One of the main advantages of magnetic resonance imaging (MRI) is its capability of providing a wide spectrum of image contrasts, which reflect tissue-specific physical and chemical features, by simply modifying the puise sequence parameters. Beside the undoubted benefit for diagnostic purposes, where the visual différence in contrast can be used to discern between healthy and impaired tissue, this MRI-specific property is also exploited by quantitative techniques for the characterization of various diseases from a physiopathological point of view. Quantitative metrics not only allow for comparison among différent subjects, studies and sites but also for the création of large databases than can help in classifying patients by disease characteristics and thus serve the purpose of delivering personalized and précisé healthcare.
The measurement of various physiological processes, the quantification of tissue properties, the estimation of water and other molecule concentrations are only few examples of quantifiable évaluations obtainable with quantitative MRI techniques. A modification to any of these measurements can be caused by a biological altération linked to a pathological state. For this reason, quantitative MRI is nowadays gaining increasing interest as a physiopathological analysis tool. As opposed to qualitative MRI techniques, which provide a detailed "picture" of an organ or a specific tissue that needs to be interpreted by a radiologist, quantitative MRI is usually based on a model that represents the link between the magnetic resonance (MR) signal and a certain physical process. This model is then used to extract physical variables from a sériés of MR measurements obtained by changing the puise sequence parameters. Quantitative MRI techniques can be classified as structural or functional. While the former techniques allow for the characterization of tissue properties (such as the T2 relaxation time), the latter enable the quantification of physiological properties (such as the level of inflammation).
During the course of this thesis, I have worked on two quantitative MRI techniques that specifically target atherosclerosis and osteoarthritis (OA), two major health concerns that affect millions of patients every day worldwide.
Atherosclerosis is the major precursor of cardiovascular disease (CVD), the number one killer in the Western world. Vulnérable plaques that have a high risk of rupture are characterized by numerous inflammatory cells. The inflammatory level of an atherosclerotic plaque can be quantified and monitored by means of fluorine-19 (19F ) MRI of injected perfluorocarbon (PFC) emulsion, avidly taken up by immune cells and transported at sites of inflammation. This may provide a target for recognizing early atherosclerotic disease and to monitor the efficacy of therapy. The absence of natural 19F MR signal within the human body allows the technique to be highly specific and with high contrast-to-noise ratio (CNR).
OA - one of the leading causes of global disability - has been characterized in its early stages by means of T2 mapping of knee cartilage. The ultrastructural and biochemical changes that affect the cartilage structure at the early stages of OA correlate with the T2 relaxation time. Therefore these changes may be detected by knee cartilage T2 mapping before permanent cartilage tissue loss occurs and when preventive therapies have the highest success rate.
The first part of this thesis focuses on the characterization of three PFC emulsions and on the in vitro optimization of 19F MRI at the clinical magnetic field of 3T. Given its low sensitivity, 19F MRI puise sequences have been designed for high signal-to-noise ratio (SNR). Then, this optimized technique has been applied for the in vivo characterization and quantification of PFC concentration in a mouse model of atherosclerosis. The feasibility of quantitative 19F MRI in very small inflammation sites such as atherosclerotic plaques in mice has been demonstrated at 3T and the cell populations that internalize the PFC nanoparticles have been quantified by imaging flow cytometry.
The second part of this thesis focuses on the détection of the compositional and biochemical changes of knee cartilage that occur during the early stages of OA. A novel isotropic three-dimensional (3D) T2 mapping technique has been developed and validated in healthy volunteers. In addition, it has been successfully tested in a cohort of patients with severe unicompartmental OA and simultaneous early OA in the remaining preserved areas of cartilage. Finally, the technique has been combined with a short water excitation (WE) radiofrequency (RF) excitation puise to obtain robust fat signal suppression and tested in healthy volunteers. This resulted in improved cartilage delineation together with précisé and accurate measurement of knee cartilage T2 relaxation times.
