L’effet des composés paramagnétiques sur le déplacement chimique des protons, c’est-à-dire sur leur fréquence de résonance propre, beaucoup utilisé en RMN conventionnelle, peut également être un outil de contraste en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour réaliser des images encodées en fréquence et donc sélectives selon la nature ou l’environnement de l’entité que l’on cherche à révéler. Cette approche fait intervenir le transfert d’aimantation par échange chimique de protons mobiles, en anglais « Chemical Exchange Saturation Transfer » (CEST). Le principe consiste à saturer sélectivement un signal donné de protons labiles appartenant à la structure-même de l’agent de contraste ou aux molécules d’eau qui lui sont transitoirement liées, à l’aide d’une impulsion radiofréquence bien choisie. L’image résulte alors de l’altération du signal des protons échangés. Le fonctionnement de la méthode repose sur l’existence effective de deux ensembles ou réservoirs de protons, celui correspondant aux protons associés à l’agent de contraste et celui représenté par le milieu environnant, autrement dit l’eau des tissus, ces deux réservoirs présentant une fréquence de résonance bien distincte. Les systèmes LipoCEST, liposomes encapsulant un complexe paramagnétique de lanthanide, permettent une telle différenciation de deux réservoirs de protons constitutifs d’une part de l’eau contenue dans la cavité interne des liposomes (dont la fréquence de résonance est modifiée par l’agent paramagnétique) et d’autre part de l’eau présente à l’extérieur de la structure. La sensibilité de tels systèmes est principalement due au grand nombre de protons contenus dans le réservoir interne. La nature de l’agent paramagnétique joue un rôle déterminant dans la sélectivité de l’effet CEST et la nature de la membrane des liposomes dont la perméabilité permet un échange plus ou moins rapide entre les deux réservoirs d’eau doit être sélectionnée de manière à conduire à une réponse CEST efficace.Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur une telle mise au point avec pour objectif l’optimisation de systèmes destinés à une IRM-CEST après administration par voie intraveineuse. De ce fait, le diamètre des liposomes a été fixé inférieur à 200 nm et leur surface recouverte de chaînes de poly(éthylène glycol) pour assurer leur future stabilité dans le compartiment sanguin. Le choix des agents de déplacement chimique à centre lanthanide, principalement des complexes de thulium, a été fixé à partir de leurs propriétés structurales et magnétiques. La méthodologie spécialement développée pour encapsuler ces entités au sein de liposomes de compositions lipidiques induisant des perméabilités membranaires distinctes a permis la mise au point d’un nouvel agent de contraste LipoCEST. / The effect of paramagnetic compounds in the chemical shift of endogenous protons, i.e., their resonance frequency, widely used in conventional NMR, can also be a tool to modulate the contrast in magnetic resonance imaging (MRI) by achieving frequency-encoded images depending on the nature or the environment of the entity or tissue to be revealed. This approach involves the transfer of magnetization by chemical exchange of protons also referred to as "Chemical Exchange Saturation Transfer" (CEST). The principle consists in selectively saturate by applying a radio frequency pulse, the signal of labile protons transiently belonging to the structure of the contrast agent or to the water molecules which are associated transiently to it. The image then results from the alteration of the signal of the exchanged protons. The method is based on the actual existence of two sets of protons or pools with two distinct resonance frequencies, one corresponding to the protons associated with the contrast agent and the other represented by the surrounding bulk water.LipoCEST systems, liposomes encapsulating a paramagnetic lanthanide complex, allows such a differentiation of two proton pools constituted on one hand by the water molecules contained in the inner cavity of the liposomes (with a resonance frequency changed by the paramagnetic agent ) and on the other hand by the water present outside the vesicle structure. The sensitivity of such systems is mainly due to the large number of protons in the inner pool. The nature of the paramagnetic agent plays a role in the selectivity of the CEST effect while the nature of the liposome membrane and related permeability behavior controls the proton exchange kinetics between the two water pools. These two parameters must be selected and adjusted to provide effective CEST contrast.The work in this thesis aimed at such a development by optimizing liposome systems for MRI-CEST after intravenous administration. Therefore, the diameter of the liposomes was set below 200 nm and their surface covered by chains of poly (ethylene glycol) to ensure stability in the blood compartment. The choice of chemical shift agents based on lanthanide complexes, mainly thulium-based derivatives, was established from their structural and magnetic properties. The methodology specially developed to encapsulate these entities into vesicles of different membrane composition and permeability to water allowed to generate a new LipoCEST contrast agent.

