Les prévalences de l'obésité et du diabète de type 2 sont en nette augmentation et ces deux pathologies sont étroitement liées. Le diabète de type 2 est caractérisé par une incapacité des cellules b du pancréas à sécréter de l'insuline et par un défaut de transport du glucose en réponse à l'insuline dans les tissus insulino-sensibles (ou insulino-résistance, IR) : le muscle squelettique, le cœur et le tissu adipeux. L'utilisation d'un traceur du transport du glucose marqué à l'iode radioactif, le 6DIG, permet d'évaluer l'IR de façon non-invasive dans le cœur et le muscle squelettique. L'objectif de ce travail était d'étudier le développement éventuel de l'IR chez des animaux rendus obèses par des régimes enrichis en lipides et/ou en glucides. Aucune IR n'a été mise en évidence au cours des trois mois d'expérience dans le modèle animal d'obésité induite par régime alimentaire. Des études visant à optimiser le traitement des données obtenues avec le 6DIG ont également été réalisées. Celles-ci nous ont permis de montrer : 1- une amélioration de la reproductibilité de la méthode de mesure de l'IR cardiaque par utilisation de l'analyse factorielle, 2- la faisabilité d'une diminution de la durée des acquisitions de la radioactivité pour la mesure de l'IR musculaire, 3- la nécessité de réaliser des prélèvements sanguins pour l'utilisation de la modélisation mathématique afin de traiter les données. / Prevalence of obesity and type 2 diabetes are in constant augmentation worldwide and these pathologies are closely associated. Type 2 diabetes represents a combination of pancreatic -cell dysfunction and insulin-regulated glucose uptake impairment in insulin-sensitive tissues: heart, skeletal muscles and adipose tissues. The novel tracer of glucose transport [123I]-6DIG allows the non invasive determination of insulin resistance (IR) in the heart and skeletal muscle. The aim of this study was to evaluate the development of IR in rats fed a high-fat and/or high-carbohydrate diets. No insulin resistance was observed during the 3 month of experimentation in our animal model. Study to optimize 6DIG obtained data reduction was also made. The results show: (1) improvement of the method data reduction reproducibility in the heart with factor analysis technique, (2) a possibility to reduce radioactivity acquisition time to muscle IR measurement, (3) the need of blood sample to use mathematical modeling in the data reduction.

Le syndrome métabolique est une association de plusieurs troubles métaboliques tels que l'obésité, la résistance à l'insuline, l'hypertension artérielle, des taux élevés de triglycérides, de cholestérol et de glucose sanguins. Ces anomalies métaboliques sont de réels facteurs de risques de diabète de type 2 et de maladies cardiovasculaires.L'apparition d'une résistance à l'insuline semble être l'un des éléments clés des pathologies métaboliques. Elle précède le développement du diabète de type 2 et est présente chez de nombreuses personnes obèses. Sa prévalence est difficile à apprécier et elle est probablement sous-estimée, d'une part car elle se situe en amont des signes cliniques qui conduisent le patient chez le médecin, et d'autre part car il n'existe pas de technique de mesure simple et robuste de l'IR utilisable en routine clinique. Le dépistage précoce de l'insulinorésistance et l’étude des mécanismes qui la sous-tendent sont donc essentiels en termes de santé publique.Le syndrome métabolique se caractérise également par des phénomènes hépatiques, les stéato-hépatopathies non alcooliques (ou NAFLD pour Non Alcoholic Fatty Liver Disease). Les NAFLD sont étroitement liées à l’obésité et à l’insulinorésistance, dont la prévalence n’a cessé d’augmenter ces dernières décennies, et représentent ainsi la première cause des maladies chroniques du foie. On admet qu’aujourd’hui, 25% de la population mondiale serait touchée par les NAFLD. Il est probable que cette prévalence soit sous-estimée compte tenu du manque d’outils diagnostiques, particulièrement pour les premiers stades asymptomatiques de la maladie.L'insulinorésistance et les stéatohépatopathies apparaissent donc comme deux composantes importantes du syndrome métabolique, présentant chacune une phase silencieuse. Ces travaux de thèse ont pour objectif le développement de techniques diagnostiques précoces, en imagerie nucléaire, à la fois pour une utilisation clinique mais aussi pour l'évaluation de nouvelles thérapeutiques en recherche préclinique. / Metabolic syndrome is an association of several metabolic dysregulations such as obesity, insulin resistance, high blood pressure, elevated blood triglycerides, cholesterol and glucose. These metabolic disorders are risk factors for type 2 diabetes and cardiovascular diseases.Insulin resistance (IR) is one of the key mechanisms in metabolic diseases development. IR forerun type 2 diabetes development and can be found in obese people. The IR prevalence is difficult to appreciate because of its lack of symptoms and the absence of simple and reliable tool to measure it. Early detection of IR is a real issue in terms of public health and could prevent many complications.Metabolic syndrome is also characterized by hepatic manifestations named Non-Alcoholic Fatty Liver Diseases (NAFLD). NAFLD are closely linked with obesity and insulin resistance. Sharing the same aetiologies, NAFLD has becoming the world first cause of chronic liver diseases. Nowadays it is estimated that almost 25% of the global population have NAFLD. This number could be underestimated because of a lack in diagnostic tools, especially for the early stages of the disease, which are totally asymptomatic.Insulin resistance and non-alcoholic liver diseases are both key components of the metabolic syndrome with a silent phase. The aim of this work is to develop early diagnostic techniques for these pathologies with nuclear imaging. These techniques could be useful both in daily clinical use and for the evaluation of new therapeutics in preclinical research.

Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions.

Les prévalences de l'obésité et du diabète de type 2 sont en nette augmentation et ces deux pathologies sont étroitement liées. Le diabète de type 2 est caractérisé par une incapacité des cellules b du pancréas à sécréter de l'insuline et par un défaut de transport du glucose en réponse à l'insuline dans les tissus insulino-sensibles (ou insulino-résistance, IR) : le muscle squelettique, le cœur et le tissu adipeux. L'utilisation d'un traceur du transport du glucose marqué à l'iode radioactif, le 6DIG, permet d'évaluer l'IR de façon non-invasive dans le cœur et le muscle squelettique. L'objectif de ce travail était d'étudier le développement éventuel de l'IR chez des animaux rendus obèses par des régimes enrichis en lipides et/ou en glucides. Aucune IR n'a été mise en évidence au cours des trois mois d'expérience dans le modèle animal d'obésité induite par régime alimentaire. Des études visant à optimiser le traitement des données obtenues avec le 6DIG ont également été réalisées. Celles-ci nous ont permis de montrer : 1- une amélioration de la reproductibilité de la méthode de mesure de l'IR cardiaque par utilisation de l'analyse factorielle, 2- la faisabilité d'une diminution de la durée des acquisitions de la radioactivité pour la mesure de l'IR musculaire, 3- la nécessité de réaliser des prélèvements sanguins pour l'utilisation de la modélisation mathématique afin de traiter les données.

