La Barrière Hémato-Encéphalique (BHE) représente aujourd’hui un obstacle majeur pour le développement de nouveaux traitements des pathologies cérébrales puisqu’elle empêche le passage de la majorité des agents thérapeutiques vers le cerveau. Afin de contourner cet obstacle, une technique proposée dans les années 2000 a montré son potentiel pour perméabiliser la BHE de façon non-invasive, locale et transitoire grâce à l’utilisation conjointe de microbulles circulantes et d’ultrasons focalisés, permettant une augmentation significative de la quantité de molécules délivrée aux tissus cérébraux. Ce protocole peut néanmoins présenter des risques (œdèmes, micro-hémorragies) qu’il est possible de maîtriser grâce à un bon contrôle du faisceau acoustique. A ce titre, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) représente un outil de choix permettant à la fois de planifier la procédure, puis de la suivre et enfin d’étudier ses effets grâce à l’utilisation d’agents de contraste et de séquences d’imagerie quantitative (relaxométrie T1 / T2). Durant cette thèse, nous avons développé de nouveaux outils permettant l’étude de la perméabilisation de la BHE chez le rongeur. Dans un premier temps, nous avons développé et validé un système motorisé compatible IRM, permettant de déplacer le transducteur ultrasonore à l’intérieur d’un scanner préclinique à 7T, avec un rétro-contrôle en temps réel du faisceau ultrasonore sur la base des images IRM de la force de radiation acoustique (MR-ARFI). Nous avons montré que ce dispositif permettait de réaliser l’ensemble du protocole de perméabilisation de BHE guidé par IRM en choisissant la structure anatomique à traiter de façon reproductible. Nous avons également montré qu’il pouvait être utilisé pour délivrer des molécules sur des régions étendues du cerveau selon des trajectoires arbitrairement programmées. Dans une seconde partie de cette thèse, nous avons réalisé plusieurs études en vue d’étudier l’innocuité de la technique. Nous avons mis en évidence l’influence de certains paramètres acoustiques sur l’efficacité du protocole (pression acoustique, temps de cycle), puis nous avons réalisé une étude histologique des dommages engendrés par une perméabilisation chez des animaux sains pour plusieurs pressions acoustiques, entre 0 et 14 jours post-ultrasons. Enfin, dans une troisième partie, nous avons étudié la diffusion de différents agents de contraste paramagnétiques dans les tissus cérébraux suivant une perméabilisation focale de la BHE. Nous avons montré que cette technique permettait d’obtenir des mesures précises de la tortuosité des tissus cérébraux de façon non-invasive et que cette tortuosité n’était pas modifiée par les ultrasons, contrairement à ce qui est observé suite à une injection intracérébrale. / By preventing most of the molecules from penetrating the brain in sufficient quantitiy, the Blood Brain Barrier represents a major obstacle for the development of new therapeutic drugs for brain diseases. A new technique introduced in the early 2000’s combining focused ultrasound and circulating microbubbles has however shown promising results, allowing to induce a local and transient permeabilization of the BBB in a non-invasive manner, thus significantly improving the amount of drugs delivered to the Central Nervous System (CNS). However, this protocol may present some risks (oedema, small hemorrages) which can be avoided by a good control of the acoustic beam properties. To do so, Magnetic Resonance Imaging (MRI) represents a very useful tool since it allows planning, monitoring and following the permeabilization effects by using MRI contrast agents and quantitative imaging sequences (T1/T2 relaxometry). During this PhD, we worked on developing new tools for the study of ultrasound induced BBB permeabilization in rodents. The first part of this work consisted in developing a MR compatible motorized device, allowing the displacment of the ultrasound transducer within a 7T preclinic MRI scanner, with a realtime feedback on the acoustic beam position thanks to MR Acoustic Radiation Force Imaging (MR-ARFI). We have shown that this system allowed performing a full BBB permeabilization protocol under MR-guidance, with an accurate and reproducible choice of the targeted anatomical structure. This system was also used to deliver drugs along arbitrary trajectories over extended regions of the brain. Another part of the work was dedicated to study and improve the safety of the procedure. The influence of different acoustic parameters (acoustic pressure, duty cycle) on the permeabilization efficacy was studied, as well as histologic investigations of short and mid-term effects of BBB permeabilization for different acoustic pressures on healthy rats. Finally, we investigated the diffusion process of contrast agents within the brain tissues following BBB permeabilization. We have shown that this technique allowed accurate measurements of brain tissues tortuosity in a non-invasive way, and found that the tortuosity was not modified by the ultrasound application.

