L’imagerie in vivo du petit animal est de plus en plus utilisée en pharmacologie pour identifier et caractériser l’activité de nouveaux agents anticancéreux.La première partie de ma thèse a consisté à développer des outils pour améliorer la quantification enbioluminescence. Une méthode, basée sur les caractéristiques spectrales des photons émis, a été établie pour corriger l’absorption tissulaire. La seconde, faisant appel aux méthodes de restauration d’images, avait pour but de corriger la diffusion pour augmenter la résolution. Dans un second temps, j’ai mis en place des modèles in vivo de tumeurs expérimentales bioluminescentes (un glioblastome intracérébral, un lymphome anaplasique à grandes cellules et un neuroblastome métastatique) en utilisant les méthodes d’imagerie décrites précédemment. Ces études ont permis d’étendre la caractérisation de l’activité préclinique d’un nouvel agent anticancéreux. L’objectif de la dernière partie de mon travail était de développer des sondes d’imagerie. La première sonde, un anticorps monoclonal anti-CD45 marqué avec un fluorochrome a permis la détection de cellules leucémiques humaines implantées chez la souris en utilisant l’imagerie de fluorescence. La seconde a été développée pour prédire l’entrée d’un agent anticancéreux, un conjugué spermine-podophyllotoxin, dans les cellules tumorales via les transporteurs des polyamines. La sonde synthétisée est une spermine à laquelle un groupement HYNIC a été ajouté afin de pouvoir lier un radioisotope : le Technétium 99m et ainsi réaliser un examen scintigraphique. Les résultats ont démontré la faisabilité d’une application préclinique de cette sonde. Ainsi à l’issu de cette thèse, les méthodes de traitement des signaux de bioluminescence développées sont disponibles pour améliorer l’application de l’imagerie optique en pharmacologie. Bien sûr des études supplémentaires sont encore nécessaires pour définir précisément dans quel contexte ces corrections seront les plus appropriées. / Small animal imaging is more and more used in pharmacology to identify and to characterize the activities of new antitumor agents. The first part of my thesis consisted in the development of new tools to improve the quantitation in bioluminescence. A method, based on spectral characteristics of emitted photons, has been established to correct tissue absorption. The second, using methods of image restoration had for objective to correct tissue scattering to increase the resolution. In a second part, I developed in vivo models of bioluminescent tumors (intracranial glioblastoma, a large cell anaplastic lymphoma and a metastatic neuroblastoma) using the imaging methods described previously. These studies allowed the characterization of the activity of a new antitumor agent. The aim of the last part was to develop imaging probes. The first, a monoclonal antibody antiCD45 labeled with a fluorochrome allowed the detection of human leukemic cells implanted in the mice using fluorescence imaging. The second was developed to predict the uptake of a antitumor agent, a spermine-podophyllotoxin conjugate, in tumor cells via the polyamine transport system. The synthesized probe is a spermine conjugated to a HYNIC group to bind a radioisotope: the Technetium 99m and to realize a scintigraphic examination. The results showed the feasibility of a preclinical use of this probe. So, at this end of this thesis, the developed methods of bioluminescent signal processing are available to improve the use of optical imaging in pharmacology. Of course, supplementary studies are necessary to define precisely in which context these corrections will be the most appropriate.

