour les ultrasons en mode B et AA, et le transducteur linéaire est utilisé pour le PAT. Les deux transducteurs sont montés sur le même étage motorisé 2D, ce qui permet de numériser des données volumétriques. Ce chiffre a été modifié par rapport à¹⁶. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.