Cette thèse de doctorat porte sur le traitement personnalisé des tumeurs neuroendocrines (TNE) en utilisant la thérapie radiométabolique par ¹⁷⁷Lu-octréotate. Comme la plupart des TNE surexpriment des récepteurs de la somatostatine (RSST)s, les analogues de la somatostatine radiomarqués sont utilisés dans le diagnostic des TNE par imagerie moléculaire, ainsi que pour la radiothérapie interne en utilisant des radionucléides émetteurs bêta (PRRT : peptide receptor radionuclide therapy). Les protocoles actuels de la PRRT impliquent l’administration de 4 cycles d’une activité fixe de ¹⁷⁷Lu-octréotate (p. ex. 7,4 GBq), ce qui donne des doses de radiation absorbée très variables pour les organes critiques et les lésions tumorales. Les faibles taux de toxicité sérieuse rénale et hématopoïétique (< 1 %) après traitement au ¹⁷⁷Lu-octréotate suggèrent que la plupart des patients reçoivent un traitement sous-optimal. La mise en place d’une personnalisation de l’activité administrée en fonction de la dosimétrie individualisée par imagerie moléculaire quantitative pourrait donc permettre de maximiser la réponse chez chaque patient, comparativement au régime empirique, et ce, en augmentant la dose tumorale absorbée sans dépasser les seuils de toxicité aux organes critiques. Les objectifs de cette thèse étaient donc, (i) de simuler un régime de PRRT personnalisée (P-PRRT) à partir d’une cohorte de patients atteints de TNE traités par PRRT empirique, (ii) de rapporter les premiers résultats dosimétriques, d’efficacité et de toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée (NCT02754297) et finalement (iii) d’évaluer l’exactitude et la reproductibilité interobservateurs des protocoles simplifiés de dosimétrie à deux temps (Jour 1 et 3) ou à un temps unique (Jour 3) basés sur la tomographie quantitative par émission de photon (QSPECT : quantitative single-photon emission computed tomography) effectuée après chaque administration de thérapie. Un autre objectif de la dernière étude était la mise à jour de notre protocole personnalisé de prescription de l’activité injectée (AI). (i) Pour répondre au premier objectif, nous nous sommes basés sur une étude rétrospective afin de concevoir un protocole personnalisé de PRRT basé sur les calculs dosimétriques. Par la suite, une simulation de ce protocole a été effectuée rétrospectivement chez des patients atteints de TNE traités par PRRT depuis 2012 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec. Selon notre régime personnalisé de PRRT, la dose rénale absorbée par AI était prédite en fonction de la surface corporelle (SC) et le taux de filtration glomérulaire (TFG) pour le premier cycle de traitement, et par la dosimétrie rénale du cycle précédent (ou la moyenne de la dosimétrie rénale des deux derniers cycles) pour les cycles suivants. En normalisant la dose rénale absorbée administrée pendant les cycles d’induction, notre approche personnalisée a démontré une augmentation moyenne significative de 1,48 fois la dose cumulative maximale absorbée par la tumeur par rapport au régime empirique, augmentant potentiellement le bénéfice thérapeutique sans dépasser le seuil de toxicité rénale. / Cette thèse de doctorat porte sur le traitement personnalisé des tumeurs neuroendocrines (TNE) en utilisant la thérapie radiométabolique par 177Lu-octréotate. Comme la plupart des TNE surexpriment des récepteurs de la somatostatine (RSST)s, les analogues de la somatostatine radiomarqués sont utilisés dans le diagnostic des TNE par imagerie moléculaire, ainsi que pour la radiothérapie interne en utilisant des radionucléides émetteurs bêta (PRRT : peptide receptor radionuclide therapy). Les protocoles actuels de la PRRT impliquent l’administration de 4 cycles d’une activité fixe de 177Lu-octréotate (p. ex. 7,4 GBq), ce qui donne des doses de radiation absorbée très variables pour les organes critiques et les lésions tumorales. Les faibles taux de toxicité sérieuse rénale et hématopoïétique (< 1 %) après traitement au 177Lu-octréotate suggèrent que la plupart des patients reçoivent un traitement sous-optimal. La mise en place d’une personnalisation de l’activité administrée en fonction de la dosimétrie individualisée par imagerie moléculaire quantitative pourrait donc permettre de maximiser la réponse chez chaque patient, comparativement au régime empirique, et ce, en augmentant la dose tumorale absorbée sans dépasser les seuils de toxicité aux organes critiques. Les objectifs de cette thèse étaient donc, (i) de simuler un régime de PRRT personnalisée (P-PRRT) à partir d’une cohorte de patients atteints