L’imagerie préclinique est devenue une ressource incontournable pour l’évaluation de paramètres physiopathologiques, pour le suivi du développement tumoral ainsi que pour le développement de thérapies anticancéreuses. Les évolutions technologiques apparues ces dernières années ont conduit au développement de nouvelles modalités d’imagerie ayant un fort potentiel de translation vers la clinique. Ce manuscrit présente diverses approches par imagerie échographique, photoacoustique et de fluorescence dans le proche infrarouge pour le suivi de la pathologie cancéreuse. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de l’hypoxie et son suivi au cours du temps dans différents modèles de cancers humains. Différentes stratégies d’imagerie multimodale ont ensuite été mises en oeuvre pour évaluer l’efficacité d’une nouvelle prodrogue thérapeutique permettant la libération d’une molécule active dans le proche environnement tumoral sur des modèles humains de tumeurs pancréatiques, mammaires, pulmonaires. Enfin, dans un contexte de recherche translationnelle, nous avons exploré le potentiel de l’imagerie photoacoustique et de la fluorescence infrarouge pour la mise en évidence de l’invasion ganglionnaire tumorale en mettant en oeuvre des modèles de ganglions sentinelles minimalement envahis. Au cours de ce travail, nous avons montré l’intérêt du suivi de l’hypoxie tumorale en onco-pharmacologie et mis en évidence le fort potentiel de l’imagerie PA pour les approches translationnelles en oncologie. La principale limitation correspond à la profondeur relativement faible des régions explorables, mais ce point suscite actuellement de nombreux développements technologiques. Les études de faisabilité réalisées ainsi que la validation de protocoles de preuves de concept permettront l’exploitation en routine de ces nouvelles modalités d’imagerie. / Preclinical imaging has become an unavoidable step for pathophysiological parameters assessments, for the follow up of tumor growth and for the anticancer therapies development. Technological improvements have emerged in recent years, allowing the emergence of new imaging modalities with a high potential for translation into clinical practice. This manuscript presents several approaches by ultrasound imaging, photoacoustics and near infrared fluorescence in order to monitor the cancer pathology. Initially, we focused on the characterization of hypoxia and its longitudinal assessment in various preclinical models of human cancers. Various multimodal imaging strategies were implemented to assess the efficacy of a new therapeutic prodrug allowing the release of an active molecule in the tumor microenvironment on human models of pancreatic, breast and lung tumors. Finally, in a context of translational research, we explored the potential of photoacoustic and near infrared fluorescence imaging to highlight the lymph node invasion by cancer cells implementing minimally invaded sentinel lymph node models. In this work, we have shown the interest in monitoring the tumor hypoxia in onco-pharmacology and highlighted the high potential of photoacoustic imaging for oncology translational approaches. The main limitation is the relatively shallow depth of regions that we can explore, but this point is currently subject to many technological developments. Feasibility studies performed and validation of proof of concept protocols will enable routine exploitation of these new imaging modalities.

La tomographie d'émission monophotonique (TEMP) dédiée au petit animal est une technique d'imagerie nucléaire qui joue un rôle important en imagerie moléculaire. Les systèmes TEMP, à l'aide de collimateurs pinholes ou multi-pinholes, peuvent atteindre des résolutions spatiales submillimétriques et une haute sensibilité pour un petit champ de vue, ce qui est particulièrement attractif pour imager des souris. Une géométrie de collimation originale a été proposée, dans le cadre d'un projet, appelé SIGAHRS, piloté par la société Biospace. Ce collimateur présente des longueurs focales qui varient spatialement dans le plan transaxial et qui sont fixes dans le plan axial. Une haute résolution spatiale est recherchée au centre du champ de vue, avec un grand champ de vue et une haute sensibilité. Grâce aux simulations Monte Carlo, dont nous pouvons maîtriser tous les paramètres, nous avons étudié cette collimation originale que nous avons positionnée par rapport à un collimateur parallèle et un collimateur monofocal convergent. Afin de générer des données efficacement, nous avons développé un module multi-CPU/GPU qui utilise une technique de lancer de rayons dans le collimateur et qui nous a permis de gagner un facteur ~ 60 en temps de calcul, tout en conservant ~ 90 % du signal, pour l'isotope ⁹⁹^mTc (émettant à 140,5 keV), comparé à une simulation Monte Carlo classique. Cependant, cette approche néglige la pénétration septale et la diffusion dans le collimateur. Les données simulées ont ensuite été reconstruites avec l'algorithme OSEM. Nous avons développé quatre méthodes de projection (une projection simple (S-RT), une projection avec volume d'intersection (S-RT-IV), une projection avec calcul de l'angle solide (S-RT-SA) et une projection tenant compte de la profondeur d'interaction (S-RT-SA-D)). Nous avons aussi modélisé une PSF dans l'espace image, anisotrope et non-stationnaire, en nous inspirant de la littérature existante. Nous avons étudié le conditionnement de la matrice système pour chaque projecteur et collimateur, et nous avons comparé les images reconstruites pour chacun des collimateurs et pour chacun des projecteurs. Nous avons montré que le collimateur original proposé est le système le moins bien conditionné. Nous avons aussi montré que la modélisation de la PSF dans l'image ainsi que de la profondeur d'intéraction améliorent la qualité des images reconstruites ainsi que le recouvrement de contraste. Cependant, ces méthodes introduisent des artefacts de bord. Comparé aux systèmes existants, nous montrons que ce nouveau collimateur a un grand champ de vue (~ 70 mm dans le plan transaxial), avec une résolution de 1,0 mm dans le meilleur des cas, mais qu'il a une sensibilité relativement faible (1,32x10⁻² %).

