Nous présentons une étude détaillée, non-perturbante, de la prise du plâtre par Relaxation Magnétique Nucléaire (RMN) du proton, à bas champ magnétique. Cette technique permet de quantifier en continu le degré d'hydratation et de déduire de manière non-destructive les paramètres microstructuraux d'une pâte de plâtre en cours de durcissement. La décroissance bi-exponentielle des signaux de relaxation de l'eau dans le plâtre prouve l'existence de deux populations d'eau différentes, en échange lent. A partir des mesures de relaxométrie RMN, deux modes d'organisation de la microstructure sont identifiés en fonction du rapport de gâchage initial eau/plâtre (e/p), pour 0.4 <= e/p <= 0.6 et 0.7 <= e/p <= 1. Un modèle original d'échange entre les populations d'eau dans un milieu poreux a été établi. Une nouvelle approche multi-échelles et multi-techniques de la prise et du durcissement des pâtes de plâtre est proposée, permettant de relier les mesures locales obtenues par RMN aux propriétés mécaniques du matériau (mesurées par ultrasons). La démarche expérimentale et la modélisation présentées dans cette étude peuvent être appliquées à une large gamme de matériaux poreux en évolution.

La fibrose systémique néphrogénique (FSN) est une maladie rare et relativement récente, observée uniquement chez des patients souffrant d'insuffisance rénale sévère ou terminale. Elle est liée à l'administration d'une certaine catégorie de complexes de gadolinium (CG), les CGs thermodynamiquement moins stables, utilisés comme produits de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique. L'hypothèse mécanistique la plus couramment citée concerne les effets profibrosants du Gd3+ " libre " après dissociation in vivo des CGs les moins stables mais il n'en existe pas de démonstration formelle. La physiopathologie de cette maladie reste mal connue, notamment par manque de modèles précliniques pertinents. Les travaux de cette thèse répondent donc à la nécessité d'approfondir nos connaissances concernant les relations entre les propriétés physicochimiques des CGs (structure, stabilité) et le risque de toxicité chronique, afin de mieux comprendre leur rôle dans le mécanisme de la FSN. Nous avons mis aux points plusieurs modèles de FSN chez le Rat. Nous avons aussi comparé les effets de toutes les catégories structurales des CGs sur ces modèles. Une toxicité systémique importante et la survenue de lésions cutanées macroscopiques et d'une fibrose du derme sont notées après administration de gadodiamide (un CG linéaire et ionique de faible stabilité), ce qui est cohérent avec le fait que la grande majorité des cas de FSN sont associés à cet agent. Nous avons aussi montré que cette toxicité dépend du degré d'insuffisance rénale et que l'hyperphosphatémie sensibilise les animaux aux effets profibrosants du gadodiamide. Nos données suggèrent donc que ces facteurs associés sont des facteurs de risque de la FSN. Nous avons observé la dissociation progressive in vivo de deux CGs linéaires présentant une faible stabilité, le gadodiamide et l'acide gadopentétique, après administration chez le Rat insuffisant rénal, avec libération de Gd3+ sous forme libre et soluble. Les CGs macrocycliques sont restés stables. Nous avons confirmé cette stabilité sur du sérum de Rat et du sérum humain alors que le gadodiamide se dissocie in vitro. Nos données suggèrent aussi une interaction entre l'ion Gd3+ dissocié à partir du gadodiamide et les protéines sériques. Cette libération de Gd3+ est accélérée en présence d'une forte concentration de phosphate. Globalement, nos résultats suggèrent ainsi un rôle causal du Gd3+ libre dans les lésions cutanées observées chez les animaux insuffisants rénaux. Enfin, nous avons observé l'implication de la voie de signalisation canonique de TGFβ, le marqueur clé de la fibrose, uniquement chez des rats ayant reçu le gadodiamide et dont l'insuffisance rénale est modérée. Nos travaux sont donc en faveur de l'hypothèse mécanistique d'une dissociation des CGs peu stables.