In the conclusion section, a summary of the results obtained during this thesis is presented and possible future directions that contemplate the combination of these two non-invasive quantitative MRI: techniques for the comprehensive characterization of both analyzed diseases are discussed as an outlook.
Résumé
Un des principaux avantages de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est sa capacité à obtenir un large spectre d'images avec différents contrastes, lesquels reflètent les caractéristiques physiques et chimiques spécifiques des tissus observés, par la simple modification des paramètres d'acquisition. Outre l'avantage incontestable de cette particularité à des fins de diagnostic, où la différence visuelle de contraste peut être utilisée pour discerner les tissus sains des tissus malades, cette caractéristique spécifique à l'IRM est également utilisée par les techniques d'IRM quantitatives pour la caractérisation de diverses maladies d'un point de vue physiopathologique. Les mesures quantitatives permettent la comparaison entre différents sujets, études et centres cliniques, et contribuent également à la création de grandes bases de données qui peuvent aider à classer les patients en fonction des caractéristiques d'une maladie et ainsi fournir des soins de santé personnalisés et précis.
La mesure de divers processus physiologiques, la quantification des propriétés des tissus, l'estimation de la concentration en eau et autres molécules sont seulement quelques exemples de mesures qui peuvent être effectuées avec les techniques d'IRM quantitatives. Les changements des valeurs issues de ces mesures peuvent être causés par l'altération biologique des tissus observés due à un état pathologique. C'est la raison pour laquelle l'IRM quantitative suscite de nos jours un intérêt croissant en tant que un instrument d'investigation physiopathologique. A l'inverse des techniques d'IRM qualitatives, lesquelles produisent une photographie détaillée d'un organe ou d'un tissu nécessitant l'interprétation d'un radiologue, les techniques d'IRM quantitatives sont généralement basées sur un modèle qui représente la dépendance du signal de résonance magnétique (RM) avec un processus physique. Ce genre de modèle est utilisé pour calculer des variables physiques à partir d'une série de mesures de signaux de RM obtenue simplement en changeant les paramètres d'acquisition. Les techniques d'IRM quantitatives sont classées de manière structurelle et fonctionnelle. Les premières visent à mesurer les propriétés des tissus (comme le temps de relaxation T2), tandis que les secondes permettent de quantifier les propriétés physiologiques (comme le niveau d'inflammation).
Cette thèse est centrée sur le développement de deux techniques d'IRM quantitatives pour la caractérisation de l'athérosclérose et de l'arthrose, deux maladies graves qui affectent des millions de patients chaque jour partout dans le monde.
L'athérosclérose est le principal précurseur des maladies cardiovasculaires, le responsable numéro un des décès dans les pays industrialisés. Les plaques d'athérome vulnérables et à risque élevé de rupture sont caractérisés par de nombreuses cellules inflammatoires. Le niveau d'inflammation d'une plaque d'athérome peut être quantifié et surveillé à travers l'IRM du fluor-19 (19F ) via des émulsions de perfluorocarbures (PFC) injectables, phagocytés avidement par les cellules du système immunitaire et transportés dans les foyers d'inflammation. Ceci pourrait donc permettre de diagnostiquer rapidement la maladie et de surveiller l'efficacité des thérapies. L'absence de signal RM provenant des noyaux 19F naturellement présents dans l'organisme humain permet à la technique d'être hautement spécifique et caractérisée par un rapport élevé de contraste sur bruit.
L'arthrose est l'une des principales causes de handicap au niveau mondial, et a été caractérisée à un stade précoce par la cartographie T2 du cartilage du genou. Les changements biochimiques et structuraux qui affectent le tissu cartilagineux dans les premiers stades de l'arthrose sont en corrélation avec le temps de relaxation T2 et, pour cette raison, peuvent être détectés via la cartographie T2 avant que la perte permanente du cartilage ne se produise et lorsque les thérapies préventives ont les meilleures chances de succès.