L'accident vasculaire cérébral (AVC) déclenche une perturbation de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et entrave la récupération des tissus en altérant le microenvironnement cérébral local. L'administration de l'activateur tissulaire du plasminogène (rtPA) dans une fenêtre thérapeutique étroite de 4,5 heures après l'AVC demeure le seul traitement existant. Au-delà de cette fenêtre, le tPA aggrave la perturbation de la BHE et provoque des transformations hémorragiques. La voie canonique Wnt est connue comme induisant la formation et la maturation de la BHE pendant l'ontogenèse. Nous émettons l'hypothèse que la voie est nécessaire pour maintenir l'intégrité de la BHE après un AVC et que son activation pourrait constituer une approche prometteuse pour améliorer le traitement par rtPA. Ainsi, nous avons d'abord évalué l'activité de la voie dans le cerveau de souris soumises à un modèle d’AVC. Ensuite, nous avons évalué l’effet de la désactivation de la voie sur l’intégrité de la BHE ainsi que son activation dans un contexte d'administration retardée de rtPA. Nos résultats montrent que l'activité de la voie est induite spécifiquement dans les cellules endothéliales cérébrales après un AVC ischémique. La désactivation de la voie par un inhibiteur aggrave la dégradation de la BHE et augmente l'incidence des transformations hémorragiques spontanées sans affecter l’infarct. En revanche, l'activation de la voie par un activateur spécifique, la 6-bromoindirubine-3'-oxime (6-BIO), atténue la dégradation de la BHE et réduit l'incidence des transformations hémorragiques associées à l'administration retardée du rtPA en induisant l’expression d’une protéine des jonctions serrées (claudine 3) et atténue la perméabilité basale endothéliale en réprimant l'expression de PLVAP, sans affecter l'infarctus, la vascularisation ou l'inflammation du cerveau. Notre étude démontre que l'activation de la voie canonique Wnt constitue une stratégie cliniquement pertinente pour étendre la fenêtre thérapeutique du rtPA en atténuant la dégradation de la BHE via la régulation des mécanismes spécifiques à la BHE. / Stroke triggers blood-brain barrier (BBB) disruption and hampers tissue recovery by impairing the local brain microenvironment. Administration of recombinant tissue plasminogen activator (rtPA) within a therapeutic window of 4.5 hours after onset constitutes the only existing treatment. Beyond this window, tPA worsens BBB disruption and causes haemorrhagic transformation. Canonical Wnt pathway induces BBB formation during ontogeny. We hypothesize here that pathway activity is required to maintain BBB integrity after stroke and that its activation might constitute a promising approach to improve rtPA therapy via protection of the BBB. Therefore, we have first assessed pathway activity in the brain of mice subjected to transient middle cerebral artery occlusion (MCAo). Next, we have evaluated the effect of pathway deactivation early after stroke on BBB integrity Finally, we have assessed the potential of pathway activation on BBB breakdown associated to the delayed administration of rtPA. Our results show that pathway activity is induced specifically in brain endothelial cells early after ischemic stroke. Early deactivation of the pathway using a potent inhibitor, XAV939, aggravates BBB breakdown, and increases the incidence of spontaneous haemorrhagic transformation, without affecting brain infarct. On the other hand, pathway activation using a potent specific activator, 6-Bromoindirubin-3’-oxime (6-BIO), attenuates BBB breakdown, and reduces the incidence of haemorrhagic transformation associated to delayed rtPA administration by inducing expression of the tight junction claudin-3, and attenuates endothelial basal permeability by repressing the expression of PLVAP, without affecting brain infarct, vascularization and inflammation. Our study demonstrates that activation of the canonical Wnt pathway constitutes a clinically relevant strategy to extend the therapeutic window of rtPA by attenuating BBB breakdown via regulation of BBB-specific mechanisms