L'imagerie in vivo du petit animal est de plus en plus utilisée en pharmacologie pour identifier et caractériser l'activité de nouveaux agents anticancéreux.La première partie de ma thèse a consisté à développer des outils pour améliorer la quantification enbioluminescence. Une méthode, basée sur les caractéristiques spectrales des photons émis, a été établie pour corriger l'absorption tissulaire. La seconde, faisant appel aux méthodes de restauration d'images, avait pour but de corriger la diffusion pour augmenter la résolution. Dans un second temps, j'ai mis en place des modèles in vivo de tumeurs expérimentales bioluminescentes (un glioblastome intracérébral, un lymphome anaplasique à grandes cellules et un neuroblastome métastatique) en utilisant les méthodes d'imagerie décrites précédemment. Ces études ont permis d'étendre la caractérisation de l'activité préclinique d'un nouvel agent anticancéreux. L'objectif de la dernière partie de mon travail était de développer des sondes d'imagerie. La première sonde, un anticorps monoclonal anti-CD45 marqué avec un fluorochrome a permis la détection de cellules leucémiques humaines implantées chez la souris en utilisant l'imagerie de fluorescence. La seconde a été développée pour prédire l'entrée d'un agent anticancéreux, un conjugué spermine-podophyllotoxin, dans les cellules tumorales via les transporteurs des polyamines. La sonde synthétisée est une spermine à laquelle un groupement HYNIC a été ajouté afin de pouvoir lier un radioisotope : le Technétium 99m et ainsi réaliser un examen scintigraphique. Les résultats ont démontré la faisabilité d'une application préclinique de cette sonde. Ainsi à l'issu de cette thèse, les méthodes de traitement des signaux de bioluminescence développées sont disponibles pour améliorer l'application de l'imagerie optique en pharmacologie. Bien sûr des études supplémentaires sont encore nécessaires pour définir précisément dans quel contexte ces corrections seront les plus appropriées.

L’imagerie préclinique dans le domaine de la cancérologie est en plein essor. Elle permet grâce à des modèles animaux représentatifs de cancers humains de comprendre les mécanismes de développement des pathologies et d’évaluer l’efficacité thérapeutique d’un nouveau traitement. Le principal objectif de ce travail a été de développer deux modèles orthotopiques de cancer (pancréas et colon) et d’évaluer des traitements de références ainsi qu’une nouvelle stratégie thérapeutique par plasma froid fibré appelée Plasma Gun. Les 2 modèles de cancers développés ont montré une bonne représentativité vis-à-vis des cancers humains, avec l’apparition de métastases à distance et la présence de zones hypoxiques. Le 5-fluorouracile pour le modèle orthotopique de carcinome colorectal HCT116-luc et la gemcitabine pour le modèle d’adénocarcinome pancréatique MIA PaCa2-luc ont induit à faible dose des effets discrets pouvant être mis en évidence grâce aux modalités d’imageries mises en oeuvre. Après validation de nos démarches expérimentales une nouvelle stratégie thérapeutique, le Plasma Gun, a été évaluée et a montré des effets significatifs sur l’inhibition de la croissance tumorale. Le second objectif de ma thèse a été de mettre en oeuvre des outils pour l’induction et la caractérisation des métastases osseuses ainsi que pour l’imagerie haute résolution de la vascularisation. D’une part, les métastases osseuses obtenues par injection de cellules PC3M-luc en intracardiaque ont été évaluées et quantifiées grâce à différentes modalités d’imagerie (bioluminescence, scintigraphie et scanner X). D’autre part, la réalisation d’une imagerie haute résolution de la vascularisation a été possible grâce à la technique de casting qui permet de recréer la structure 3D de l’architecture vasculaire suite à l’injection d’une résine dans la circulation. Les développements réalisés lors de cette thèse ont ainsi permis d’apporter des outils pour l’évaluation préclinique de nouvelles thérapies anticancéreuses. / Preclinical imaging in oncology is booming. It allows, using representative animal models of human cancers, to understand the mechanisms of development of pathologies and to assess the therapeutic efficiency of a new treatment. The main objective of this work was to develop two orthotopic models of cancer (pancreas and colon) and to assess on them the reference treatments as well as a new therapeutic strategy by non thermal plasma so called Plasma Gun. The two cancer models developed showed good representation in relation to human cancers, with the appearance of distant metastases and hypoxia. 5-fluorouracil for the HCT116-luc orthotopic model of colorectal carcinoma and gemcitabine for the MIA PaCa2-luc pancreatic adenocarcinoma model, have induced discrete effects at low dose wich can be detected thanks imaging modalities. After validation of our experimental steps, a new therapeutic strategy, Plasma Gun was evaluated and showed significant effects on tumor growth inhibition. The second objective was to carry out tools for the induction and the characterization of bone metastases and for high resolution imaging of the vasculature. On the one hand, bone metastases obtained by injection of PC3M-luc cells intracardially, was evaluated and quantified with different imaging modalities (bioluminescence, scintigraphy and Computed Tomography). And the other hand, the achievement of a high resolution imaging of vascularization, was possible by the casting method that restores the 3D structure of the vascular architecture following injection of a resin in the circulation.