Le diabète est une maladie chronique qui concerne plus de 380 millions de personnes dans le monde. Le diabète de type 1, qui représente 10 à 15% des cas, et le diabète de type 2, qui représente 85 à 90% des formes de diabète, ont pour caractéristique commune une diminution anatomique et/ou fonctionnelle de la masse de cellules bêta (MCB). L’estimation de la MCB des patients diabétiques présente un intérêt majeur pour l’amélioration du suivi de leur pathologie et une meilleure adaptation des traitements. Les tests métaboliques, qui sont actuellement les seuls outils disponibles pour évaluer la fonctionnalité des cellules β, présentent l’inconvénient d’être souvent lourds à mettre en place, et de ce fait, sont non utilisables en routine ou peu informatifs. L’imagerie, plus simple et plus sensible, représente une alternative attractive pour la mesure non invasive de la MCB d’autant plus qu’elle pourrait permettre à la fois une évaluation anatomique et fonctionnelle. Les outils actuellement en cours de développement visent principalement une imagerie anatomique de la MCB et s’orientent d’avantage vers le suivi longitudinal des patients que vers une quantification précise de la MCB dans un but purement diagnostique compte tenu des contraintes de sensibilité et de résolution nécessaires pour imager les cellules β. A l’heure actuelle, il n’existe pas encore d’outil idéal. Dans ce contexte, l’objectif de mon travail de thèse était le développement de fragments d’anticorps ciblant ZnT8 pour l’imagerie fonctionnelle des cellules β pancréatiques en imagerie nucléaire. Le transporteur du zinc ZnT8 est une cible intéressante pour l’imagerie des cellules β dans la mesure où il est exprimé presque exclusivement par ces dernières. De plus, ZnT8 étant situé à la surface des vésicules de sécrétion et à la surface de la cellule lors de l’exocytose de l’insuline, son ciblage devrait donc permettre de rendre compte de la fonctionnalité des cellules β. Deux F(ab’)2, puis un Fab, radiomarqués ont d’abord été évalués in vivo chez la souris. Leurs poids moléculaire élevés ne permettaient pas une cinétique sanguine favorable et ralentissaient probablement leur passage à travers un endothélium vasculaire sain les empêchant ainsi d’accéder rapidement à leur cible. Des sdAbs, qui constituent une alternative intéressante aux F(ab’)2 et aux Fab compte tenu de leur poids moléculaire plus faible, ont ensuite été sélectionnés par phage display. Pour l’instant, seule une partie de ces sdAbs a pu être produite et le meilleur candidat n’a pas pu être suffisamment purifié pour permettre son radiomarquage. / Diabetes is a chronic disease that affects 380 million people worldwide. Anatomical and/or functional diminution of beta-cell mass (BCM) is a common feature of type 1 diabetes which represents 10 to 15% of cases and type 2 diabetes which accounts for 80 to 90% of cases. Patients’ BCM estimation is of great interest for patients’ follow-up improvement and therapy adjustment. Metabolic tests which are actually the only tools available for beta cells function evaluation have the disadvantage to be cumbersome processes inapplicable for clinical routine or uninformative. Imaging, which is easier and more sensitive, is an attractive alternative for non-invasive BCM measurement since it could allow anatomical and functional evaluation. Tools currently under development mainly focused on anatomical imaging and are directed toward longitudinal follow-up of patients rather than exact BCM quantification for a merely diagnostic purpose because of sensitivity and resolution constraints necessary for beta cells imaging. Currently, there is no existing ideal tool. In this context, my PhD research was to develop antibody fragments targeting ZnT8 for pancreatic beta cells functional nuclear imaging. Zinc transporter ZnT8 is an attractive target for beta cells imaging since it is expressed almost exclusively by these cells. Moreover, ZnT8 is located on insulin containing vesicles surface and on cell surface when insulin secretion is stimulated. Its targeting should reflect beta cells functionality. Two radiolabeled F(ab’)2 then a Fab were first tested in vivo in mice. Their high molecular weight did not allow a suitable blood kinetic and probably slowed down their passage across healthy vascular endothelium preventing them from reaching quickly their target. SdAbs, which are an attractive alternative to F(ab’)2 and Fab because of their low molecular weight, were then selected by phage display. At the moment, only a part of these sdAbs have been produced and the best candidate could not be purified enough to allow its radiolabeling.

Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions / During the treatment of a tumor with light ions, the Bragg peak location must be accurately known. A significant fraction of the incident ions undergo nuclear collisions with the target nuclei leading to the prompt emission of particles which may carry information on the ion path. This work, which focuses on prompt gamma, shows that the depth profile of these emissions is highly correlated to the ions path and the measured counting rates allow to consider a realistic imaging system, operating in real time. For that purpose, we performed experiments at GANIL and at GSI with a collimated detector placed perpendicular to the beam axis and the time of flight technique was used in order to reduce the noise induced by neutrons and charged particles. Geant4 simulations were performed for the experimental design and data interpretation. A qualitative agreement between simulations and experiment is observed for the amount of energy deposited in the detector and the shape of the time of flight spectrum. However, discrepancies appear for the prompt gamma yield and the depth distribution of gamma detected. These discrepancies are discussed, mainly in terms of nuclear physics models that must be improved. After selecting the physical models which lead to the best agreement between simulations and measurements, studies on the location of prompt gamma emission and on the influence of diffusion in the target were performed to determine the impact on the correlation with the ion path

