Les capteurs atomiques révèlent une dynamique cachée dans la polarisation moléculaire

L’IRM est depuis longtemps un pilier de la médecine moderne, fournissant des images très détaillées des organes et tissus internes. Les appareils IRM, ces grands aimants en forme de tube que l’on trouve couramment dans les hôpitaux, utilisent des aimants puissants pour cartographier les densités des molécules d’eau et de graisse à l’intérieur du corps. En plus de ces molécules, d’autres substances telles que les métabolites sont également cartographiables, même si leurs concentrations sont souvent trop faibles pour produire des images claires.

Afin de surmonter cette limitation, une technique connue sous le nom d’hyperpolarisation est utilisée. Cela améliore le signal IRM de ces substances, les rendant plus visibles lors des examens IRM.

L’hyperpolarisation consiste à préparer une substance à l’extérieur du corps dans un état où son magnétisation (essentielle pour obtenir des images par résonance magnétique) est proche du maximum. Ce processus peut augmenter le signal des milliers de fois par rapport à ce qui se produit à l’état naturel. Une fois hyperpolarisée, la substance est injectée au patient et transportée vers l’organe ou le tissu cible. Cependant, avant que cela ne se produise, il est crucial de confirmer que la substance est correctement hyperpolarisée grâce à des processus de contrôle qualité rigoureux.

Les techniques actuelles de contrôle qualité sont confrontées à deux défis majeurs. Premièrement, ces méthodes réduisent souvent la magnétisation de l’échantillon pendant le processus de lecture, ce qui diminue leur capacité à améliorer les images IRM. Deuxièmement, le temps nécessaire à la mesure peut être long. Pendant cette période, la magnétisation de la substance décroît naturellement, limitant la possibilité d’effectuer des mesures consécutives. Cela entraîne un manque de données critiques qui pourraient aider à maximiser l’efficacité de l’hyperpolarisation. De plus, une fois l’échantillon hyperpolarisé, il existe un risque qu’il perde sa magnétisation lors du transport vers l’appareil IRM. Les techniques traditionnelles de contrôle de qualité, en raison de leur lenteur, peuvent ne pas être en mesure de détecter ces pertes en cours de route.

Aujourd’hui, une collaboration de chercheurs de l’Institut de bio-ingénierie de Catalogne (James Eills (actuellement au Centre de recherche de Jülich en Allemagne) et Irene Marco Rius) et de l’Institut des sciences photoniques (ICFO) de Barcelone (Morgan W. Mitchell et Michael CD Tayler), a démontré comment les techniques de détection atomique surmontent les limites de l’échantillonnage conventionnel en mesurant la magnétisation de matériaux hyperpolarisés.

L’équipe a notamment utilisé des magnétomètres atomiques à pompage optique (OPM), dont les principes de fonctionnement diffèrent fondamentalement des capteurs traditionnels, permettant la détection en temps réel des champs produits par des molécules hyperpolarisées. La nature des OPM a permis à ces chercheurs d’effectuer des observations continues, à haute résolution et non destructives tout au long de l’expérience, y compris le processus d’hyperpolarisation lui-même.

Petite cellule contenant le rubidium métallique, qui est le principal composant de détection des champs dans le magnétomètre atomique. (Photo : ICFO. CC BY-NC)

Selon les auteurs, si le domaine de détection de l’hyperpolarisation était le cinéma, les méthodes précédentes s’apparenteraient à une séquence de photos fixes, laissant au spectateur le soin de deviner le fil conducteur entre les images figées. “Au lieu de cela, notre technique ressemble plus à une vidéo, où vous voyez toute l’histoire image par image. Essentiellement, vous pouvez regarder en continu et sans limites de résolution, et de cette façon vous ne manquez aucun détail !”, explique Tayler, chercheur et chercheur à l’ICFO ! co-auteur de l’étude.

L’équipe a testé leurs OPM en surveillant l’hyperpolarisation de molécules cliniquement pertinentes. La résolution sans précédent et le suivi en temps réel des capteurs atomiques leur ont permis d’observer comment la polarisation dans un composé métabolite ([1-13C]-fumarate) évolué en présence d’un champ magnétique.

Les capteurs atomiques ont révélé une « dynamique de spin cachée » qui était passée inaperçue jusqu’à présent, offrant ainsi une nouvelle façon d’optimiser l’hyperpolarisation dès le début du processus. “Les méthodes précédentes masquaient les oscillations subtiles du profil de magnétisation, qui étaient auparavant indétectables”, note Tayler. “Sans le magnétomètre atomique à pompage optique, nous aurions atteint une polarisation finale sous-optimale sans même nous en rendre compte.” Au-delà de la simple observation, cette méthode pourrait être utilisée pour surveiller le processus de polarisation en temps réel et l’arrêter au moment le plus opportun, par exemple lorsque la polarisation maximale est atteinte.

L’étude a révélé un autre comportement inattendu lorsque l’équipe a appliqué un champ magnétique pour magnétiser et démagnétiser à plusieurs reprises la molécule de fumarate hyperpolarisée. On s’attendait à ce que l’aimantation augmente jusqu’à un maximum puis revienne successivement à zéro, passant à chaque fois d’un état à l’autre en douceur. Mais, contrairement à ces simples attentes, la molécule a montré une dynamique complexe en raison de résonances cachées qui sont apparues sous certaines durées de magnétisation-démagnétisation et certains champs magnétiques. “Ces connaissances nous aideront à détecter les comportements indésirables et à ajuster les paramètres (tels que la durée du cycle ou l’intensité du champ magnétique) pour les éviter”, explique Tayler.

Le travail représente une avancée dans la technologie de résonance magnétique hyperpolarisée, en grande partie grâce aux efforts de collaboration du groupe d’imagerie moléculaire pour la médecine de précision de l’IBEC et du groupe d’optique quantique atomique de l’ICFO. L’expertise d’IBEC dans les méthodes d’hyperpolarisation et l’expertise d’ICFO dans les technologies de détection OPM ont joué un rôle déterminant dans l’obtention de ces résultats.

L’application immédiate de cette étude serait d’intégrer des capteurs atomiques portables dans le contrôle de la qualité des échantillons cliniques pour l’IRM, un sujet déjà abordé par l’équipe ICFO. De cette manière, les molécules pourraient être guidées jusqu’au niveau de polarisation le plus élevé possible pendant l’hyperpolarisation et le niveau de polarisation pourrait être certifié de manière fiable avant que les substances ne soient injectées aux patients.

Ce développement pourrait réduire considérablement les coûts et les défis logistiques de l’IRM métabolique. Si tel est le cas, cela augmenterait sa portée du petit nombre de centres de recherche spécialisés où il est actuellement utilisé à un grand nombre d’hôpitaux à travers le monde.

Cependant, le potentiel des capteurs atomiques va bien au-delà de l’imagerie médicale. Le même système de surveillance non destructive en temps réel, utilisant des magnétomètres à pompage optique (OPM), pourrait être appliqué pour surveiller des macromolécules dans des processus chimiques, étudier des éléments de la physique des hautes énergies ou même optimiser des algorithmes basés sur le spin dans l’informatique quantique.

L’étude s’intitule « Observation magnétique en direct de la dynamique de l’hyperpolarisation du parahydrogène ». Et il a été publié dans la revue académique Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). (Source : ICFO)