Cette thèse décrit une stratégie de synthèse de nouvelles générations des nanoparticules (NPs) pour applications biomédicales, visant à une amélioration de leurs performances pour l’imagerie, le diagnostic thérapeutique. Ces NPs présentent plusieurs fonctionnalités leur permettant de réaliser des tâches multiples. Deux types de sondes bimodales ont été développés et étudiés afin d'évaluer leur potentiel comme agents (1) de contraste en IRM et (2) luminescents. Ces objetscombinent les propriétés des complexes de lanthanide (Ln3+) et celles des NPs de silice ou de type coeur-écorce Fe2O3@SiO2 pour une imagerie bimodale. Ces NPs testées sur des cellules vivantes ont permis d’illustrer la preuve du concept aussi bien en IRM avec une augmentation d'intensité des images et un impact significatif sur les relaxivities r1, r2 et r2* qu’en photoluminescence. L’étude du système coeur-écorce a montré que l’influence du contrôle fin de l’écorce autour du noyau d'oxyde de fer a pu être modélisée. / This thesis describes a strategy of synthesis of new generations of nanoparticles (NPs) for biomedical applications, aiming at an improvement of their performances for the imaging, and the therapeutic diagnosis. These NPs present several functionalities enabling them to carry out multiple tasks. Two types of bimodal probes were developed and studied so as to evaluate their potential as contrast agents (1) in MRI and (2) and luminescence. These objects combine the properties of the lanthanide complexes (Ln3+) and those of NPs of silica or core/shell Fe2O3@SiO2 for a bimodal imaging. These NPs tested on living cells were able to illustrate the proof of the concept not only in MRI with an increase of intensity of the images and a significant impact on the relaxivities r1, r 2 and r2* but also in photoluminescence. The study of the core/shell system showed that the influence of the fine control of the shell around the iron oxide core could be modeled.

L’optimisation des performances d’une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l’eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l’eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure – transport dans i) L’Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes «modèles» auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l’évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l’hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l’eau à l’échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l’échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l’impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l’Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés. / The optimization of the Fuel Cell’s performances (PEMFC) requires a microscopic understanding of the water and proton’s transport mechanism, which are confined in a polymer electrolyte membrane. The latter is nanostructured, charged and characterized by a complex and multi-scale water and proton dynamics, closely correlated to the confining morphology. We studied the structure-transport interplay in i) the Aquivion, a recent perfluorosulfonic ionomer exhibiting good performances in fuel cell, ii) “model” systems of perfluorosulfonic surfactants, which self-assemble in lamellar and hexagonal phases and iii) a new hybrid membrane doped with surfactant. The nanostructuration of the different systems has been studied by neutron and X-ray scattering, to characterize the structural evolution (host matrix geometry, confinement sizes) with hydration. Then, we probe the water dynamics at the molecular level (from picosecond to nanosecond) with Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) and at the micrometric scale with Pulsed Field Gradient NMR. The comparison of commercial membranes and model systems bring new insight on the impact of the connectivity, the confinement and the geometry, on the ionic transport. Finally, high potential hybrid membranes have been obtained by doping Nafion and Aquivion with surfactants. Those new materials open a promising way for the preparation of highly anisotropic polymer membrane, with conducting path preferentially oriented.