La qualité des images en TEP est directement liée à l'algorithme de reconstruction utilisé. Les méthodes de reconstruction statistiques peuvent modéliser, via la matrice système, les différents phénomènes physiques qui détériorent la qualité des images. Notre approche consiste d'une part, à modéliser les différents phénomènes géométriques et physiques, au moyen de l'outil de simulation Monte-Carlo, et d'autre part, à exploiter les données dans un format "mode-liste" présentant de nombreux avantages, afin de les reconstruire à l'aide d'un algorithme de reconstruction 3D. Cette méthode, appelée SIMALIR, a été appliquée et étudiée sur la caméra MOSAIC(TM) de Philips, système TEP dédié au petit animal qui a fait l'objet d'une modélisation à l'aide de la plateforme GATE. Les principales performances du modèle simulé et particulièrement la distribution spatiale ont été testées et validées, afin de pouvoir les exploiter dans la modélisation de la matrice système. Les résultats précliniques et sur des objets tests ont montré que la méthode SIMALIR permet d'améliorer considérablement la qualité des images reconstruites par rapport aux programmes de reconstruction classiques.

L'approche développée par l'équipe imXgam du CPPM a consisté à adapter la technologie des pixels hybrides XPAD à l'imagerie biomédicale. C'est dans cette optique qu'un micro-tomodensitomètre PIXSCAN II basé sur la nouvelle génération de détecteurs à pixels hybrides appelés XPAD3 a été développé. Ce travail de thèse décrit la démarche engagée pour évaluer l'apport de la technologie à pixels hybrides en tomodensitométrie par rayons X en termes de contraste et de dose et pour explorer de nouvelles possibilités d'imagerie biomédicale à faible dose. L'évaluation des performances ainsi que la validation des résultats obtenus avec les données acquises avec le détecteur XPAD3 ont été comparées aux résultats obtenus avec la caméra CCD DALSA XR-4 similaire aux détecteurs utilisés dans la plupart des micro-TDM usuels. Le détecteur XPAD3 permet d'obtenir des images reconstruites d'une qualité satisfaisante et proche de celle des images de la caméra DALSA XR-4, mais avec une meilleure résolution spatiale. A faible dose, les images du détecteur XPAD3 sont de meilleure qualité que celles de la caméra CCD. Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a prouvé le bon fonctionnement du dispositif PIXSCAN II pour la souris. Nous avons pu reproduire une qualité d'image semblable à celle obtenue avec un détecteur à intégration de charges de type caméra CCD. Pour améliorer les performances du détecteur XPAD3, il va falloir optimiser la stabilité des seuils et avoir des courbes de réponses des pixels en fonction de l'énergie assez homogènes en utilisant un capteur plus dense comme le CdTe par exemple. / The pathway that has been followed by the imXgam team at CPPM was to adapt the hybrid pixel technology XPAD to biomedical imaging. It is in this context that the micro-CT PIXSCAN II based on the new generation of hybrid pixel detectors called XPAD3 has been developed. This thesis describes the process undertaken to assess the contribution of the hybrid pixel technology in X-ray computed tomography in terms of contrast and dose and to explore new opportunities for biomedical imaging at low doses. Performance evaluation as well as the validation of the results obtained with data acquired with the detector XPAD3 were compared to results obtained with the CCD camera DALSA XR-4 similar to detectors used in most conventional micro-CT systems. The detector XPAD3 allows to obtain reconstruced images of satisfactory quality close to that of images from the DALSA XR-4 camera, but with a better spatial resolution. At low doses, the images from the detector XPAD3 have a better quality that is those from CCD camera. From an instrumentation point of view, this project demonstrated the proper erations of the device PIXSCAN II for mouse imaging. We were able to reproduce an image quality similar to that obtained with a charge integration detector such as a CCD camera. To improve the performance of the detector XPAD3, we will have to optimize the stability of the thresholds and in order to obtain more homogeneous response curves of the pixels as a function as energy by using a denser sensor such as CdTe.