Dans mes travaux de thèse, je me suis intéressé à la fonction de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et son impact dans le développement de médicaments à visée du système nerveux central (SNC). Cependant, plusieurs obstacles limitant le processus de développement de nouveaux médicaments ont été identifiés. Parmi eux, une faible biodisponibilité cérébrale est reconnue pour être un facteur limitant majeur. Malgré ce constat, la biodisponibilité et la pharmacodynamie cérébrales sont souvent inconnues ou globalement négligées durant le processus de développement des médicaments. Actuellement, 3 méthodes permettent d'explorer la pharmacocinétique cérébrale in vivo, à savoir l'analyse du liquide céphalorachidien, la tomographie par émission de positron et la microdialyse cérébrale. Chaque approche présente certaines contraintes, la première fournit des informations restreintes, la seconde est coûteuse et limitée à une utilisation principalement académique, la troisième est souvent réalisée sur des modèles rongeurs rendant la transposabilité des données à l’homme complexe. Le projet de recherche réalisé s’est articulé autour de cette problématique et a suivi deux axes de développement. Le premier s’est orienté sur l’étude du passage dans le contexte particulier de la maladie de Parkinson. Le second aborde le manque de modèles pertinents utilisables lors du développement d’un nouveau médicament et présente une solution possible, la microdialyse intracérébrale sur macaque vigile. Les études en lien avec la maladie de Parkinson ont mis en évidence que premièrement, les statines sont inefficace dans le traitement des dyskinésies lévodopa induites chez les patients parkinsoniens. Cet échec peut être en partie explicable par une biodisponibilité cérébrale insuffisante du principe actif. Deuxièmement, la fonction de BHE est modifiée sur le modèle de référence de la maladie de Parkinson, le macaque traité au 1-méthyle 4-phényl 1,2,3,6-tétrahydro pyridine (MPTP). Le travail réalisé selon le second axe démontre la faisabilité de l’échantillonnage du liquide extracellulaire cérébral sur macaque vigile par microdialyse. / While working on my thesis, I focused on the function of the blood-brain barrier (BBB) and its impact in drug development to target the central nervous system (CNS). However, several obstacles that slow down the process of developing new successful drugs have been identified. Among several factors, the poor brain bioavailability is acknowledged as a primary limiting factor. Despite this statement, both brain bioavailability and brain pharmacodynamic are either unknown or globally overlooked during the drug development process. Currently, 3 methods allow exploring in vivo brain pharmacokinetic: cerebral spinal fluid sampling analysis, Positron Emission Tomography imaging and brain microdialysis. Each approach has its own constraints, the first provides restricted information, the second is expensive and limited to a mainly academic use, and the third is often carried out on rodent models making the transferability of data in complex man. The research project is focused on this issue and followed two paths of development. The first is focused on the study of the crossing in the particular context of Parkinson's disease. The second addresses the lack of appropriate model used in the development of a new drug and presents a possible solution, intracerebral microdialysis in awake macaque. Studies linked with Parkinson's disease show that statins has proved ineffective in the treatment of levodopa-induced dyskinesia in parkinsonian patients. This failure can be explained in part by insufficient brain bioavailability of the active compound. Secondly, in macaques treated with 1-methyl 4-phenyl 1,2,3,6-tetrahydro pyridine (MPTP), the gold standard model of Parkinson's disease, the BBB is modified. The work done along the second axis shows the feasibility of sampling brain extracellular fluid by microdialysis in awake macaque.

