Dans les milieux où la densité et la polarisation nucléaire sont importantes (par exemple l'eau dans un fort champ magnétique en RMN haute résolution, ou le xénon 129 et l'hélium 3 liquides polarisés au-delà de la polarisation d'équilibre par pompage optique), la densité d'aimantation est suffisante pour que la dynamique de cette aimantation soit influencée par les couplages non-linéaires induits par les champs magnétiques dipolaires. <br />Ce travail de thèse comprend d'abord une étude expérimentale des effets de ces couplages dipolaires dans un échantillon en forme de tube en U de xénon 129 liquide hyperpolarisé (jusqu'à 6% de polarisation obtenu par pompage optique) ; la dynamique de l'aimantation y est étudiée par résonance magnétique nucléaire (RMN) dans un champ magnétique peu intense (1.5 mT). <br />Puis nous détaillons quelques modèles numériques destinés à reproduire les comportements observés récemment dans les systèmes hyperpolarisés expérimentaux et plus généralement utilisables dans tous les cas où les couplages dipolaires jouent un rôle. <br /><br />Etude expérimentale et modélisations démontrent que les caractéristiques de l'évolution de l'aimantation dépendent crucialement de paramètres tels que la forme de l'échantillon, l'angle de basculement et l'importance relative des champs dipolaires et des variations spatiales des champs appliqués. Dans les échantillons anisotropes et à faibles angles de basculement, le spectre RMN présente une structure en plusieurs raies fines et résolues ("spectral clustering") ; ceci correspond à une organisation spatiale de l'aimantation en modes indépendants . <br />Dans tous les systèmes, à grands angles de basculement, les temps de vie peuvent être raccourcis de manière spectaculaire (de deux ordres de grandeur) ; ceci s'interprète comme une instabilité de précession aboutissant à des distributions désordonnées d'aimantation.

Les maladies pulmonaires obstructives chroniques sont la quatrième cause de mortalité en Europe. Les techniques disponibles pour les suivre ne permettent de diagnostiquer la maladie que tardivement. Une nouvelle méthode a été proposée en 1994 : l'imagerie par résonance magnétique (IRM) avec des gaz hyperpolarisés (HP). Les poumons constituent un immense interface entre le gaz et le tissu. Dans un champ magnétique (B0), la différence de susceptibilité magnétique entre les deux milieux a pour conséquence de détériorer le signal. Cet effet est d'autant plus fort que B0 est élevé. Ayant à notre disposition deux appareils à deux B0 différents (0,1 T et 1,5 T) ainsi qu'un système de pompage optique pour produire de l'hélium 3 (3He) HP, nous avons étudié quantitativement l'influence de B0 sur le signal de l'3He HP dans les poumons. Dans un premier temps les bases théoriques et la liste exhaustive des matériels nécessaires pour cette étude ont été présentées. Puis nous avons mis en évidence que le temps de relaxation transversale de l'3He HP lors de l'application d'un train d'échos de spins, T2cpmg, s'allonge lorsque B0 décroît. Une variation de deux ordres de grandeur a été observée entre 0,1 et 1,5 T. Des études sur modèle animal (rat) ont montré que d'une part T2cpmg a une sensibilité au remplissage pulmonaire équivalente à celle du coefficient apparent de diffusion, et d'autre part l'ajout d'un agent super paramagnétique provoque la compensation de l'effet de susceptibilité. Nous avons ensuite mis en évidence le rallongement du temps de vie du signal de l'hélium-3 HP dans les poumons, T2*, à faible B0. Enfin une comparaison du rapport signal sur bruit mesuré sur les deux appareils a été entreprise. En conclusion bien que le rallongement de T2* à faible B0 soit bénéfique pour l'IRM, cet effet est limité et l'utilisation d'appareil classique haut champ ne représente pas un inconvénient déterminant pour cette application.

