Selon l'American Lung Association, dans les dernières années, les maladies pulmonaires sont devenues la troisième cause mondiale de décès après les maladies cardiovasculaires et le cancer. Et il est prévu que la position augmente dans ce classement au cours des dix prochaines années. Les maladies pulmonaires telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose interstitielle affectent des millions de personnes dans le monde, tuant des milliers d'entre eux chaque année tandis que de nouveaux cas sont signalés. Aujourd'hui, il n'y a pas de diagnostic précoce des maladies pulmonaires. Celles-ci se manifestent essentiellement par une modification des propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire qui ne peut être détectée par les techniques usuelles appliquées généralement sur les autres organes. La tomodensitométrie par rayons X et la biopsie pulmonaire chirurgicale peuvent indiquer la maladie. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire la progression de cette dernière ni de déterminer la durée optimale de la thérapie, ni encore d'explorer l'administration d'autres agents potentiellement moins toxiques que ceux utilisés de nos jours. Les causes et les mécanismes de la maladie ainsi que les facteurs génétiques associés ne sont pas encore déterminés. Les enjeux sociétal et médical sont énormes. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction-même de l'organe. Elles pourraient être des biomarqueurs pulmonaires très sensibles puisqu'elles dépendent de la structure des tissus, des conditions biologiques, et qu'elles sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. Toutefois, l’auscultation et l’exploration tactile couramment utilisées ne peuvent pas localement les sonder in vivo. Dans ce travail de thèse, une nouvelle modalité a été développée pour cartographier les propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire afin de détecter, quantifier et classer les maladies qui les modifient. Cette nouvelle méthode d'imagerie, l’élastographie par résonance magnétique de l'hélium-3 hyperpolarisé, bénéficie de l'innocuité et de la sensibilité de la technique ainsi que de l'importance du signal d'hélium-3 hyperpolarisé dans les poumons.Tout d'abord, la technique a été validée sur des fantômes de poumons préservés de cochon. D'une part, les hypothèses de confinement du gaz et de l'indépendance à la composition du gaz qui sous-tendent l'élastographie IRM quantitative de l'hélium-3 ont été confirmées. D'autre part, la sensibilité de la technique a été éprouvée par rapport à l'inflation des poumons et à leur dépendance à la gravité. Puis, un mode d'excitation original a été développé et les protocoles d'acquisition IRM ont été optimisés pour réaliser l'élastographie IRM de l'hélium-3 in vivo. Les premières mesures de propagation d'ondes de cisaillement ont été obtenues à la fois dans des poumons de rat et d'humain. Les modules d'élasticité de cisaillement obtenus s'accordent assez bien avec les valeurs de rigidité obtenues ex vivo par les techniques alternatives. Ce travail ouvre une voie unique d'exploration in vivo de la physiopathologie pulmonaire. / According to the American Lung Association, for the last few years, lung diseases have become the third most common cause of death worldwide after cardiovascular disease and tumors, and it is expected to rise up the ranking position in the next ten years. Lung diseases such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease and interstitial fibrosis affect millions of people worldwide, killing thousands of them every year while new cases are reported. Today, there is no early diagnosis of these pulmonary diseases. They effectively manifest by a modification of the viscoelastic properties of the lung parenchyma which cannot be detected by usual techniques that are applied to other organs. X-ray computer tomography and surgical lung biopsy can state the disease. However, it is not yet possible to predict its progression, to determine the optimal length of the therapy, or to explore the administration of other agents potentially less toxic than those used nowadays. Causes and mechanisms of the disease, associated genetic factors are not determined yet. The social and medical issues are huge. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the basic function of the organ. They could be very sensitive pulmonary biomarkers as they depend on the tissue structure, the biological conditions, and they are dramatically altered by most lung diseases like cancer, emphysema, asthma, or interstitial fibrosis. However, current auscultation and tactual explorations fail to regionally probe them in vivo.In this PhD work, a new modality was developed to regionally measure the viscoelastic properties of the lung parenchyma in order to detect, quantify, and classify diseases that modify them. This new imaging approach, hyperpolarized helium-3 Magnetic Resonance Elastography (MRE), benefit from the innocuity and the sensitivity of the technique as well as from the huge hyperpolarized helium-3 signal in the lung. First, the technique was validated on preserved pig lung phantoms. On the one hand, the assumptions of gas confinement and gas content independence that support quantitative helium-3 MRE were assessed. On the other hand, the sensitivity of the technique was challenged with respect to lung inflation and gravity dependence. Second, original means of mechanical excitation were developed and MR acquisition protocols were optimized to perform helium-3 MRE in vivo. First measurements of shear wave propagation were achieved in both rat and human lungs. Resulting shear elasticity agrees fairly well with stiffness values found ex vivo by alternative measurement techniques. This work opens up promising insights into lung pathophysiology in vivo.

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction.