Dans la pratique du rugby à XV, l’intégrité de la moelle épinière (ME) est menacée par les rares macro-traumatismes du rachis cervical, et par les chargements répétitifs entrainant l’apparition de pathologies dégénératives. Comment quantifier ces altérations, quels sont les mécanismes qui les président ?Pour aborder ces questions, la faisabilité et l’intérêt d’un protocole IRM multiparamétrique en contexte dégénératif ont tout d’abord été investigués. Puis, une récente technique de relaxométrie T1 3D et une acquisition ihMT multi-coupes à multiples orientations permettant d’évaluer le contenu macromoléculaire des tissus, en particulier la myéline, ont été développées pour évaluer le caractère diffus des altérations. Préliminairement appliqué sur quelques joueurs, ce protocole a ainsi démontré la faisabilité d’une exploration approfondie par IRM multiparamétrique de la ME cervicale dans le rugby.En complément de cela, une étude préliminaire utilisant un modèle éléments finis (MEF) détaillé a été menée pour évaluer la réponse mécanique des sous-régions de la ME soumises à des chargements mécaniques primaires. Par la suite, une étude préliminaire des risques neurologiques liés à un canal vertébral étroit (observé chez certains joueurs) a été conduite en modifiant la géométrie du MEF. A l’interface entre l’IRM et la biomécanique, ces travaux préliminaires ont posé les premiers jalons pour une caractérisation fine et robuste des altérations tissulaires au niveau médullaire dans le rugby. A terme, cette approche permettrait de proposer de nouveaux éléments pour une éventuelle amélioration du bilan d’aptitude des joueurs et de proposer des programmes préventifs améliorés. / In Rugby Union practice, the cervical spinal cord (CSC) could be involved in rare cervical spine (CS) traumatic injuries and also be threatened by the neck exposure to repetitive impacts assumed to induce early degenerative tissue alterations. How to quantify these impairments? What are the underlying pathophysiological mechanisms? To answer these questions, efforts were first directed towards the investigative potential of an advanced multiparametric Magnetic Resonance Imaging (MRI) protocol in degenerative contexts. Then, a new MRI protocol covering the whole CSC, including a recent 3D T1 relaxometry technique and a multi-slice multi-angle ihMT acquisition evaluating tissue myelin-content, was optimized. Preliminarily-applied to few players, this new optimized protocol showed the feasibility of a fine and diffuse CSC characterization in rugby. In parallel and as a complement, preliminary finite element modelling (FEM) analyses were also conducted to evaluate the mechanical responses of CSC sub-regions under primary loading mechanisms. Then, the same loading mechanisms were applied to a geometrically-modified FEM reproducing a narrow vertebral canal, reported to occur in some players therefore allowing to evaluate the effect of rugby-related CS degenerative changes on the CSC mechanical response under traumatic loadings. These preliminary, interdisciplinary and complementary works lay the ground for a fine structural and mechanical characterization of CSC tissues in rugby players, which would eventually allow to propose improved aptitude-to-play evaluation criteria as well as improved preventive programs.

Actuellement, des méthodes quantitatives de résonance magnétique nucléaire (RMN) offrent des biomarqueurs qui permettent la réalisation d’études longitudinales pour le suivi de l’évolution des maladies neuromusculaires et des essais thérapeutiques de manière non-invasive. A la différence de la dégénérescence graisseuse, les processus d’inflammation/œdème/nécrose et fibrose sont des signes d’activité des maladies et leurs quantifications constitueraient ainsi de biomarqueurs parfaitement adaptés pour le suivi thérapeutique. Ce travail de thèse a consisté à mettre en place des méthodologies quantitatives plus précises et adaptées à l’étude clinique du muscle pour : (i) détecter et quantifier des sites d’activité de maladies par la cartographie T2 de l’eau ; (ii) identifier les différents processus pathophysiologiques qui sont à l’origine des altérations du T2 ; et (iii) détecter et quantifier la fibrose musculaire. Nous avons implémenté deux méthodes pour la quantification du T2 de l’eau dans le muscle. La première est basée sur une séquence d’écho de spin du type CPMG, où les signaux provenant des protons des lipides et de l’eau sont acquis simultanément et séparés à postériori par un traitement tri-exponentiel qui exploite la différence entre les T2 qui caractérisent les signaux de l’eau et de la graisse. La deuxième technique est basée sur une séquence de « partially spoiled steady state free precession (pSSFP) ». Différemment de la première technique qui nécessite un traitement assez élaboré sur des images acquises à 17 temps d’écho différents, dans la pSSFP la cartographie T2 est extraite à partir de deux séries de données 3D. L’acquisition 3D est compatible avec des techniques de sélection spectrale de l’eau, ce qui évite la contamination par les signaux des lipides. Les deux méthodes ont été validées expérimentalement chez des malades et des sujets sains et ont démontré leur capacité à détecter et quantifier des sites d’activité de maladies. Ces deux travaux font l’objet de deux publications dans des journaux scientifiques internationaux : Azzabou, de Sousa, Araujo, & Carlier, 2014. Journal of Magnetic Resonance Imaging. DOI 10.1002/jmri.24613 (in press); et de Sousa, Vignaud, Araujo, & Carlier . 