Le paysage des thérapies inhalées connaît de profondes évolutions depuis les deux dernières décennies, avec pour objet la considération nouvelle du poumon comme un site de transfert des agents thérapeutiques vers le compartiment sanguin. Cette approche originale est apparue par la combinaison de développements théoriques et pratiques multiples impliqués dans la mise au point de nombreux médicaments, depuis le traitement de la douleur et du diabète jusqu'à la vaccination et le traitement de certains cancers. La quantité effective de médicament délivrée par aérosols est pondérée par de nombreux facteurs dont le mode et les conditions d’inhalation, les propriétés physiques des gaz en jeu, la morphologie des voies respiratoires ou encore les propriétés physico-chimiques des particules véhiculées. Les développements en cours ces quatre dernières années ont été conditionnés par des résultats encore mal compris, soulignant les limites des connaissances sur le transport et le dépôt d'aérosols dans le poumon. Ces manques mettent en avant le besoin d'outils performants pour l'évaluation du dépôt de particules dans les voies respiratoires.Les techniques d’imagerie permettent à la fois l’évaluation spatiale et quantitative du dépôt, avec pour seules références aujourd’hui, les techniques de médecine nucléaire. Outre l’aspect ionisant de ces techniques, elles bénéficient d’une sensibilité de détection encore inégalée. Elles demeurent néanmoins limitées par des résolutions spatiale et temporelle faibles, rendant le plus souvent difficile tant l’interprétation du dépôt que le rôle joué par les principaux mécanismes de clairance dans les voies aériennes. Depuis la fin des années 1990, les techniques de résonance magnétique imagent des noyaux hyperpolarisés (hélium-3 et xenon-129) et établissent de nouveaux standards dans l’exploration de la fonction pulmonaire.Cette thèse établit, sur la base de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé, une nouvelle modalité d’imagerie pour détecter et quantifier le dépôt d’aérosols dans les voies aériennes.Dans un premier temps, et dans un contexte où l’imagerie par résonance magnétique ne s’était pas encore penchée sur la problématique des aérosols thérapeutiques, un vaste travail d’investigation a été mené pour évaluer la sensibilité de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé au dépôt d’aérosols marqués à base d’oxyde de fer superparamagnétique. Le second volet de ce travail s’est porté sur la validation de notre méthode d’évaluation, et sur le développement de la quantification du dépôt d’aérosols. Nous avons enfin pu tester la reproductibilité de notre méthode d’évaluation du dépôt in vivo chez le rat, grâce à la réalisation d’une plateforme de ventilation et d’administration de gaz et d’aérosols dédiée, SAGAS. / Inhalation therapy has broadened its field of application over the last two decades by considering the lung not only as an organ to cure, but also as a portal toward systemic circulation. This new approach is being made possible by the emergence of biotherapeutics and a greater understanding of the absorption properties of the lung. Systemic delivery across the oronasal route was then investigated for a number of indications including migraine, diabetes, pain, and cancer. However, progress into the market of systemic aerosolized drug delivery has been slowed down to-date by a number of confounding factors including rapid clearance, instability, long-term toxicity, and dosing issues. Final drug distribution in such complex geometries strongly depends on a variety of parameters like the aerosol administration protocol, particle size, density, and physicochemical properties, as well as the airway geometry. Independently of drug formulation and pharmacokinetic considerations, these parameters determine the deposition distribution throughout the lung. Quantification and spatial localization are primordially needed to better control and optimize drug concentration at specific or less- and nonspecific sites. Nuclear medicine techniques are currently the only available modalities that combine both aerosol quantification and regional localization. They are considered as reference techniques even though they remain limited by their spatial and temporal resolutions as well as by patient exposure to radiations. With regard to lung imaging, hyperpolarized helium-3 MRI has been developed as a powerful tool to quantitatively