Le projet d’instrumentation ART pour la biologie moléculaire, associant le Dapnia et le Service hospitalier Frédéric Joliot, a reçu le soutien du programme Technosanté[1] du CEA. Le projet ART, pour Analyse de paramètres physiologiques chez le Rongeur sous imagerie TEP, concerne les études précliniques en imagerie par tomographie par émission de positons (TEP) sur l’animal. Son objectif est d’automatiser la mesure de la cinétique de la concentration du traceur dans le sang artériel de l’animal simultanément à l’imagerie. Le Dapnia y a apporté son expertise dans les domaines des outils de simulation en physique nucléaire, de l’électronique d’acquisition, de l’automatisme et du pilotage depuis la lecture des détecteurs jusqu’au dispositif de micro-centrifugation. Le projet ART a obtenu en 2007, à l’unanimité, une évaluation très positive du comité de pilotage de Technosanté. Le soutien du programme Technosanté va permettre au projet la réalisation du prototype et les validations biologiques associées ainsi qu’une étude du produit vers le marché de la santé.
Un projet pour la pharmacologie
Le projet ART, démarré en janvier 2005, est une collaboration entre le Laboratoire d’imagerie moléculaire expérimentale du Service hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) de la DSV et du Dapnia, Laboratoire de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers. Pour ce projet, Le Dapnia a fourni l’expertise de ses physiciens nucléaires et de ses ingénieurs en informatique, électronique et systèmes de détection. Le SHFJ fournit quant à lui sa plateforme d’imagerie et les compétences de ses biologistes.
On considère que d’ici quelques années, les dossiers de demande d’autorisation de mise sur le marché ne seront plus acceptés sans une étude de distribution pharmacocinétique « corps entier », au moins chez l’animal. Ce type d’étude implique des campagnes de mesure de la pharmacocinétique dans le sang artériel et dans le plasma, ce que le projet ART se propose de réaliser de façon automatique. ART répond donc aux exigences des centres de pharmacologie, mais aussi à un besoin croissant des centres de recherche préclinique qui mettent au point de nouveaux traceurs.
Le but premier d’ART est d’automatiser une chaîne de prélèvement de micro échantillons sanguins d’un animal (du rongeur au primate) et de mesurer en ligne leur émission en radioactivité bêta+, le tout simultanément à un examen d’imagerie TEP. La seconde partie du projet consiste à automatiser la gestion de micro-échantillons sanguins après leur premier comptage. Ce module permettra la séparation en ligne par extraction du plasma du sang et un second comptage de radioactivité.
Un support spécifique a été réalisé, permettant de positionner le compteur, la pompe et le PC d'acquisition, au plus proche de l'animal sans s'appuyer sur le scanner TEP. L'extracteur plasma, en cours de développement, n'est pas présent sur cette photo.
Synoptique du système ART.
Les enjeux d’ART
Afin d’évaluer la fixation d’un médicament sur des organes cibles et les capacités à franchir les barrières cellulaires, il est nécessaire de mesurer la pharmacocinétique dans le sang artériel et dans le plasma.
Pratiquement, la caméra TEP mesure les concentrations locales de la molécule au cours du temps dans les organes cibles, et des prélèvements sanguins sont effectués manuellement pour la mesure de la fonction d’entrée. Cependant, cette technique manuelle est délicate, et difficile à mettre en œuvre sur les petits animaux. D’autre part les prélèvements de ces échantillons et leurs manipulations imposent une exposition du personnel aux rayonnements ionisants qu’il est toujours souhaitable d’éviter.
Le système ART propose d’automatiser la chaîne complète assurant la mesure de la fonction d’entrée simultanément à l’imagerie, depuis le prélèvement sanguin jusqu’au comptage plasma avec une amélioration sur la précision de mesure et une limitation de la dose d’exposition du personnel. Une telle chaîne automatisée adaptable de la souris à l’homme n’existe pas sur le marché.