2012. Magnetic Resonance in Medicine. 67:1379-1390. Malgré le fait de permettre la détection des sites d’activité de maladies, la mesure mono-exponentielle du T2 de l’eau par imagerie reste non-spécifique vis-à-vis des processus physiologiques à l’origine de l’augmentation du T2. Il est connu que la relaxation T2 du muscle squelettique n’est pas mono-exponentielle. Cela est interprété comme une conséquence de la compartimentation anatomique de l’eau tissulaire. Nous avons mis au point une méthode pour l’acquisition localisée de données CPMG. Cette technique permet l’acquisition des données dans des conditions nécessaires pour la réalisation de traitements multi-exponentiels précis. Ce travail nous a permis d’établir un modèle de compartimentation qui explique parfaitement la relaxation T2 dans le muscle. Il a fait l’objet d’un article publié dans le « Biophysical Journal » (Araujo, Fromes & Carlier 2014. New Insights on skeletal muscle tissue compartments revealed by T2 NMR relaxometry. (In press)). Les essais réalisés chez des sujets malades suggèrent un grand potentiel pour l’application de la méthode dans des études cliniques. La formation de la fibrose commence avec une accumulation excessive de tissu conjonctif intramusculaire (TCIM). Nous avons exploité la technique « Ultrashort Time-to-Echo » (UTE) pour essayer de détecter et caractériser le signal du TCIM. Dans une première étude, nous avons caractérisé in vivo une composante à T2 court (~500 µs) dans le muscle, et nous avons trouvé des indices qui suggèrent qu’elle représente le TCIM. Dans une deuxième étude, nous avons mis au point une méthodologie qui a permis d’imager cette composante à T2 court dans le muscle pour la première fois. / Current quantitative nuclear magnetic resonance (NMR) technics offer biomarkers that allow performing non-invasive longitudinal studies for the follow up of therapeutic trials in neuromuscular disorders (NMD). In contrast to fat degeneration, the mechanisms of inflammation/oedema/necrosis and fibrosis are characteristic signs of disease activity, which makes their quantification a promising source of crucial biomarkers for longitudinal studies. This thesis work consisted on the implementation of more precise quantitative NMR methods adapted to the clinical study of skeletal muscle (SKM) for : (i) detection and quantification of sites of disease activity by T2-mapping of muscle water ; (ii) investigation of the different pathophysiological mechanisms underlying T2 alterations ; and (iii) Detection and quantification of muscle fibrosis. We implemented two methods for T2 mapping of muscle water. The first one is based on a multi-spin-echo sequence du type CPMG. In this method the 1H-NMR signals from water and lipids are acquired simultaneously. The acquired data are fitted to a tri-exponential model, in which water and fat signals are separated by exploring the T2 difference between water and fat. This method allows extraction of muscle water T2-value in the presence of fat infiltration. The second method is based on a « partially spoiled steady state free precession » (pSSFP) sequence. In contrast to the first method, which demands a sophisticated post-treatment of images acquired at 17 different echo-times, with the pSSFP a T2-mapping is extracted from two 3D data sets. 3D acquisition is compatible with spectrally selective water excitation, which eliminates signal contribution from lipids. Both methods were validated experimentally on patients and healthy subjects. The results demonstrated their capacity to detect and quantify disease activity sites. This 2 works have been published in two international journals : Azzabou, de Sousa, Araujo, & Carlier, 2014. Journal of Magnetic Resonance Imaging. DOI 10.1002/jmri.24613 (in press); et de Sousa, Vignaud, Araujo, & Carlier . 2012. Magnetic Resonance in Medicine. 67:1379-1390. Although it was shown to reveal disease activity, mono-exponential T2 of muscle water is non-specific to what concerns the mechanisms underlying its alterations. It has been long known that T2 relaxation in SKM tissue is multi-exponential. This is currently accepted to reveal anatomical compartmentation of myowater. We implemented a method for localized spectroscopic CPMG acquisition. CPMG data respect echo-time sampling and signal to noise ration limits for allowing robust multiexponential analysis. This work allowed us to establish a compartmentation model that perfectly explains the multi-exponential T2 relaxation observed in SKM tissue. This work was published in the « Biophysical Journal » (Araujo, Fromes & Carlier 2014. New Insights on skeletal muscle tissue compartments revealed by T2 NMR relaxometry. (In press)). Pilot studies performed in patients show promising results and suggest potential application of the method in clinical studies. Fibrosis starts with an excessive accumulation of intramuscular connective tissue (IMCT). We have explored the « Ultrashort time to echo » (UTE) method with the aim to detect and characterize the signal from IMCT. In a first study we characterized in vivo a short T2 component (~500 µs) in SKM, and we collected evidences suggesting that this component might reflect IMCT. Then we implemented a methodology that allowed imaging this short component in SKM tissue for the first time.