characterize the parenchyma and the organ function and morphology. The technique is innocuous and provides millimeter and sub-second resolutions with rather high signal to noise ratios. In this thesis, a new imaging modality was developed on the grounds of hyperpolarized helium-3 MRI to probe and quantify aerosol deposition in the airways. In the first part of the thesis, I describe the potential of helium-3 MRI to probe aerosol deposition by using superparamagnetic contrast agents. The second part mainly focuses on the validation of this new modality by comparing it to a reference technique, single photon emission computed tomography (SPECT), and computational fluid dynamics. The last part of the manuscript is dedicated to aerosol administration and in vivo measurements in rat lungs. This experiment was possible by designing and building an MR compatible gas administrator and ventilator dedicated to small animals, SAGAS (Small Animal Gas Administration System). Its complete hardware and software description is presented in the same chapter.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet RNTS R-MOD qui visait le développement d'un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires. Des méthodes de visualisation et de quantification de flux gazeux pulmonaires par IRM des gaz hyperpolarisés (GHP) ont été développées pour pouvoir valider les résultats du simulateur.<br />Pour atteindre cet objectif, un système adapté à l'environnement spécifique de l'IRM a été développé pour permettre l'administration de GHP de manière contrôlée, et différentes approches d'imagerie du flux de GHP ont été explorées.<br />La 1ère approche est basée sur de l'imagerie dynamique de l'inspiration de GHP. Ce type d'expérience est analysé. L'évolution du phénomène est trop rapide pour être observée correctement avec les techniques actuelles. Néanmoins, un état d'équilibre dynamique de la répartition spatiale de l'aimantation dans les poumons lors d'inspirations en régime stationnaire est observable. Les paramètres dont dépend cet équilibre et une partie de ce qui peut être quantifié par le biais de ce type d'expérience ont été formalisés et les concepts introduits ont été validés par différentes expériences d'imagerie dynamique.<br />La 2ième approche, quantitative, est basée sur la vélocimétrie par contraste de phase combinée à l'imagerie radiale rapide. D'abord validée quantitativement sur des fantômes d'écoulement connus (tube droit, coude, bifurcation), la technique a ensuite été appliquée sur un modèle réaliste d'arbre bronchique et comparée à une simulation numérique des écoulements. Les 3 composantes de la vitesse ont été mesurées en environ 1 s avec une résolution spatiale du mm et une précision du cm•s-1. Enfin, la faisabilité in vivo de la mesure de vitesse dans les voies aériennes pulmonaires a été démontrée dans la trachée lors d'une inspiration.<br />Cet outil de caractérisation des écoulements à l'aide de l'IRM des GHP ouvre des voies prometteuses aussi bien pour la physique des écoulements que pour les applications médicales.

Ce mémoire rapporte la mise en oeuvre de la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de l'hélium-3 hyperpolarisé à 0,1 T puis à 1,5 T, in vivo, chez l'Homme sain. L'utilisation des gaz hyperpolarisés en IRM entraîne deux conséquences majeures : l'absence de régénération de l'aimantation longitudinale et une diffusion très rapide. Prenant en considération ces deux contraintes, différentes stratégies d'acquisition sont comparées à bas champ (0,1 T) : séquences "single-shot" (RARE et EPI) et "multi-shot" (FLASH). On montre ainsi que la séquence RARE permet d'acquérir des images de bonne qualité en moins de 400 ms avec peu de gaz ; la séquence EPI a l'avantage de la rapidité mais entraîne davantage d'artefacts, en particulier en raison du terme de Maxwell ; ces deux séquences sont intrinsèquement limitées en résolution à 5 mm in vivo ; la séquence FLASH, moins efficace en termes de rapport signal sur bruit, permet cependant d'atteindre de meilleures résolutions. Les avantages de l'utilisation d'un bas champ magnétique en régime hyperpolarisé sont discutés : en particulier, le rapport signal sur bruit est, dans une très large gamme, indépendant du champ principal. Des mesures RMN puis IRM de diffusion utilisant la technique CPMG sont présentées et permettent de mettre en évidence la restriction due à la structure alvéolaire des poumons.