Ce travail de thèse réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne porte dans un premier temps sur la synthèse d’agents chélatants bifonctionnels adaptés à la chélation de radiométaux trivalents, notamment l’indium-111. La plus grande partie de ce travail a ensuite consisté à réaliser le greffage d’un agent chélatant bifonctionnel dérivé du DOTA sur différents anticorps ou fragments d’anticorps monoclonaux : le trastuzumab (anti HER2, traitement de cancers du sein), le cétuximab (anti EGFR, traitement de nombreux cancers, dont le cancer colorectal) et l’abciximab (antiagrégant plaquettaire). Une attention particulière a été apportée à la caractérisation des différents immunoconjugués. La dernière étape de ce travail de thèse porte sur le radiomarquage à l’indium-111 de deux immunoconjugués préparés : le trastuzumab et le cétuximab. Ces étapes de radiomarquage nous ont permis de déterminer la fraction immunoréactive et l’affinité de chaque radiotraceur. Nous avons ainsi pu étudier la biodistribution in vivo de ces radiotraceurs chez la souris par imagerie SPECT-CT. Nous avons également développé une méthode de greffage originale pour le marquage d’un fragment d’anticorps de type Fab, l’abciximab, dans le but de suivre la biodistribution de cet antiagrégant plaquettaire. Enfin, nous avons également validé le concept d’imagerie multimodale à travers le greffage et le radiomarquage d’un agent bimodal pour l’imagerie optique et la SPECT sur des lipopolysaccharides bactériens. Les travaux réalisés nous ont permis d’acquérir un savoir faire en matière de greffage d’anticorps et de radiomarquage. Les résultats obtenus permettent d’envisager le greffage d’autres anticorps ou biomolécules, ainsi que l’utilisation d’autres radionucléides pour l’imagerie PET ou la radioimmunothérapie / This work conducted at the “Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne” carries at first on the synthesis of bifunctional chelating agents suitable for the chelation of trivalent radiometals, including indium-111. The greater part of this work was then dedicated to the grafting of a DOTA derivative bifunctional chelating agent on different antibodies or fragments of monoclonal antibodies: trastuzumab (anti-HER2 treatment of breast cancer), cetuximab (anti EGFR, treatment of many cancers, including colorectal cancer) and abciximab (antiplatelet). Particular attention was paid to the characterization of various immunoconjugates. The critical step of this thesis consisted in the indium-111 radiolabeling of two previously prepared immunoconjugates: trastuzumab and cetuximab. These steps of radiolabelling allowed us to determine the immunoreactive fraction and affinity of each radiotracer. Thus, we were able to study the in vivo biodistribution of the radiotracers in tumour-bearing mice by SPECT-CT. We also developed an original method for the labeling of a Fab antibody fragment in order to monitor the biodistribution of the antiplatelet agent (abciximab). Finally, we also validated the concept of multimodal imaging through grafting and radiolabeling of a bimodal agent for optical and SPECT imaging on bacterial lipopolysaccharide. Thank’s to this work, we gained an expertise in antibodies radiolabeling. The results obtained allow to consider the labeling of antibodies or other biomolecules, and the use of other radionuclides for PET imaging and radioimmunotherapy

La tomographie d'émission monophotonique (TEMP) dédiée au petit animal est une technique d'imagerie nucléaire qui joue un rôle important en imagerie moléculaire. Les systèmes TEMP, à l'aide de collimateurs pinholes ou multi-pinholes, peuvent atteindre des résolutions spatiales submillimétriques et une haute sensibilité pour un petit champ de vue, ce qui est particulièrement attractif pour imager des souris. Une géométrie de collimation originale a été proposée, dans le cadre d'un projet, appelé SIGAHRS, piloté par la société Biospace. Ce collimateur présente des longueurs focales qui varient spatialement dans le plan transaxial et qui sont fixes dans le plan axial. Une haute résolution spatiale est recherchée au centre du champ de vue, avec un grand champ de vue et une haute sensibilité. Grâce aux simulations Monte Carlo, dont nous pouvons maîtriser tous les paramètres, nous avons étudié cette collimation originale que nous