Les simulations Monte-Carlo représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de corrections des effets physiques. Parmi les nombreux simulateurs disponibles aujourd'hui, aucun n'est considéré comme standard en imagerie nucléaire, ce qui a motivé le développement d'une nouvelle plate-forme de simulation Monte-Carlo générique (GATE), basée sur GEANT4 et dédiée aux applications SPECT/PET. Au cours de cette thèse, nous avons participé au développement de la plate-forme GATE dans le cadre d'une collaboration internationale. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant deux gamma-caméras de conception différente, l'une dédiée à l'imagerie du petit animal et l'autre utilisée en routine clinique (Philips AXIS), et en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances des deux gamma-caméras mesurées. La plate-forme GATE a ensuite été employée pour développer une nouvelle méthode de reconstruction 3D (F3DMC), consistant à calculer par simulation Monte-Carlo la matrice de transition utilisée dans un algorithme de reconstruction itératif (ici, ML-EM), en y incluant les principaux effets physiques perturbant le processus de formation de l'image. Les résultats de F3DMC sont comparés aux résultats obtenus avec trois autres méthodes de reconstruction plus classiques (FBP, MLEM, MLEMC) pour différents fantômes simulés. Les résultats de cette étude montrent que F3DMC permet d'améliorer l'efficacité de reconstruction, la résolution spatiale et le rapport signal-sur-bruit avec une quantification satisfaisante des images. Ces résultats devront être confirmés par des études cliniques et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

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.

Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale.<br />Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilisé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, régions hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP, ML-EM, ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

La pulpe dentaire est sujette à des lésions sévères faisant suite à une carie dentaire ou à un traumatisme. La thérapeutique conventionnelle préconisée alors est le traitement endodontique, qui consiste en l'exérèse de la totalité de la pulpe dentaire et le comblement de l'espace pulpaire par un matériau inerte. Ce traitement induit une fragilisation de la dent et une plus grande susceptibilité aux infections. Au cours de ce travail, nous avons mis au point une solution alternative, en proposant le remplacement de la pulpe dentaire lésée par une " pulpe équivalente " constituée de cellules souches mésenchymateuses de la pulpe ensemencées dans une matrice de collagène. Nous avons testé ce substitut pulpaire au travers d'un modèle de pulpotomie de la molaire chez le rat, à savoir l'exérèse de la totalité du parenchyme de la chambre pulpaire et conservation du réseau vasculaire radiculaire, où nous avons implanté des " pulpes équivalentes ". Notre objectif étant notamment de déterminer le devenir des cellules souches pulpaires implantées dans la dent grâce à l'imagerie nucléaire, dans ce contexte de développement d'une thérapie cellulaire. Les cellules ont été marquées à l'111Indium-oxine préalablement à leur implantation. Nous avons montré que le marquage n'avait pas d'incidence sur la viabilité et la prolifération des cellules pulpaires. Le suivi du signal s'est fait par tomographie d'émission monophotonique, couplée à un scanner spécifique du petit animal (NanoSPECT/CT, Bioscan), hebdomadairement pendant 3 semaines. Nous avons mis en évidence que l'intensité du signal SPECT était directement liée à l'intégrité des cellules, puisque que les matrices implantées avec des cellules marquées puis lysées par choc isotonique présentaient une diminution rapide de l'intensité du marquage. Grâce à la sensibilité de la méthode d'imagerie choisie, nous avons montré l'absence de diffusion majeure des cellules dans la circulation sanguine à partir du site d'implantation, ce qui pourrait constituer un risque de minéralisation ectopique lié à l'implantation de cellules souches mésenchymateuses. Par ailleurs, l'étude par histologie des processus de réparation et régénération de la pulpe dans les dents de rat a mis en évidence une prolifération abondante de cellules de type fibroblastique au sein des matrices, ainsi que la présence de nombreux vaisseaux et de nerfs dans la matrice cellularisée et à proximité. Ces résultats, non observés dans les matrices implantées avec des cellules lysées, suggéraient donc une fonctionnalité du tissu reconstruit et suggéraient que les cellules pulpaires implantées favorisaient une néovascularisation rapide de la pulpe équivalente, vraisemblablement en induisant un recrutement de cellules endothéliales à partir du réseau vasculaire radiculaire résiduel.