Le paysage des thérapies inhalées connaît de profondes évolutions depuis les deux dernières décennies, avec pour objet la considération nouvelle du poumon comme un site de transfert des agents thérapeutiques vers le compartiment sanguin. Cette approche originale est apparue par la combinaison de développements théoriques et pratiques multiples impliqués dans la mise au point de nombreux médicaments, depuis le traitement de la douleur et du diabète jusqu'à la vaccination et le traitement de certains cancers. La quantité effective de médicament délivrée par aérosols est pondérée par de nombreux facteurs dont le mode et les conditions d'inhalation, les propriétés physiques des gaz en jeu, la morphologie des voies respiratoires ou encore les propriétés physico-chimiques des particules véhiculées. Les développements en cours ces quatre dernières années ont été conditionnés par des résultats encore mal compris, soulignant les limites des connaissances sur le transport et le dépôt d'aérosols dans le poumon. Ces manques mettent en avant le besoin d'outils performants pour l'évaluation du dépôt de particules dans les voies respiratoires.Les techniques d'imagerie permettent à la fois l'évaluation spatiale et quantitative du dépôt, avec pour seules références aujourd'hui, les techniques de médecine nucléaire. Outre l'aspect ionisant de ces techniques, elles bénéficient d'une sensibilité de détection encore inégalée. Elles demeurent néanmoins limitées par des résolutions spatiale et temporelle faibles, rendant le plus souvent difficile tant l'interprétation du dépôt que le rôle joué par les principaux mécanismes de clairance dans les voies aériennes. Depuis la fin des années 1990, les techniques de résonance magnétique imagent des noyaux hyperpolarisés (hélium-3 et xenon-129) et établissent de nouveaux standards dans l'exploration de la fonction pulmonaire.Cette thèse établit, sur la base de l'IRM de l'hélium-3 hyperpolarisé, une nouvelle modalité d'imagerie pour détecter et quantifier le dépôt d'aérosols dans les voies aériennes.Dans un premier temps, et dans un contexte où l'imagerie par résonance magnétique ne s'était pas encore penchée sur la problématique des aérosols thérapeutiques, un vaste travail d'investigation a été mené pour évaluer la sensibilité de l'IRM de l'hélium-3 hyperpolarisé au dépôt d'aérosols marqués à base d'oxyde de fer superparamagnétique. Le second volet de ce travail s'est porté sur la validation de notre méthode d'évaluation, et sur le développement de la quantification du dépôt d'aérosols. Nous avons enfin pu tester la reproductibilité de notre méthode d'évaluation du dépôt in vivo chez le rat, grâce à la réalisation d'une plateforme de ventilation et d'administration de gaz et d'aérosols dédiée, SAGAS.

Les cryptophanes constituent une famille de conteneurs moléculaires, caractérisés par leur cavité interne lipophile. La capacité des cryptophanes à encapsuler du xénon hyperpolarisé a ouvert une grande opportunité de développer des traceurs d’IRM moléculaires à base de 129-Xe. Un grand nombre de biocapteurs 129-Xe-cryptophane ont été développés pour cibler divers événements biologiques. Bien que ce concept soit accrocheur, de nombreux défis ont été rencontrés, en particulier dans l’élaboration de dérivés de cryptophane solubles dans l’eau et fonctionnalisables facilement. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle approche simple pour synthétiser des capteurs de cryptophane solubles dans l’eau. Ces cages sont basées sur des dérivés de cryptophane [223] portant une fonction acide carboxylique centrale permettant de greffer de manière sélective une unité de détection et sur six précurseurs solubles dans l’eau sur les deux rebords du CTB. Le greffage de différents bras de détection a été réalisé en une seule étape, suivie d’une simple déprotection pour offrir les capteurs de cryptophane solubles dans l’eau. Ces capteurs ont été caractérisés par spectroscopie RMN 129-Xe pour évaluer leurs propriétés de liaison et leur réactivité. Un autre aspect de ces dérivés est leur capacité à subir un phénomène d’self-encapsulation dépendant de solvants, caractérisé par l’inclusion de la fonctionnalité centrale greffée sur le lieur propélendioxy vers la cavité interne des cryptophanes en l’absence d’invité. L’investigation de «l’auto-encapsulation» a été évaluée par spectroscopie RMN 1H et IR qui a révélé certains signaux caractéristiques correspondant à ce processus. L'effet sur les propriétés chiroptiques globales a également été étudié par spectroscopie polarimétrique, VCD et ECD. / Cryptophanes are a family of molecular containers, characterized by their lipophilic internal cavity. The ability of cryptophanes to encapsulate hyperpolarized xenon has opened a great opportunity to develop highly sensitive 129-Xe-based MRI molecular tracers. A large number of 129-Xe-cryptophane biosensors have been developed for targeting various biological events. Although this concept is catchy, many challenges have been encountered, specifically in the elaboration of water soluble and easy functionalizable cryptophane derivatives. The work presented in this thesis aims at developing a new straightforward approach to synthesize water soluble cryptophane sensors. These cages are based on cryptophane-[223] derivatives that bear a central carboxylic acid function to selectively graft a sensing unit, and six water soluble precursors on the cryptophanes’ rims. Using these platforms, three different water soluble sensors have been elaborated. These sensors have been characterized by 129Xe NMR spectroscopy to assess their binding properties and responsiveness. An additional aspect of these derivatives is their ability to undergo a solvent-dependent “self-encapsulation” phenomenon. This is characterized by the inclusion of the central functionality grafted on the propelendioxy linker towards the inner cavity of cryptophanes. This phenomenon has been clearly proved by 1H NMR and IR spectroscopy. The effect on the overall chiroptical properties was also investigated by polarimetry, VCD and ECD spectroscopy.