Nous avons proposé des techniques de RMN à une et deux dimensions pour mesurer quantitativement les saturations et dynamiques de différents mélanges de saumure/huile brute/filtrat de boue confinés dans des roches pétrolières. La plupart de ces techniques peuvent être utilisées dans les puits. Les échantillons de roches ont été caractérisés par les techniques standards de la pétrologie. La résonance paramagnétique électronique (RPE) a mis en évidence les sources de relaxation composées d'ions métalliques paramagnétiques de vanadyl (VO2+) et de radicaux libres stables dans des huiles brutes avec et sans asphaltène. La micro-chromatographie en exclusion de tailles couplée à la détection par spectroscopie de masse en haute résolution a démontré le piégeage de ces ions métalliques dans des composés de type " métallo-porphyrine " (MP) inclus dans les nanoagrégats d'asphaltène. Ces deux dernières techniques ont montré qu'environ 2/3 des ions VO2+ sont inclus dans les parties polaires de l'asphaltène tandis que 1/3 sont libres en solution. L'utilisation jointe des chromatographies en phase gazeuse (GC) et par perméation de gel ou d'exclusion stérique (GPC) a permis d'étendre considérablement l'étendue spatiale des distributions de longueurs de chaînes des hydrocarbures. Les distributions des temps de relaxation transverses et longitudinaux ont la même allure que celle obtenues par GC et GPC. Ce qui prouve que la dynamique des hydrocarbures est fortement corrélée à la longueur des chaînes. La partie centrale de notre étude a consisté en la proposition de nouvelles séquences de RMN à deux dimensions (D-T2) corrélant les distributions des coefficients de diffusion D et les temps de relaxation transverses T2. Nous avons appliqué ces séquences (D-T2) pour suivre continument les saturations progressives de fluides pétroliers confinés dans des grès poreux en conditions monophasique, diphasique et triphasique à température et pression variables. On a pu ainsi suivre continument, pour la première fois, les saturations et les diffusions de ces différents fluides au cours d'expériences d'imbibition-drainage dans des grès pétroliers. Finalement, on a confirmé les comportements anormaux D∝√T2 pour les T2 courts (longues chaînes d'hydrocarbures) dans le cas des huiles brutes avec asphaltène. On a aussi observé un comportement D≈Cte pour les T2 longs (courtes chaînes d'hydrocarbures). Un scaling non-linéaire T2->√T2 a montré que c'est au niveau de la dynamique moléculaire (de rotation et de translation) des hydrocarbures de longues chaînes moléculaires que résident les principaux effets de l'asphaltène. Le comportement nouveau D≈Cte a pu être expliqué en termes d'une affinité dynamique transitoire entre les petits hydrocarbures et les nanoagrégats d'asphaltène. Ce qui est compatible avec les dépendances bilogarithmiques des variations de la vitesse de relaxation longitudinale moyenne avec la fréquence de Larmor que nous avons observées dans le cas des huiles brutes avec asphaltène.