Les validations
Le compteur de radioactivité des micros échantillons (près de 30 μl pour le rat et de 8 μl chez la souris) contenus dans un tube capillaire est basé sur 6 diodes silicium (10x10x0.3 mm3) entourant le micro tube et une carte électronique privilégiant un système compact et robuste. L’ensemble forme un boîtier de petites dimensions 12x18x5 cm3. L’électronique de lecture des diodes ainsi que l’électronique gérant l’acquisition et le transfert de données ont été intégrées dans un unique module électronique développé au Dapnia. L’électronique d’acquisition a été optimisée afin de réduire au maximum le bruit électronique permettant de minimiser le seuil de détection pour une meilleure efficacité.
Une efficacité de détection du dispositif voisine de 33% a été mesurée pour des marqueurs utilisant l’isotope du fluor 18F, et de 40% pour ceux utilisant l’isotope du carbone 11C. Cette efficacité de détection est bien supérieure à celle obtenues dans le monde avec d’autres dispositifs (7% pour le 18F et 21% pour le 11C). Elle est obtenue grâce à un très faible niveau de bruit électronique et au choix du matériau du tube interne au compteur qui présente une atténuation très faible des positons.
Vue du micro-tube (diamètre 1 mm) contenant le microéchantillon.
Acquisition en ligne de la cinétique sanguine simultanément à un examen TEP.
Une technique efficace
La solution la plus efficace pour valider le comptage du système ART consiste à mesurer une fonction d’entrée avec ART en effectuant en parallèle une mesure avec la méthode manuelle de référence, puis à comparer les deux fonctions d’entrée ainsi obtenues. Une telle démarche est très délicate à réaliser sur un petit animal comme le rongeur (quantité de sang prélevée importante, pose de plusieurs cathéters artériels difficile), mais elle est par contre tout à fait possible sur des animaux plus gros comme les primates.
Un primate de 20 kg a reçu 4 millicuries d’une molécule analogue au glucose marquée au 18F, ce qui est comparable à la dose reçue par un homme pour le même type d’examen.
Des prélèvements manuels (1ml par tube) étaient effectués, à partir d’un cathéter posé dans une artère fémorale, toutes les 15 secondes pendant les premières minutes et de façon plus espacée ensuite. Le système automatique ART était branché sur l’autre artère fémorale et comptait des micro-échantillons (0,03 ml) toutes les deux secondes.
Les premières validations expérimentales du système ART sont encourageantes quant à la faisabilité du projet.
La fréquence des échantillons étant limitée avec la méthode manuelle, celle-ci peut manquer la mesure du pic d’activité. Avec une mesure toutes les 2 secondes, la méthode automatique garantit sa mesure. Cette amélioration sur la précision de la cinétique de mesure est une réelle avancée pour les analyses biologiques quantitatives de l’imagerie TEP.
De beaux résultats
On peut considérer que le projet ART a d’ores et déjà produit de beaux résultats.
En effet, son système de mesure intégré permet de réaliser en ligne la succession de tâches conçues jusqu'ici comme typiquement manuelles, et d'en assurer la conduite de manière automatique.
Une analyse de la protection industrielle a permis de déposer trois brevets ; le premier concernant le compteur de radioactivité, le deuxième sur le séparateur plasma pour microéchantillons en ligne, et le dernier sur un coupleur sans volume mort adapté aux cathéters médicaux.
Enfin ce projet montre de belle manière comment des équipes issues de communautés différentes et n’appartenant pas aux mêmes directions du CEA, ont su développer leur complémentarité au service de la recherche pour la santé.
Contacts :
Sophie Kerhoas-Cavata
Jean-Marc Reymond
Détail au pic de la fonction d'entrée (concentration d'activité sanguine en fonction du temps) mesurée manuellement et avec ART. La méthode automatique mesure le pic d'activité là où la méthode manuelle peut échouer.
[1] Lancé en 2006 et piloté par la DSV, le programme Technosanté est destiné à soutenir des projets dans le domaine des technologies pour la santé afin de leur permettre d’aboutir industriellement. Il est structuré autour d’un comité de pilotage rassemblant toutes les directions du CEA. Technosanté est l'un des cinq programmes transverses créés en septembre 2006 par l’Administrateur général. Il est un des outils de soutien à des actions de recherche communes à plusieurs pôles opérationnels du CEA. En 2007, Technosanté a sélectionné 4 projets.
• L'expertise de l'Irfu au service des enjeux sociétaux
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• ART • pas de titre