Ce travail présente une étude expérimentale sur l'effet de la diffusion restreinte de l'hélium-3 hyperpolarisé dans l'acinus pulmonaire effectuée à bas champ magnétique 0,1 T. Plusieurs fantômes avec différentes tailles et connections modélisant l'acinus humain sain et à un stade précoce de l'emphysème ont été réalisés selon le modèle de Kitaoka. L'atténuation du signal dévie par rapport au comportement prévu de décroissance exponentielle en G2, G étant l'intensité de gradient. Cette observation indique une certaine ambiguïté sur la possibilité de quantifier de façon absolue le coefficient de diffusion apparent (ADC), sauf dans la limite G faible. Des simulations Monte-Carlo sont en bon accord avec les mesures. Des séquences originales rapides basées sur le principe des échos de spin multiples ont été développées, pour accéder à une valeur globale d'ADC à des temps longs permettant l'exploration du gaz dans toute la structure de branchement de l'acinus. Des mesures sur un modèle animal d'emphysème (rat) ont été comparées à des cartes obtenues à partir d'acquisitions standard avec petits angles de basculement, elles indiquent une augmentation systématique et toujours significative des ADC par rapport au contrôle sain, pour plusieurs protocoles de mesure. La méthode globale a une meilleure sensibilité que la cartographie standard, en outre elle donne un plus fort contraste d'ADC entre animaux sains et avec emphysème du fait de la possibilité d'employer des valeurs de G plus faibles. Ces outils de mesure de diffusion par IRM et RMN des gaz hyperpolarisés ouvrent des voies prometteuses aussi bien pour la physique de la diffusion que pour les applications médicales.

La LTP1 extraite de feuille de Nicotiana tabacum, nommée LTP1_1, a été produite dans Pichia pastoris. Nous avons ainsi déterminé sa structure tridimensionnelle par RMN 2D, 3D et modélisation moléculaire. Différentes études d'interaction et de dynamique ont ensuite mis en évidence des propriétés de fixation particulières comparativement aux autres LTPs. Ces travaux ont servi de base à la détermination de structures d'autres LTP1 de tabac par modélisation comparative et à des simulations de dynamique moléculaire à température ambiante et à haute température. De plus, nous avons cartographié la cavité hydrophobe de la LTP1_1 en utilisant la RMN du xénon hyperpolarisé.<br />L'ensemble de ces travaux a permis d'identifier les acides aminés impliqués spécifiquement dans la fixation des lipides. Nous avons découvert que les propriétés remarquables de fixation des LTP1 sont liées non seulement à leur structure originale mais également à leur dynamique particulière.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique médicale incontournable permettant d'observer l'intérieur du corps de façon non invasive et non irradiante. L'IRM reste cependant connue pour souffrir d'une très faible sensibilité. Pour pallier cette limitation, une solution de choix est d'utiliser des espèces hyperpolarisées. Parmi les entités dont on peut augmenter la polarisation nucléaire et donc le signal RMN de plusieurs ordres de grandeur, le xénon se distingue par sa capacité à interagir avec son environnement proche, ce qui se traduit par une large gamme de déplacement chimique. L'objectif devient alors d'utiliser le xénon hyperpolarisé comme traceur. Le sujet de cette thèse porte sur le concept de sonde IRM 129Xe hyperpolarisé par laser pour la détection d'évènements biologiques. Dans cette approche, le xénon est vectorisé vers des cibles au moyen de systèmes hôtes fonctionnalisés puis détecté grâce à des séquences d'imagerie rapide. La conception et la mise au point d'un montage permettant la production de xénon hyperpolarisé par pompage optique par échange de spin sont décrites. Sont ensuite développées des études sur l'interaction du gaz rare avec de nouveaux cryptophanes susceptibles de constituer des molécules hôtes performantes. La mise en place de séquences IRM adaptées au caractère transitoire de l'hyperpolarisation et permettant l'utilisation optimale de l'échange du xénon dans les différents environnements est présentée. Des applications de biosondes IRM 129Xe pour la détection de cations métalliques et de récepteurs de surface cellulaire sont également décrites. Enfin, nos premiers résultats sur un modèle petit animal sont abordés.