avons positionnée par rapport à un collimateur parallèle et un collimateur monofocal convergent. Afin de générer des données efficacement, nous avons développé un module multi-CPU/GPU qui utilise une technique de lancer de rayons dans le collimateur et qui nous a permis de gagner un facteur ~ 60 en temps de calcul, tout en conservant ~ 90 % du signal, pour l'isotope ⁹⁹^mTc (émettant à 140,5 keV), comparé à une simulation Monte Carlo classique. Cependant, cette approche néglige la pénétration septale et la diffusion dans le collimateur. Les données simulées ont ensuite été reconstruites avec l'algorithme OSEM. Nous avons développé quatre méthodes de projection (une projection simple (S-RT), une projection avec volume d'intersection (S-RT-IV), une projection avec calcul de l'angle solide (S-RT-SA) et une projection tenant compte de la profondeur d'interaction (S-RT-SA-D)). Nous avons aussi modélisé une PSF dans l'espace image, anisotrope et non-stationnaire, en nous inspirant de la littérature existante. Nous avons étudié le conditionnement de la matrice système pour chaque projecteur et collimateur, et nous avons comparé les images reconstruites pour chacun des collimateurs et pour chacun des projecteurs. Nous avons montré que le collimateur original proposé est le système le moins bien conditionné. Nous avons aussi montré que la modélisation de la PSF dans l'image ainsi que de la profondeur d'intéraction améliorent la qualité des images reconstruites ainsi que le recouvrement de contraste. Cependant, ces méthodes introduisent des artefacts de bord. Comparé aux systèmes existants, nous montrons que ce nouveau collimateur a un grand champ de vue (~ 70 mm dans le plan transaxial), avec une résolution de 1,0 mm dans le meilleur des cas, mais qu'il a une sensibilité relativement faible (1,32x10⁻² %). / Small animal single photon emission computed tomography (SPECT) is a nuclear medicine imaging technique that plays an important role in molecular imaging. SPECT systems using pinhole or multi-pinhole collimator can achieve submillimetric spatial resolution and high sensitivity in a small field of view, which is particularly appropriate for imaging mice. In our work, we studied a new collimator dedicated to small animal SPECT, in the context of a project called SIGAHRS, led by the Biospace company. In this collimator, focal lengths vary spatially in the transaxial plane and are fixed in the axial plane. This design aims at achieving high spatial resolution in the center of the field of view, with a large field of view and high sensitivity. Using Monte Carlo simulations, where all parameters can be controlled, we studied this new collimator geometry and compared it to a parallel collimator and a cone-beam collimator. To speed up the simulations, we developed a multi-CPU/GPU module that uses a technique of ray tracing. Using this approach, the acceleration factor was ~ 60 and we restored ~ 90 % of the signal for ⁹⁹^mTc (140.5 keV emission), compared to a classical Monte Carlo simulation. The 10 % difference is due to the fact that the multi-CPU/GPU module neglects the septal penetration and scatter in the collimator. We demonstrated that the data acquired with the new collimator could be reconstructed without artifact using an OSEM algorithm. We developed four forward projectors (simple projector (S-RT), projector accounting for the surface of the detecting pixel (S-RT-IV), projection modeling the solid angle (S-RT-SA) of the projection tube, and projector modeling the depth of interaction (S-RT-SA-D)). We also modeled the point spread function of the collimator in the image domain, using an anisotropic non-stationary function. To characterize the reconstruction, we studied the conditioning number of the system matrix for each projector and each collimator. We showed that the new collimator was more ill-conditioned than a parallel collimator or a cone-beam collimator. We showed that the image based PSF and the modeling of the depth of interaction improved the quality of the images, but edge artefacts were introduced when modeling the PSF in the image domain. Compared to existing systems, we showed that this new collimator has a large field of view (~ 70 mm in the transaxial plane) with a resolution of 1.0 mm in the best case but suffers from a relatively low sensitivity (1.32x10⁻² %).