L’imagerie préclinique se pratique majoritairement sur des modèles animaux murins principalement des souris (61%), elle représente une étape indispensable en recherche préclinique car elle suit les deux premières recommandations de la règle des 3R (réduction, raffinement et remplacement). Pour donner une signification biologique aux mesures extraites des images acquises in vivo chez la souris, il est nécessaire d’évaluer les performances des instruments utilisés mais également des procédures expérimentales en jeu. La qualification des appareils nécessite l’usage de fantômes spécifiques, et l’évaluation des méthodes impose de tester les procédures sur des individus non pathologiques, avant le passage aux expérimentations proprement dites. L’objectif de ce travail a été de développer des outils et des méthodes permettant de qualifier les instruments d’imagerie et certaines procédures in vivo. La nécessité de quantification, à partir d’images réalisées chez le petit animal, nous amène à considérer les instruments d’imagerie préclinique comme des outils métrologiques ; ce qui amène à intégrer le principe d’incertitude de mesure dans l’expression des résultats. / Preclinical imaging is mostly performed on mouse animal models (61%). It is a necessary step in preclinical research, in compliance the first two recommendations of the 3Rs rules (reduction, refinement and replacement). In order to give a biological significance to measurements extracted from in vivo-acquired mouse images, it is necessary to evaluate instruments performances but also experimental procedures involved. The qualification of apparatuses requires the use of specific phantoms while the evaluation of methods requires procedures tests on non-pathological animals before experimentations. The scope of this work was to develop tools and methods to qualify imaging instruments and in vivo procedures. The need for quantification in small animal imaging, leads us to consider preclinical imaging instruments as metrological tools; which means integrating measurement uncertainty into.

Les travaux effectués au cours de cette thèse s'inscrivent dans le cadre des projets de plateformes d'imagerie métabolique et fonctionnelle consacrées au petit animal. Ils ont mené à la réalisation d'un simulateur Monte Carlo (GePEToS), développé sous GEANT 4 et dédié aux systèmes TEP. GePEToS a été validé sur données réelles et publiées d'une ECAT EXACT HR+ suivant le protocole NEMA. Les fonctions d'un tel simulateur sont de pouvoir produire des données TEP pour le test d'algorithmes de reconstruction d'image et permettre également l'exploration de nouvelles configurations de détecteurs.<br> D'autre part, cette thèse a porté sur la conception d'un TEP au xénon liquide pour l'imagerie du petit animal (µTEP). La partie instrumentale a démarré par une approche conceptuelle d'un détecteur au xénon liquide. Une simulation Monte Carlo complète a permis de définir et caractériser les performances d'un futur µTEP composé de 16 modules de détection disposés en couronne autour de l'animal. L'originalité de ce détecteur réside dans sa capacité à pouvoir fournir la profondeur d'interaction pour chaque particule détectée, ce qui reste encore inaccessible pour l'ensemble des détecteurs TEP actuels. Une partie importante de R&D a consisté à développer et mettre en œuvre la cryogénie du xénon liquide ainsi qu'à définir le système de détection de lumière UV de scintillation du xénon (Lambda = 178 nm). Un module prototype a été réalisé et mis en situation de détection de photons gamma d'annihilation.

L'approche développée par l'équipe imXgam du CPPM a consisté à adapter la technologie des pixels hybrides XPAD à l'imagerie biomédicale. C'est dans cette optique qu'un micro tomodensitomètre PIXSCAN II basé sur la nouvelle génération de détecteurs à pixels hybrides appelés XPAD3 a été développé. Ce travail de thèse décrit la démarche engagée pour évaluer l'apport de la technologie à pixels hybrides en tomodensitométrie par rayons X en termes de contraste et de dose et pour explorer de nouvelles possibilités d'imagerie biomédicale à faible dose. L'évaluation des performances ainsi que la validation des résultats obtenus avec les données acquises avec le détecteur XPAD3 ont été comparées aux résultats obtenus avec la caméra CCD DALSA XR-4 similaire aux détecteurs utilisés dans la plupart des micro-TDM usuels. Le détecteur XPAD3 permet d'obtenir des images reconstruites d'une qualité satisfaisante et proche de celle des images de la caméra DALSA XR-4, mais avec une meilleure résolution spatiale. A faible dose, les images du détecteur XPAD3 sont de meilleure qualité que celles de la caméra CCD. Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a prouvé le bon fonctionnement du dispositif PIXSCAN II pour la souris. Nous avons pu reproduire une qualité d'image semblable à celle obtenue avec un détecteur à intégration de charges de type caméra CCD. Pour améliorer les performances du détecteur XPAD3, il va falloir optimiser la stabilité des seuils et avoir des courbes de réponses des pixels en fonction de l'énergie assez homogènes en utilisant un capteur plus dense comme le CdTe par exemple.