La première partie de cette thèse porte sur la caractérisation de trois émulsions de PFC et sur l'optimisation in vitro de l'IRM du noyau 19F à un champ magnétique clinique de 3T. En raison de la faible sensibilité de l'IRM du 19F , les séquences d'impulsions pour l'IRM du 19F ont été conçues pour maximiser le rapport signal sur bruit. Par la suite, cette technique optimisée a été utilisée afin de caractériser et quantifier in vivo la concentration en PFC chez un modèle de souris sensible à l'athérosclérose. La faisabilité de la technique d'IRM quantitative susmentionnée a été démontrée à 3T dans de très petits foyers inflammatoires, tels que des plaques d'athérome chez la souris. De plus, la population des cellules du système immunitaire qui phagocytent les nanoparticules de PFC a été quantifiée par la technique de cytométrie en flux en image.
La deuxième partie de cette thèse est axée sur la détection précoce des changements biochimiques et structuraux qui affectent le tissu cartilagineux durant les premières phases de l'arthrose. Une nouvelle technique de cartographie T2, isotrope et en trois dimensions (3D), a été développée et validée chez des volontaires sains. En outre, la technique a été validée avec succès chez un groupe de patients souffrant d'arthrose unicompartimentale sévère ainsi que d'arthrose précoce dans les compartiments cartilagineux restants. Enfin, cette technique a également été combinée avec une impulsion d'excitation radiofréquence (RF) courte et robuste pour la suppression du signal de RM provenant du tissu adipeux et testée chez un groupe de volontaires sains. Cela a permis d'obtenir une meilleure délimitation du cartilage ainsi que des mesures précises et exactes du temps de relaxation T2 dans le tissu cartilagineux.
En conclusion de cette thèse, un résumé des résultats obtenus durant ces quatre années de doctorat est présenté et les possibles perspectives qui prévoient l'application simultanée des deux techniques d'IRM quantitatives et non-invasives développées au cours de cette thèse pour la caractérisation complète de l'athérosclérose et de l'arthrose sont discutées.
Prefazione
Uno dei priricipali vantaggi délia risonanza magnetica nucleare (RMN) è la capacité di manipolare i parametri di acquisizione in modo da ottenere un ampio spettro di contrasti d'immagine in grado di riflettere specifiche caratteristiche fisiche e chimiche del tessuto sotto osservazione. Oltre all'indubbio beneficio per fini diagnostic], ove la differenza visiva di contrasto puô essere utilizzata per discernere tra tessuto sano e malato, questa peculiare caratteristica è anche impiegata dalle techniche RMN quantitative per la caratterizzazione di svariate condizioni mediche da un punto di vista patofisiologico. Le misure quantitative non consentono solo il confronto fra diversi soggetti, studi e centri clinici, ma contribuiscono anche alla creazione di grandi database che possono aiutare a classificare i pazienti secondo le caratteristiche di una malattia e quindi a fornire un'assistenza sanitaria personalizzata e précisa.
La misura di diversi processi fisiologici, la quantificazione delle propriété dei tessuti, la stima délia concentrazione di acqua e altre molecole sono solo alcuni esempi di grandezze misurabili tramite tecniche RMN quantitative. Le variazioni di queste grandezze possono essere causate da alterazioni biologiche dovute ad uno stato patologico. È questo il motivo per cui la RMN quantitativa si sta affermando corne uno strumento di indagine patofisiologica. In antitesi rispetto aile tecniche RMN qualitative, le quali producono una fotografia dettagliata di un organo o di un tessuto d'interesse richiedente l'interpretazione di un radiologo, le tecniche RMN quantitative sono di solito basate su un modello che rappresenta la dipendenza del segnale in risonanza magnetica (RM) con un determinato processo fisico. Taie modello è quindi usato per calcolare delle variabili fisiche a partire da una serie di misurazioni RM ottenute semplicemente cambiando i parametri di acquisizione. Le tecniche RMN quantitative vengono classificate come strutturali o funzionali. Le prime miranopuô a misurare le propriété dei tessuti (come il tempo di rilassamento T2), mentre le ultime permettono di quantificaré delle propriété fisiologiche (come il livello di infiammazione).