L’objectif de cette thèse est de développer l’imagerie de transfert de saturation des agents de contraste lipoCEST pour la détection de l’angiogenèse dans un modèle souris de tumeur cérébrale U87. Un lipoCEST offrant un seuil de sensibilité in vitro de 100 pM est optimisé afin de répondre aux contraintes de l’imagerie CEST in vivo. Grâce à la mise en place d’un dispositif expérimental dédié à l’imagerie CEST, nous évaluons les performances des lipoCEST pour détecter de façon spécifique l’angiogenèse tumorale. Nous montrons pour la première fois qu’il est possible de détecter un lipoCEST in vivo dans un cerveau de souris suite à une injection intraveineuse. De plus, l’utilisation d’un lipoCEST fonctionnalisé avec un peptide RGD permet de cibler spécifiquement l’intégrine ανβ3 surexprimée lors de l’angiogenèse tumorale. L’association spécifique du RGD-lipoCEST est confirmée grâce à des données d’immunohistochimie et de microscopie de fluorescence. Enfin, dans le but de tendre vers un protocole d’imagerie moléculaire par IRM-CEST, nous mettons en place un outil de quantification des lipoCEST. Cet outil repose sur la modélisation des processus d’échange de protons in vivo. Grâce à la prise en compte des inhomogénéités de champs B0 et B1 qui peuvent se révélées être délétères pour le contraste CEST, nous démontrons que la précision de notre outil de quantification est de 300 pM in vitro. La quantification des données CEST acquises chez la souris U87 permet d’estimer à 1,8 nM la concentration maximale en RGD-lipoCEST liés à leur cible moléculaire. / The study aimed at developing saturation transfer imaging of lipoCEST contrast agents for the detection of angiogenesis in a U87 mouse brain tumor model. A lipoCEST with a sensitivity threshold of 100 pM in vitro was optimized in order to make it compatible with CEST imaging in vivo. Thanks to the development of an experimental setup dedicated to CEST imaging, we evaluated lipoCEST to detect specifically tumor angiogenesis. We demonstrated for the first time that lipoCEST visualization was feasible in vivo in a mouse brain after intravenous injection. Moreover, the integrin ανβ3 overexpressed during tumor angiogenesis can be specifically targeted using a functionalized lipoCEST with RGD peptide. The specific association between the RGD-lipoCEST and its target ανβ3 was confirmed by immunohistochemical data and fluorescence microscopy. Finally, in order to tend to a molecular imaging protocol by CEST-MRI, we developed a quantification tool of lipoCEST contrast agents. This tool is based on modeling of proton exchange processes in vivo. By taking into account both B0 and B1 fields inhomogeneities which can dramatically alter CEST contrast, we showed that the accuracy of our quantification tool was 300 pM in vitro. The tool was applied on in vivo data acquired on the U87 mouse model and the maximum concentration of RGD-lipoCEST linked to their molecular targets was evaluated to 1.8 nM.

L'objectif de cette thèse est de développer l'imagerie de transfert de saturation des agents de contraste lipoCEST pour la détection de l'angiogenèse dans un modèle souris de tumeur cérébrale U87. Un lipoCEST offrant un seuil de sensibilité in vitro de 100 pM est optimisé afin de répondre aux contraintes de l'imagerie CEST in vivo. Grâce à la mise en place d'un dispositif expérimental dédié à l'imagerie CEST, nous évaluons les performances des lipoCEST pour détecter de façon spécifique l'angiogenèse tumorale. Nous montrons pour la première fois qu'il est possible de détecter un lipoCEST in vivo dans un cerveau de souris suite à une injection intraveineuse. De plus, l'utilisation d'un lipoCEST fonctionnalisé avec un peptide RGD permet de cibler spécifiquement l'intégrine ανβ3 surexprimée lors de l'angiogenèse tumorale. L'association spécifique du RGD-lipoCEST est confirmée grâce à des données d'immunohistochimie et de microscopie de fluorescence. Enfin, dans le but de tendre vers un protocole d'imagerie moléculaire par IRM-CEST, nous mettons en place un outil de quantification des lipoCEST. Cet outil repose sur la modélisation des processus d'échange de protons in vivo. Grâce à la prise en compte des inhomogénéités de champs B0 et B1 qui peuvent se révélées être délétères pour le contraste CEST, nous démontrons que la précision de notre outil de quantification est de 300 pM in vitro. La quantification des données CEST acquises chez la souris U87 permet d'estimer à 1,8 nM la concentration maximale en RGD-lipoCEST liés à leur cible moléculaire.