L'imagerie préclinique dans le domaine de la cancérologie est en plein essor. Elle permet grâce à des modèles animaux représentatifs de cancers humains de comprendre les mécanismes de développement des pathologies et d'évaluer l'efficacité thérapeutique d'un nouveau traitement. Le principal objectif de ce travail a été de développer deux modèles orthotopiques de cancer (pancréas et colon) et d'évaluer des traitements de références ainsi qu'une nouvelle stratégie thérapeutique par plasma froid fibré appelée Plasma Gun. Les 2 modèles de cancers développés ont montré une bonne représentativité vis-à-vis des cancers humains, avec l'apparition de métastases à distance et la présence de zones hypoxiques. Le 5-fluorouracile pour le modèle orthotopique de carcinome colorectal HCT116-luc et la gemcitabine pour le modèle d'adénocarcinome pancréatique MIA PaCa2-luc ont induit à faible dose des effets discrets pouvant être mis en évidence grâce aux modalités d'imageries mises en oeuvre. Après validation de nos démarches expérimentales une nouvelle stratégie thérapeutique, le Plasma Gun, a été évaluée et a montré des effets significatifs sur l'inhibition de la croissance tumorale. Le second objectif de ma thèse a été de mettre en oeuvre des outils pour l'induction et la caractérisation des métastases osseuses ainsi que pour l'imagerie haute résolution de la vascularisation. D'une part, les métastases osseuses obtenues par injection de cellules PC3M-luc en intracardiaque ont été évaluées et quantifiées grâce à différentes modalités d'imagerie (bioluminescence, scintigraphie et scanner X). D'autre part, la réalisation d'une imagerie haute résolution de la vascularisation a été possible grâce à la technique de casting qui permet de recréer la structure 3D de l'architecture vasculaire suite à l'injection d'une résine dans la circulation. Les développements réalisés lors de cette thèse ont ainsi permis d'apporter des outils pour l'évaluation préclinique de nouvelles thérapies anticancéreuses.

L'imagerie du petit animal est incontournable pour le développement des recherches dans les secteurs de labiologie, de la médecine et de l'industrie pharmaceutique. Parmi les différentes modalités d'imagerie développéeschez l'humain et adaptées à l'animal, l'imagerie tomographique à rayons X est devenue une référencepour l'analyse des caractères anatomiques et phénotypiques chez la souris. Elle permet de réaliser des étudeslongitudinales in vivo et des analyses haute résolution ex vivo de façon non invasives et en 3D. L'analyse deces images 3D nécessite des outils spécifiques à chaque problématique.Dans ce contexte, notre travail de thèse a permis d'apporter des contributions sur les thématiques suivantes :1. le développement d'outils d'analyse, à la fois quantitatifs et qualitatifs, pour l'imagerie des tissusminéralisés et adipeux2. l'application des méthodologies développées à des problématiques de recherche biomédicale3. l'étude comparative et "multi-échelle" de différentes technologies de tomographie X pour l'imagerie dupetit animal4. la mise au point d'une méthode originale par résonnance paramagnétique électronique pour la dosimétried'un acte d'imagerie X chez le petit animalEn conclusion, les outils d'imagerie 3D que nous avons développés représentent un nouvel apport pour la dissectionvirtuelle de l'animal de laboratoire, permettant l'exploration de nombreux tissus et organes et rivalisantavec les méthodes d'histologie et de microscopie électronique.L'application de ces méthodes d'imagerie pour la recherche fondamentale et pré-clinique ouvre la perspectived'une alternative nouvelle dans l'expérimentation animale.