L’injection intraveineuse de l’activateur tissulaire du plasminogène (tPA) est le seul traitement aigu de l’ischémie cérébrale autorisé chez l’Homme. Cependant, la thrombolyse présente des limites d’utilisation, comme son étroite fenêtre thérapeutique, un risque hémorragique et une efficacité de recanalisation malgré tout relativement peu élevée. De plus, la littérature suggère fortement que non seulement le tPA endogène, mais aussi exogène (capable de traverser la barrière hémato-encéphalique), a des effets pro-excitotoxiques. Nous avons proposé que cet effet résulte du clivage de la sous unité NR1 du récepteur NMDA. Malgré un effort important de la communauté scientifique pour chercher de nouveaux traitements, tous les espoirs se sont avérés être des échecs. Sur ces bases, ces travaux de thèse ont consisté à : 1) Améliorer les approches précliniques en développant un nouveau modèle d’ischémie cérébrale chez la souris et en incluant dans les études un des principaux facteur de risque des AVC, le vieillissement ; 2) Développer une stratégie d’immunothérapie visant l’interaction tPA/ récepteur NMDA. J’ai ainsi montré qu’il existe une diminution du volume de lésion ischémique corrélée à l’âge et que cette diminution de tPA est due à une diminution d’expression du facteur de transcription D-Site Albumin Binding Protein (DBP). J’ai également développé un modèle innovant d’ischémie thrombo-embolique chez la souris, dans lequel la reperfusion par le tPA est bénéfique, si tant est qu’elle soit réalisée de manière précoce. Sur ce modèle, j’ai apporté par une stratégie d’immunisation active la preuve in vivo du clivage du domaine amino-terminal de la sous-unité NR1 des récepteurs NMDA. Enfin, j’ai produit un anticorps médicament, capable d’empêcher l’interaction du tPA avec la sous-unité NR1 des récepteurs NMDA, dont une injection unique permet de réduire les lésions ischémiques, mais aussi d’augmenter la fenêtre thérapeutique de la thrombolyse, conférant alors une récupération fonctionnelle à long terme. Cette stratégie pourrait donc accroître la proportion de patients traitables après un AVC ischémique aiguë / Reperfusion with tissue plasminogen activator (tPA) is the only approved treatment for ischemic stroke. However, thrombolysis has some limitations, including a narrow therapeutic window, an elevated risk of hemorrhage transformation and a low level of effective recanalization. Moreover, there is a growing body of evidence that both endogenous and exogenous tPA (able to cross the blood-brain barrier) could mediated pro-excitotoxic effects. We have proposed that this noxious effect results from the cleavage of the NR1 subunit of the NMDA receptor. My thesis work consisted in: 1) Improving pre-clinic approaches by developing a new model of thrombo-embolic ischemia in mice and by taking into account a major risk factor for stroke, aging; 2) Developing a strategy of immunotherapy targeting the interaction between tPA and NMDA receptor. I have thus shown that ischemic lesions decrease as a function of age, due to reduced levels of tPA. Moreover, I have identified DBP (D-site albumin Binding Protein), as being the transcription factor responsible for the control of tPA levels as a function of age. I have also developed a new model of thrombo-embolic ischemia in mice, in which tPA-induced thrombolysis is beneficial, provided it is performed soon enough. In this model, I have demonstrated by using a strategy of active immunization the in vivo occurrence of the cleavage of the NMDA receptor NR1 subunit by tPA. Finally, I have produced an antibody able to prevent the interaction between tPA and the NMDA receptor subunit, of which a single injection confers long lasting brain protection and neurological recovery and can also increase the therapeutic window of thrombolysis. This strategy could thus significantly increase the proportion of treatable ischemic stroke patients

La preuve de concept d‟une approche theranostique pour la Maladie de Alzheimer basée sur les nanotechnologies a été explorée. Des nouvelles nanoparticules polymeriques fluorescentes on été conçus, et leur internalisation et aptitude à traverser un nouveau modèle in vitro de barrière hémato-encéphalique humaine on été étudiées en détails. Une petite librairie de nanoparticules polymerique a été préparés, et leur capacité de capturer le peptide β-Amyloïde1-42, considéré comme une des principales causes de la dégénérescence neuronale, a été évaluées et quantifiées en utilisant une méthode expressément conçus. / The proof of concept of an original nanotechnology-based theranostic approach for Alzheimer‟s disease has been explored. Novel fluorescently tagged nanoparticles have been designed and employed for internalization and transcytosis studies across a recently developed human in vitro blood-brain barrier model. A small library of polymeric nanoparticles have been designed and their ability to capture the Amyloid β1-42 peptide, considered one of the causes of the Alzheimer‟s disease, has been investigated and quantified using an on purpose designed method.