de TNE traités par PRRT empirique, (ii) de rapporter les premiers résultats dosimétriques, d’efficacité et de toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée (NCT02754297) et finalement (iii) d’évaluer l’exactitude et la reproductibilité interobservateurs des protocoles simplifiés de dosimétrie à deux temps (Jour 1 et 3) ou à un temps unique (Jour 3) basés sur la tomographie quantitative par émission de photon (QSPECT : quantitative single-photon emission computed tomography) effectuée après chaque administration de thérapie. Un autre objectif de la dernière étude était la mise à jour de notre protocole personnalisé de prescription de l’activité injectée (AI). (i) Pour répondre au premier objectif, nous nous sommes basés sur une étude rétrospective afin de concevoir un protocole personnalisé de PRRT basé sur les calculs dosimétriques. Par la suite, une simulation de ce protocole a été effectuée rétrospectivement chez des patients atteints de TNE traités par PRRT depuis 2012 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec. Selon notre régime personnalisé de PRRT, la dose rénale absorbée par AI était prédite en fonction de la surface corporelle (SC) et le taux de filtration glomérulaire (TFG) pour le premier cycle de traitement, et par la dosimétrie rénale du cycle précédent (ou la moyenne de la dosimétrie rénale des deux derniers cycles) pour les cycles suivants. En normalisant la dose rénale absorbée administrée pendant les cycles d’induction, notre approche personnalisée a démontré une augmentation moyenne significative de 1,48 fois la dose cumulative maximale absorbée par la tumeur par rapport au régime empirique, augmentant potentiellement le bénéfice thérapeutique sans dépasser le seuil de toxicité rénale. (ii) Sur la base de notre étude rétrospective, et en appliquant le protocole de PRRT personnalisée développé aux patients atteints de TNE métastatique traités depuis avril 2016 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec, nous avons rapporté les premiers résultats dosimétriques sur l’efficacité et la toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée. Notre approche personnalisée a démontré une augmentation significative de la dose tumorale absorbée médiane de 1,26 fois par rapport au régime de PRRT empirique simulé sans augmenter le taux de toxicité sérieuse des organes critiques liée au traitement. Le traitement personnalisé a donné un taux de réponse partielle ou mineure de 59 % avec une stabilité dans 33,3 % des cas. En particulier, la PRRT personnalisée a induit une réponse partielle ou mineure chez 84,6 % des patients atteints de TNE d’origine pancréatique (pTNE). Finalement, le profil de sécurité est similaire à celui du régime empirique alors qu’aucun patient n’a présenté d'insuffisance rénale sévère. (iii) La dosimétrie, obtenue à l’aide de petits volumes d’intérêt pour l'échantillonnage de concentration d’activité pour le rein, la moelle osseuse et la tumeur dominante, est basée sur trois temps (Jour 0, 1 et 3) selon la pratique courante. Toutefois, en raison de la complexité de cette procédure, des méthodes de dosimétrie plus pratiques mais robustes sont nécessaires pour une adoption clinique étendue. Nous avons démontré qu’un protocole simplifié de dosimétrie basé sur des images QSPECT à deux temps fournit des estimations de dose reproductibles et plus précises que les techniques basées sur un seul temps. Nous avons aussi observé une excellente reproductibilité interobservateurs, en particulier pour la dose rénale, en utilisant les deux méthodes les plus précises basées sur trois ou deux temps avec des erreurs moyennes < 1 % et des écarts-types ≤ 5 %. Finalement, nous avons mis à jour notre protocole de P-PRRT : la dose rénale absorbée peut être normalisée en personnalisant l’AI en fonction du produit du TFG avec la SC pour le premier cycle et de la dosimétrie rénale précédente pour les cycles subséquents. En conclusion, nous avons conçu et validé un protocole de personnalisation de la PRRT au 177Lu-octréotate basé sur la dosimétrie, dans lequel la dose absorbée au rein est contrôlée et normalisée. La personnalisation de la PRRT permet d’augmenter de façon significative la dose absorbée à la tumeur, et ainsi la probabilité d’obtenir une meilleure réponse thérapeutique, tout en limitant le risque de toxicité aux organes critiques. Nous proposons également un protocole de dosimétrie simplifiée, basé sur l'imagerie QSPECT en deux temps, en utilisant des petits volumes d’intérêt. Cette méthode donne des résultats de dosimétrie précis, notamment pour les reins et la