Ce travail de thèse réalisé à l'Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne porte dans un premier temps sur la synthèse d'agents chélatants bifonctionnels adaptés à la chélation de radiométaux trivalents, notamment l'indium-111. La plus grande partie de ce travail a ensuite consisté à réaliser le greffage d'un agent chélatant bifonctionnel dérivé du DOTA sur différents anticorps ou fragments d'anticorps monoclonaux : le trastuzumab (anti HER2, traitement de cancers du sein), le cétuximab (anti EGFR, traitement de nombreux cancers, dont le cancer colorectal) et l'abciximab (antiagrégant plaquettaire). Une attention particulière a été apportée à la caractérisation des différents immunoconjugués. La dernière étape de ce travail de thèse porte sur le radiomarquage à l'indium-111 de deux immunoconjugués préparés : le trastuzumab et le cétuximab. Ces étapes de radiomarquage nous ont permis de déterminer la fraction immunoréactive et l'affinité de chaque radiotraceur. Nous avons ainsi pu étudier la biodistribution in vivo de ces radiotraceurs chez la souris par imagerie SPECT-CT. Nous avons également développé une méthode de greffage originale pour le marquage d'un fragment d'anticorps de type Fab, l'abciximab, dans le but de suivre la biodistribution de cet antiagrégant plaquettaire. Enfin, nous avons également validé le concept d'imagerie multimodale à travers le greffage et le radiomarquage d'un agent bimodal pour l'imagerie optique et la SPECT sur des lipopolysaccharides bactériens. Les travaux réalisés nous ont permis d'acquérir un savoir faire en matière de greffage d'anticorps et de radiomarquage. Les résultats obtenus permettent d'envisager le greffage d'autres anticorps ou biomolécules, ainsi que l'utilisation d'autres radionucléides pour l'imagerie PET ou la radioimmunothérapie

La micro-tomodensitométrie à rayons X (dite micro-CT, CT = Computed Tomography), est une technique d’imagerie de haute résolution qui consiste d’une part à mesurer l’absorption des rayons X par les tissus, et d’autre part de reconstruire les images et les structures anatomiques en 3 dimensions par traitement informatique. L’agent de contraste est une substance capable d’améliorer la visibilité des structures d’un organe ou d’un liquide organique in vivo. Ce travail de thèse a eu pour objectif le développement d’agents de contraste iodés sous formes de nano-émulsions pour des applications précliniques en imagerie biomédicale. Nous nous sommes proposés d’étudier d’une part des nano-émulsions iodées afin d’avoir une longue rémanence vasculaire in vivo, une meilleure biocompatibilité et d’autre part de mettre au point une synthèse et une formulation plus simples que celles des agents de contraste nanoparticulaires commercialisés. Trois différentes huiles iodées ont été synthétisées et utilisées comme partie contrastante dans les nano-émulsions. Enfin, les nano-émulsions de l’α-tocophérol iodé nous ont permis d’atteindre l’objectif de cette thèse. Ces nano-émulsions iodées ont montré une très bonne biocompatibilité et combinent à la fois les propriétés d’un agent de contraste à longue rémanence vasculaire et un agent de contraste spécifique du foie. / The X-ray microtomography (called mico-CT, CT = Computed Tomography) is a high-resolution X-ray tomography, uses X-rays to create cross-sections of a 3D-object that later can be used to recreate a virtual model without destroying the original model. The contrast agent is a substance used to enhance the contrast of structures or fluids within the body in medical imaging. The purposes of the thesis were the development of iodine-containing nano-emulsion based contrast for preclinical applications in biomedical imaging. We proposed to study blood pool contrast agents based on iodine-containing nano-emulsions and to develop simpler procedure for the preparation of these iodine-containing nano-emulsions. Three different iodinated oils were synthesized and used as the contrasting part in the nano-emulsions. Finally, nano-emulsions of iodinated α-tocopherol have been enabled us to achieve the purpose of the thesis. These iodinated nano-emulsions demonstrated very good biocompatibility and showed prolonged and significant contrast enhancement in both bloodstream and liver tissues.