L’objectif de ces travaux de thèse, inscrits dans le projet ERC Advanced Grant «TERNANOMED», était de développer un nanomédicament squalèné à base d’adénosine (NPs d’AdSQ) pour le traitement des accidents vasculaires cérébraux et des traumatismes de la moelle épinière. La première partie de ce travail décrit la préparation et la caractérisation des NPs d’AdSQ, et la mise en évidence d’une activité thérapeutique spectaculaire dans des modèles pré-cliniques d’ischémie cérébrale et de neurotrauma. Afin de mieux comprendre le mécanisme d’action des NPs, la deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l’étude détaillée de la transcytose des NPs à travers la barrière hémato-encéphalique, et a permis de démontrer le désassemblage des NPs au sein des cellules endothéliales. Cette étude confirme que l’action des NPs d’AdSQ résulte en premier lieu d’une activité vasculaire via l’amélioration de la microcirculation, et dans un second temps, permet la protection des neurones, vraisemblablement grâce au couplage neurovasculaire et à l’action pléiotropique et multi-cibles de l’adénosine. La troisième partie de ce travail de thèse avait pour but de décrire en détail le profil pharmacocinétique et la biodistribution des NPs d’AdSQ à l’aide de techniques innovantes de radiomarquage. Enfin, une dernière partie présente des résultats préliminaires sur le développement d’un outils théranostic via l’encapsulation d’USPIO comme agent de contraste IRM au sein des NPs d’AdSQ. Dans son ensemble, ce travail de thèse a permis d’établir les fondements de l’extension de la plateforme de «squalènisation» au traitement des pathologies du système nerveux central. / This PhD work, as a part of the ERC Advanced Grant project «TERNANOMED», aimed at developing a squalenoyl nanomedicine of adenosine (SQAd NAs), for the treatment of stroke and spinal cord injury (SCI). The first part of this research was dedicated to the preparation and characterization of SQAd NAs, and highlighted their dramatic therapeutic activity in pre-clinical models of cerebral ischemia and SCI. To further understand the mechanism of action of these NAs, the second part of this thesis was devoted to the detailed study of their transcytosis across the Blood-Brain Barrier. It was shown that the NAs were disassembled inside the endothelial cells, confirming that the pharmacological mechanism of the SQAd NAs action appeared to be a primary vascular protection via the improvement of microcirculation, leading to a secondary neuronal preservation, likely thanks to neurovascular coupling and to the pleiotropic multitargeted abilities of adenosine. The third part of this work aimed to describe the pharmacokinetic profile and tissue distribution of SQAd NAs, thanks to innovative techniques of radiolabeling. Finally, the fourth part presented preliminary results on the development of a theranostic tool, by incorporating USPIO as a MRI contrast agent inside the SQAd NAs. Overall, this PhD work established the foundation to the extension of the squalenoylation platform to the treatment of neurological diseases.

La résistance aux médicaments antiépileptiques (MAEs) est un des problèmes majeurs des épilepsies infantiles, comme par exemple le syndrome de Dravet. La pharmacoresistance de l’épilepsie pourrait s’expliquer par une diminution du passage des MAEs dans le cerveau, à travers la Barrière Hémato-Encéphalique (BHE). La BHE comporte des transporteurs des familles « ATP-binding cassette » (ABC) et « SoLute Carrier » (SLC) localisés au niveau de la membrane des cellules endothéliales qui contrôlent leur passage entre le sang et le cerveau. La pharmacoresistance des épilepsies a été associée à ces transporteurs car des MAEs ont été identifiés comme substrats de transporteurs comme la glycoprotéine-P (P-gP) et la « Breast Cancer Resistance Protein » (BCRP). L’hypothèse de cette relation est confortée par l’observation de l’augmentation de l’expression de ces transporteurs d’efflux dans le foyer épileptogène et par l’identification des polymorphismes dans les gènes des transporteurs chez des patients pharmacorésistants. L’interaction au cours du développement cérébral entre les cellules endothéliales et les neurones et astrocytes pourrait modifier le profil des transporteurs de la BHE. Les MAEs sont aussi connus pour être soit des inducteurs, soit des inhibiteurs des enzymes du métabolisme des médicaments et des transporteurs membranaires. Ces données nous permettent de faire les hypothèses suivantes: 1) La BHE en développement présente un profil de transporteurs différent de la BHE mature qui pourrait modifier le passage des MAEs vers le cerveau ; et 2) le traitement chronique administré au cours du syndrome de