tumeur, et une reproductibilité interobservateur élevée. / (ii) Sur la base de notre étude rétrospective, et en appliquant le protocole de PRRT personnalisée développé aux patients atteints de TNE métastatique traités depuis avril 2016 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec, nous avons rapporté les premiers résultats dosimétriques sur l’efficacité et la toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée. Notre approche personnalisée a démontré une augmentation significative de la dose tumorale absorbée médiane de 1,26 fois par rapport au régime de PRRT empirique simulé sans augmenter le taux de toxicité sérieuse des organes critiques liée au traitement. Le traitement personnalisé a donné un taux de réponse partielle ou mineure de 59 % avec une stabilité dans 33,3 % des cas. En particulier, la PRRT personnalisée a induit une réponse partielle ou mineure chez 84,6 % des patients atteints de TNE d’origine pancréatique (pTNE). Finalement, le profil de sécurité est similaire à celui du régime empirique alors qu’aucun patient n’a présenté d'insuffisance rénale sévère. (iii) La dosimétrie, obtenue à l’aide de petits volumes d’intérêt pour l'échantillonnage de concentration d’activité pour le rein, la moelle osseuse et la tumeur dominante, est basée sur trois temps (Jour 0, 1 et 3) selon la pratique courante. Toutefois, en raison de la complexité de cette procédure, des méthodes de dosimétrie plus pratiques mais robustes sont nécessaires pour une adoption clinique étendue. Nous avons démontré qu’un protocole simplifié de dosimétrie basé sur des images QSPECT à deux temps fournit des estimations de dose reproductibles et plus précises que les techniques basées sur un seul temps. Nous avons aussi observé une excellente reproductibilité interobservateurs, en particulier pour la dose rénale, en utilisant les deux méthodes les plus précises basées sur trois ou deux temps avec des erreurs moyennes < 1 % et des écarts-types ≤ 5 %. Finalement, nous avons mis à jour notre protocole de P-PRRT : la dose rénale absorbée peut être normalisée en personnalisant l’AI en fonction du produit du TFG avec la SC pour le premier cycle et de la dosimétrie rénale précédente pour les cycles subséquents. En conclusion, nous avons conçu et validé un protocole de personnalisation de la PRRT au ¹⁷⁷Lu-octréotate basé sur la dosimétrie, dans lequel la dose absorbée au rein est contrôlée et normalisée. La personnalisation de la PRRT permet d’augmenter de façon significative la dose absorbée à la tumeur, et ainsi la probabilité d’obtenir une meilleure réponse thérapeutique, tout en limitant le risque de toxicité aux organes critiques. Nous proposons également un protocole de dosimétrie simplifiée, basé sur l'imagerie QSPECT en deux temps, en utilisant des petits volumes d’intérêt. Cette méthode donne des résultats de dosimétrie précis, notamment pour les reins et la tumeur, et une reproductibilité interobservateur élevée. / (ii) Based on our retrospective study and applying our developed personalized PRRT protocol to the patients with metastatic NET treated since April 2016 at l’Hotel-Dieu de Québec hospital, we reported the preliminary data on dosimetry, efficacy and safety from our prospective PRRT trial. Our personalized approach yielded a significant increase in the median absorbed tumor dose (1.26 fold) compared with the simulated empirical PRRT regimen, without increasing the rate of serious treatment-related toxicity for critical organs. The personalized treatment gave a partial or minor response rate of 59 % and stability in 33.3 % of cases. In particular, the personalized PRRT regime resulted in a partial or minor response in 84.6 % of patients with NET of pancreatic origin (pNET). Finally, the safety profile was similar to that of the empirical regimen whereas, no patient has had severe renal impairment. (iii) According to the current practice, the dosimetry, obtained using small volumes of interest activity for concentration sampling in the kidney, bone marrow and the dominant tumor, is based on three time points (day 0, 1 and 3). However, due to the complexity of this procedure, more practical yet robust dosimetry methods are required for extended clinical use. We have observed that a simplified dosimetry protocol based on two-time point QSPECT scanning on Day 1 and 3 after PRRT treatment provides reproducible and more accurate dose estimates than the techniques relying on a single time point for noninitial or all cycles. We also observed an excellent inter-observer reproducibility, in particular for the renal absorbed dose using