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Mapping of atherosclerosic plaque composition and inflammation aimed at a paradigm shift in stroke prevention

English title Mapping of atherosclerosic plaque composition and inflammation aimed at a paradigm shift in stroke prevention
Applicant van Heeswijk Ruud
Number 182615
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Département de radiologie médicale Centre Hospitalier Universitaire Vaudois University of Lausanne
Institution of higher education University of Lausanne - LA
Main discipline Cardiovascular Research
Start/End 01.01.2019 - 31.12.2022
Approved amount 710'135.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Cardiovascular Research
Biomedical Engineering

Keywords (7)

stroke; parameter mapping; inflammation; atherosclerosis; perfluorocarbon; fluorine MRI; quantitative MRI

Lay Summary (French)

Lead
Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) sont toujours la cause de décès évitable la plus commune au monde bien que plusieurs thérapies permettant d’éviter la rupture des plaques d’athérome dans le cou soient disponibles. Ceci est principalement explicable par l’absence de technique diagnostique permettant une détection précoce et précise de la plaque vulnérable : en dehors des symptômes cliniques, le traitement actuel est principalement basé sur le degré de rétrécissement de l’artère carotide. L’histologie a montré que le degré d’inflammation de la plaque et la présence de composants, telle qu’une couche fibreuse fine ou une hémorragie, sont liés à la vulnérabilité de la plaque. Cependant, aucune technique n’est actuellement capable d’identifier ces aspects de façon précise.
Lay summary

Pour répondre à ce besoin de longue date, une nouvelle technique basée sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM) sera développée dans ce projet. Cette technique utilisera une approche double permettant la quantification de la composition et de l’inflammation. D’un côté, la cartographie paramétrique sera utilisée : la quantification pixel par pixel des temps de relaxation d’IRM dépendant de la physiologie. D’un autre côté, nous aurons l’IRM de fluor-19 (19F) de nanoparticules de perfluorocarbures (PFC) injectées, ce qui permettra la cartographie directe de l’inflammation du fait que les nanoparticules seront phagocytées par les globules blancs. Ces deux techniques sont hautement complémentaires et dépendent l’une de l’autre afin d’obtenir une quantification précise de la vulnérabilité de la plaque : une technique établit des cartes anatomiques de la plaque pour classifier ses composants avec une haute résolution spatiale, tandis que l’autre est appliquée simultanément à la première afin de compenser pour son manque d’information anatomique et produit une carte de l’inflammation.

La combinaison de ces deux techniques sera appliquée pour la première fois chez l’homme dans un essai clinique comprenant des patients ayant un risque élevé d’AVC. La plaque carotidienne sera prélevée par chirurgie chez ces patients (par endarterectomie), ce qui fournira un standard de référence grâce à l’histologie de ces plaques excisées. Si cette étude de faisabilité réussit, elle ouvrira le chemin à un changement de paradigme sur la détection de la plaque vulnérable et sur la prévention des AVCs tout en offrant simultanément une nouvelle modalité d’imagerie médicale sous la forme d’IRM 19F ainsi que qu’un substrat pour la recherche et les découvertes dans le domaine de l’athérosclérose.

Direct link to Lay Summary Last update: 15.06.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
154719 Molecular Imaging of Perfluorocarbons for the Quantitative Characterization of Atherosclerosis Progression 01.11.2014 Ambizione

Abstract

Stroke is still the leading preventable cause of disability worldwide, despite the availability of several therapies to prevent the rupture of vulnerable atherosclerotic plaque in the neck. This mismatch is mainly caused by the lack of a diagnostic technique that allows for the early and accurate detection of vulnerable plaque: besides clinical symptoms, current treatment decisions are mostly based on the degree of stenosis of the carotid artery. Through histology, the degree of plaque inflammation and the presence of components such as a thin fibrous cap and hemorrhage have been linked to plaque vulnerability, but no technique is currently capable of identifying these phenotypes accurately, non-invasively and without radiation exposure.To address this long-standing need, we here propose a new noninvasive imaging technique based on magnetic resonance imaging (MRI) that uses a two-pronged approach for the quantification of both the plaque composition and inflammation. The first prong consists of parametric mapping: the pixel-by-pixel quantification of the physiology-dependent MR relaxation times, which will result in high-resolution maps of the plaques, and that will allow for the classification of the composition of the plaque. The second prong is fluorine-19 (19F) MRI of injected perfluorocarbon nanoparticles (PFC), which enables the direct mapping of inflammation, since 19F MRI does not have any anatomical background signal and only the leukocytes that have taken up the PFC will generate a signal. These two techniques are highly complementary and need one another for the precise quantification of plaque vulnerability: one technique maps the plaque anatomy and characterizes its components at a high spatial resolution, while the other is coregistered to it to compensate for its lack of anatomic information, and maps the inflammation.The deliberate research plan builds on extensive preliminary data and employs a unique combination of state-of-the-art equipment, a clinically approved PFC, and a multidisciplinary team with ample engineering and clinical experience. In a first Specific Aim, 3D parametric mapping for the precise characterization of the carotid arteries and atherosclerotic plaque will be designed, simulated, and optimized in vitro and in healthy volunteers. This will be followed by a Specific Aim in which we will implement, optimize and characterize 19F MRI for the quantitative mapping of inflammation in atherosclerotic plaques. The combination of these new techniques will be applied in the subsequent third Specific Aim, which consists of the first-in-man trial of combined parametric mapping and 19F MRI in patients at risk for stroke, with histology of the endarterectomy as the gold standard. If successful, this proof-of-concept trial will pave the way for a paradigm shift in the detection of vulnerable plaque and the prevention of stroke, while it will simultaneously open up a new clinical diagnostic imaging modality in the form of 19F MRI and provide the substrate for research and discovery in atherosclerosis.
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