Dravet pourrait changer le phénotype des transporteurs de la BHE en développement. Nous résultats ont montré que la P-gP et la BCRP augment leur expression au cours du développement. La maturation de la BHE a aussi un impact sur le passage des MAEs étudiés. Nous avons constaté une augmentation de l’expression des différents transporteurs ABC et SLC étudiés pendant le développement de la BHE, suite au traitement chronique avec la thérapie du Syndrome de Dravet. L’acide valproïque, un des MAEs utilisé dans ce traitement, diminue l’activité d’efflux de la P-gP chez les rats en développement et adultes, ce qui a été confirmé dans un modèle in-vitro de BHE immature. Ces résultats mettent en évidence l’interaction entre la BHE en développement et le traitement chronique par les MAEs peut modifier leur distribution au niveau du cerveau et la réponse aux MAEs. / Resistance to Antiepileptic Drugs (AEDs) has been a major concern in infantile epilepsies such as for example the Dravet Syndrome. One hypothesis concerning the pharmacoresistance in epilepsy is that a decreased delivery of these drugs to the brain may occur in relation to changes in the Blood-Brain Barrier (BBB) function. BBB exhibits ATP-binding cassette (ABC) and SoLute Carrier (SLC) transporters at the surface of endothelial cells that control the blood-brain transport. Pharmacoresistance in epilepsy may be linked to changes in the functions of these transporters since some AEDs are substrates of the P-glycoprotein (P-gP) and Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) transporters. The increased expression of efflux transporters in epileptogenic tissue and the identification of polymorphisms in the efflux transporters genes of resistant patients further support this potential relationship. The interaction of endothelial cells with astrocytes and neurons during brain development could change the pattern of transporters in the BBB. AEDs are also known as either inducers or inhibitors of drug metabolic enzymes and membrane transporters. Taken together, these facts led us to test the following hypothesis: 1) the developing BBB in immature animals presents a different pattern of transporters that could change AEDs disposition in the brain of immature subjects; and 2) the chronic pharmacotherapy used in infantile epilepsies such as the Dravet Syndrome may change the transporters phenotype of the BBB. Our work showed that the expression of P-gP and BCRP increases during development as a function of age. We also showed the maturation of the BBB has an impact on brain disposition of the studied AEDs. We finally observed an increase in the expression of various ABC and SLC transporters induced by the pharmacotherapy of the Dravet Syndrome in immature animals. One of the drugs used, valproic acid, appeared nonetheless to reduce the efflux activity of P-gP in developing and adult animals, which was confirmed in an in-vitro model of the immature BBB. Taken together, these results demonstrated that the interaction between the developing BBB and the AEDs chronic treatment may lead to differences in brain disposition of the AEDs that may impact on the response to AEDs.

Au cours de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet Iseult/INUMAC, nous avons réalisé un travail de développements méthodologiques et technologiques, dans l'optique de permettre à l'IRM de devenir un outil quantitatif pour l'imagerie moléculaire de pathologies cérébrales sur des modèles rongeurs. Pour cela, nous avons développé une stratégie de quantification, utilisant des séquences de cartographie T1 et T2, pour acquérir des cartes de concentration en agents de contraste paramagnétiques et superparamagnétiques avec une excellente sensibilité, une résolution spatiale élevée, ainsi qu'une résolution temporelle compatible avec l'imagerie in vivo. La méthodologie générale que nous avons mise en place lors de ces travaux de thèse nous a permis d'aborder un certain nombre de problématiques propres à l'imagerie moléculaire de pathologies cérébrales par IRM. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'imagerie d'un biomarqueur endovasculaire de l'angiogenèse tumorale sur un modèle de glioblastome cérébral induit chez des souris immuno-déprimées. Nous avons étudié la fixation d'une émulsion paramagnétique, fonctionnalisée par l'ajout de peptides RGD, sur l'intégrine alpha-nu-beta-3 surexprimée à la surface des cellules endothéliales de capillaires tumoraux. Nous nous sommes ensuite intéressés à la délivrance des agents de contraste aux tissus cérébraux. À l'aide d'un protocole optimisé d'ouverture de la barrière hématoencéphalique (BHE) par ultrasons focalisés sous IRM, nous avons étudié les caractéristiques de cette ouverture, ainsi que la dynamique de refermeture sur des modèles de rats et souris sains. Dans une autre étude, la mesure du coefficient de diffusion apparent d'agents de contraste dans les tissus cérébraux de rats sains nous a permis d'évaluer le temps nécessaire à ces agents de tailles différentes pour atteindre leurs cibles, une fois la BHE franchie. Ces caractéristiques représentent des informations capitales dans le cadre de la délivrance d'agents de contraste aux tissus cérébraux. Ils sont en effet susceptibles d'intéresser les industriels pharmaceutiques pour optimiser la conception d'agents diagnostiques et thérapeutiques dédiés aux pathologies cérébrales. / In this thesis, which was part of the Iseult/INUMAC project, we propose several methodological and technological developments aiming to allow MRI to become a quantitative tool for molecular imaging of brain pathologies. To do so, we developed a quantification strategy based on T1 and T2 mapping sequences in order to acquire quantitative concentration maps of paramagnetic and superparamagnetic contrast agents with excellent sensitivity, high spatial resolution and temporal resolution compatible with in vivo imaging. This general methodology allowed us to address several issues specific to molecular imaging of cerebral pathologies using MRI. First, we focused on the imaging of a vascular biomarker of tumor angiogenesis on a glioblastoma mouse model. We studied the binding of a paramagnetic emulsion, functionalized using RGD peptides, on alpha-nu-beta-3 integrin over-expressed at the surface of freshly formed endothelial cells. Then, we focused on the delivery of contrast agents to brain parenchyma. A system was developed and optimized to open transiently and non-invasively rodents blood brain barrier (BBB) using focalized ultrasound monitored by MRI. The BBB opening features and closure dynamics induced by this protocol were extensively characterized. In another study, we measured the apparent diffusion coefficient of contrast agents with different sizes in cerebral tissues of healthy rats. From these measures we could estimate the time necessary for these particles to reach their targets once the BBB is crossed. These parameters are highly valuable in the context of drug delivery to the brain. They might indeed be used by pharmaceutical industries to optimize the design of diagnostic and therapeutic agents dedicated to cerebral diseases.

Ce travail présente les résultats obtenus dans le cadre de développements méthodologiques en imagerie par résonance magnétique. Tout d'abord, la mise en place de la technique d'imagerie rapide utilisant un échantillonnage de l'espace k le long d'une trajectoire spirale à densité variable est exposée. L'optimisation des paramètres d'acquisition et la comparaison de différentes techniques de reconstruction ont été menées via des simulations numériques. Une approche originale de la calibration de la trajectoire dans l'espace k est proposée. L'imagerie spirale a été utilisée pour mettre en œuvre une méthode de mesure de la perméabilité de la BHE au Gd-DOTA. Ce protocole a été intégré aux mesures de volume sanguin et d'index de taille des vaisseaux utilisant le Sinerem®. Les résultats obtenus montrent des différences au niveau des paramètres de la microvascularisation sur les modèles de tumeurs C6 et RG2. La présence du Sinerem® conduit à une diminution des valeurs de constante d'échange à travers la paroi vasculaire (Ktrans) dans la tumeur de 24% en moyenne. Cette étude a également mis en évidence l'extravasation du Sinerem®, pendant les deux premières heures après injection du produit, uniquement dans les tumeurs RG2.

Le système nerveux central est un organe complexe et privilégié, protégé, entre autres, par la barrière hémato-encéphalique (BHE), sur laquelle se trouvent des transporteurs d'efflux telle que la P-glycoprotéine (Pgp).<br />La BHE est impliquée dans la neuro-inflammation et les maladies cérébrales associées, et la littérature laisse penser que l'endothéline 1 (ET-1) y joue un rôle important. En utilisant un modèle in vitro autologue de BHE humaine adulte et un modèle in vitro de BHE humaine fœtale (co-culture de cellules gliales et de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales), nous avons étudié l'effet de l'ET-1 sur la Pgp.<br />Une différence, en termes de modulation de l'activité de la Pgp, a été observée entre la BHE fœtale et la BHE adulte suite à l'exposition à l'ET-1. Nous avons également évalué la modulation induite par l'ET-1 sur la sécrétion de la MCP-1 (Monocyte chemoattractant protein 1) et de l'IL-8. Les résultats montrent que l'ET-1 diminue l'activité de la Pgp et induit la sécrétion de MCP-1 et d'IL-8.