Questa tesi è incentrata sullo sviluppo di due tecniche RMN quantitative rivolte alla caratterizzazione dell'aterosclerosi e dell'osteoartrosi, due gravi malattie che colpiscono milioni di pazienti ogni giorno in tutto il mondo.
L'aterosclerosi è il principale precursore delle malattie cardiovascolari, il responsabile numéro uno di morte nelle nazioni industrializzate. Le placche vulnerabili che presentano un alto rischio di rottura sono caratterizzate da numerose cellule infiammatorie. Il livello infiammatorio di una placca aterosclerotica puô essere quantificato e monitorato tramite la RMN del fluoro-19 (19F ) per mezzo di emulsioni di perfluorocarburi (PFC) iniettabili, fagocitati avidamente dalle cellule del sistema immunitario e trasportati nei focolai di infiammazione. Tutto ciô potrebbe pertanto consentire di diagnosticare precocemente la malattia e di monitorare l'efficacia delle terapie. L'assenza del segnale RM proveniente dai nuclei 19F naturalmente presenti nell'organismo umano consente alla tecnica di essere altamente specifica e contraddistinta da un elevato rapporto contrasto-rumore.
L'osteoartrosi, una delle principali cause di disabilità a livello globale, è stata caratterizzata nelle sue fasi iniziali tramite T2 mapping délia cartilagine del ginocchio. I cambiamenti ultrastrutturali e biochimici che interessano il tessuto cartilagineo durante le prime fasi dell'osteoartrosi sono in correlazione con il tempo di rilassamento T2. Per questo motivo, tali cambiamenti possono essere rilevati tramite T2 mapping prima che la perdita permanente délia cartilagine avvenga e quando la possibilità di applicare delle terapie preventive ha la più alta percentuale di successo.
La prima parte délia présente tesi si concentra sulla caratterizzazione di tre emulsioni di PFC e sulla ottimizzazione in vitro délia RMN del nucleo 19F a 3T (campo magnetico per uso clinico). A causa délia scarsa sensitività, le sequenze per RMN del nucleo 19F sono state designate in modo da massimizzare il rapporto segnale-rumore. Successivamente, questa tecnica ottimizzata è stata applicata per la caratterizzazione e quantificazione in vivo délia concentrazione di PFC in un modello di topo per l'aterosclerosi. La praticabilità délia suddetta tecnica RMN quantitativa è stata dimostrata a 3T in piccoli focolai infiammatori, come le placche aterosclerotiche nei topi. Inoltre, le popolazioni di cellule del sistema immunitario che fagocitano le nanoparticelle di PFC sono state quantificate tramite citometria a flusso per immagine.
La seconda parte del lavoro è incentrata sulla determinazione precoce dei cam-biamenti biochimici e strutturali che colpiscono il tessuto cartilagineo durante le prime fasi dell'osteoartrosi. Una nuova, tridimensionale (3D) e isotropica tecnica di T2 mapping è stata sviluppata e validata in uno studio con volontari sani. In aggiunta, è stato anche analizzato un gruppo di pazienti con severa osteoartrosi unicompartimentale e simultanea osteoartrosi precoce nei restanti compartimenti cartilaginei. Infine, questa tecnica è stata anche combinata con un breve impulso a radiofrequeriza (RF) per la soppressiorie del segnale RM proveniente dal tessuto adiposo e testata in un gruppo di volontari sani. Tutto ciô ha permesso di ottenere una migliore delineazione délia cartilagine e delle misure accurate e précisé del tempo di rilassamento T2 nel tessuto cartilagineo.
Nella parte conclusiva, viene presentato un sunto dei risultati ottenuti durante i quattro anni di dottorato e vengono discusse le possibili prospettive future che contemplano Tapplicazione in contemporanea delle due tecniche RMN quantitative e non-invasive sviluppate in questa tesi per la caratterizzazione comprensiva dell'aterosclerosi e dell'osteoartrosi.