Dans ce travail nous avons étudié le problème du rapport signal à bruit (RSB) en IRM à très bas champ magnétique et exploré des applications potentielles en utilisant du gaz 3He hyperpolarisé. Nous avons comparé deux méthodes d'élargissement de bande passante sans perte de RSB : une contre-réaction et un couplage inductif de la détection. Nous avons mis en œuvre la contre-réaction, plus appropriée à très bas champ. Des mesures d'atténuation par diffusion dans un gaz d'3He en géométrie cylindrique ont été faites par échos multiples de spin ou de gradient dans une large gamme de conditions correspondant à la diffusion dans les voies aériennes des poumons. Un bas champ permet d'utiliser des faibles gradients sur des durées longues, sans influence de la susceptibilité des matériaux. Nos mesures fournissent un ensemble de données destiné à une comparaison directe avec des modèles théoriques et d'autres résultats publiés. Une nouvelle séquence (Slow Low Angle Shot, SLASH) est proposée pour l'imagerie de gaz à bas champ. Des séries d'images à 2D dans des fantômes montrent qu'elle offre une résolution d'image et un RSB meilleurs que pour une séquence FLASH. Par ailleurs, des cartes de diffusion apparente dans des poumons fixés de petit animal ont été obtenues à partir d'images 2D et 3D. Les résultats sont compatibles avec ceux des mesures globales de diffusion par échos de spin dans ces mêmes poumons, et sont similaires aux résultats in vivo publiés. Ces poumons fixés sont donc un fantôme commode et pertinent pour des études méthodologiques. Les mesures de diffusion en bas champ, insensibles aux effets de susceptibilité, ont été faites sur une large gamme de temps de diffusion.

Les progrès en pompage optique (PO) par échange de métastabilité (EM) dans de l'hélium-3 gazeux à forte puissance laser, dont les applications sont variées, mais aussi à forte pression p3 et fort champ magnétique B ont fortement motivé la reprise d'investigations pour comprendre les processus limitant cette technique puissante. Nous présentons une étude systématique, expérimentale et théorique, de l'efficacité du POEM et des mécanismes de relaxation à B≤30 mT et p3=0.63−2.45 mbar. La polarisation nucléaire M de l'hélium-3 est mesurée par absorption en configuration longitudinale, en utilisant des faisceaux à 1083 nm de faible puissance, parallèles à B et à l'axe de la cellule, et de polarisations circulaires opposées pour sonder la distribution des populations dans l'état métastable. Nos tests détaillés montrent que cette méthode est fiable pour l'étude de la dynamique du POEM malgré la redistribution des populations par la lumière de pompage. La perte de M associée à l'émission de lumière polarisée par la décharge qui crée le plasma nécessaire au POEM décroît au-dessus de 10 mT, comme attendu, à cause du découplage hyperfin dans les états très excités. Pourtant cela n'améliore pas l'efficacité du POEM à forte puissance laser. Par contre, nous avons mis en évidence une relaxation supplémentaire liée à la présence du laser pompe. Les pertes importantes de M renforcées par PO, qui limitent actuellement les performances du POEM, sont étudiées quantitativement avec une approche basée sur un bilan de moment angulaire et un modèle détaillé, récemment développé, qui décrit les effets combinés du PO, de l'EM et de la relaxation, validé par comparaison aux résultats expérimentaux.

Les cryptophanes sont des récepteurs moléculaires qui présentent des propriétés de complexation intéressantes vis-à-vis de nombreux substrats. Ces quinze dernières années, les cryptophanes ont fait l’objet de beaucoup d’études portant sur leur utilisation pour l’obtention de biosondes pour l’IRM du xénon hyperpolarisé. De très nombreux progrès ont été réalisés, et des études in vivo semblent à présent envisageables, à condition de parvenir à synthétiser les biosondes en larges quantités. Plus récemment, un champ d’application parallèle s’est développé. Celui-ci porte sur la complexation des cations métalliques monovalents en solution aqueuse au sein de cryptophanes polyphénoliques. Ceci laisse envisager des applications pour la dépollution des eaux contaminées par des cations Cs+ ou Tl+. Cependant, ici encore, l’un des enjeux majeurs est la synthèse de larges quantités de cryptophanes présentant les caractéristiques recherchées. Les travaux réalisés au cours de cette thèse traitent de la conception et de la synthèse de nouvelles plateformes moléculaires pour l’obtention de biosondes au xénon hyperpolarisé et pour la complexation des cations métalliques monovalents Cs+ et Tl+. Les voies de synthèse mises au point permettent l’obtention de quantités appréciables d’un ensemble de nouvelles plateformes hydrosolubles pour chacune de ces applications. Les propriétés d’encapsulation de ces molécules hôtes envers leur substrat de prédilection ont été étudiées par RMN des noyaux encapsulés, par dichroïsme circulaire ou encore par titrage calorimétrique. Dans chaque cas, les nouvelles plateformes remplissent les caractéristiques recherchées et ouvrent la voie aux applications visées. / Cryptophanes are molecular receptors known for their complexation properties of various substrates. Over the last fifteen years, cryptophanes were the subject of numerous studies for they can be used to obtain biosensors for xenon MRI. This field has experienced significant growth and advances to the point were in vivo applications are now envisioned, provided that large amounts of biosensors can be synthesized. More recently, polyphenolic cryptophanes have been studied for their ability to encapsulate monovalent metallic cations like Cs+ and Tl+ in aqueous solution. This could lead to applications for depollution of contaminated water sources but would require, once again, the synthesis of large amounts of cryptophanes.The work carried out during this thesis focus on the conception and the synthesis of new molecular platforms that could either be used to obtain new hyperpolarized xenon biosensors or to encapsulate monovalent metallic cations as Cs+ and Tl+. Synthetic routes have been developed to produce good amounts of a variety of new hydrosoluble molecular platforms designed for each application. The encapsulation properties of these new host molecules were studied through NMR of the encapsulated nucleus, circular dichroism or isothermal calorimetry. In each case, the new platforms meet the expected requirements thus opening the door for the envisioned applications.