the two most precise dosimetry methods based on three or two time points with mean relative errors < 1 % and standard deviations ≤ 5 %. In addition, we have updated our P-PRRT protocol. In particular, renal absorbed radiation dose over a four-cycle induction PRRT course can be standardized by personalizing IA based on the product of estimated GFR with BSA for the first cycle, and on prior renal dosimetry for the subsequent cycles. In conclusion, we have designed and validated a personalized PRRT protocol with ¹⁷⁷Lu-octreotate based on dosimetry, in which the absorbed dose to the kidney is controlled and standardized. The personalization of PRRT can significantly increase the dose absorbed to the tumor, and thus the probability of obtaining a better therapeutic response, while limiting the risk of toxicity to critical organs. We also proposed a simplified dosimetry protocol, based on two time-points QSPECT scans, using small volumes of interest. This method gives accurate dosimetry results, especially for the kidneys and the tumors, and high interobserver reproducibility. / This doctoral thesis is focused on the personalized treatment of neuroendocrine tumours (NET) using ¹⁷⁷Lu-octreotate radiometabolic therapy. Since NETs overexpress somatostatin receptors (SSRT)s, radiolabeled somatostatin analogues are used in the diagnosis of NETs by molecular imaging, and for internal radiotherapy using beta-emitting radionuclides (PRRT: peptide receptor radionuclide therapy). The existing protocols for PRRT involve the administration of 4 cycles of a fixed activity of ¹⁷⁷Lu-octreotate (i.e., 7.4 GBq), which gives highly variable absorbed radiation doses to critical organs and tumor lesions. The low incidence of serious renal and hematopoietic toxicities (< 1 %) of ¹⁷⁷Luoctreotate suggests that the majority of patients are undertreated. The personalization of the administered activity according to the individualized dosimetry obtained from quantitative molecular imaging could make possible to maximize the response in each patient, compared to the empirical regime, without exceeding the thresholds of toxicity to the critical organs. The objectives of this thesis were, therefore (i) to simulate a personalized PRRT (P-PRRT) regime in a cohort of patients with NET treated with empiric PRRT, (ii) to report the preliminary data on dosimetry, efficacy and safety from our prospective PRRT trial and (iii) to assess the accuracy and the inter-observer reproducibility of simplified two time points (Day 1 and 3) or one time point (Day 3) dosimetry protocols based on quantitative single-photon emission computed tomography (QSPECT) performed after each PRRT cycle. Another objective of the last study concerned the update of our P-PRRT protocol. (i) We first reviewed retrospective data on patients with NETs treated with PRRT since 2012 at l’Hôtel-Dieu de Québec hospital. According to our P-PRRT regimen, the renal absorbed dose per injected activity (IA) was predicted by the body surface (BSA) and the glomerular filtration rate (GFR) for the first induction cycle, and by the renal dosimetry of the previous cycle (or the average renal dosimetry of the last two cycles) for the following cycles. By normalizing the absorbed renal dose administered during the induction cycles, our personalized approach resulted in an average 1.48-fold increase in the maximum cumulative tumour absorbed dose compared with the empiric regimen, potentially increasing the therapeutic benefit without exceeding the threshold of renal toxicity.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'asthme est une maladie pulmonaire très présente dans la population générale. Un sous-groupe de ces asthmatiques est atteint de la forme sévère de la maladie. Ces patients réfractaires aux traitements courants de l'asthme peuvent bénéficier de thérapies biologiques, à condition de remplir certains critères. Les anticorps monoclonaux sont des thérapies ciblées ayant fait leur apparition dans le continuum du traitement de l'asthme au cours de la dernière décennie. Avec la disponibilité grandissante de ces traitements, la médecine de précision devient l'objectif ultime du traitement de l'asthme, c'est-à-dire de sélectionner le bon traitement à donner au bon patient, au bon moment. Pour ce faire, il est nécessaire de définir des endotypes d'asthme distinctifs, soit des sous-groupes homogènes de patients permettant de facilement les classifier et ainsi, de cibler la thérapie qu'il leur convient. Les biomarqueurs occupent un rôle très important dans cette classification. En effet, ces marqueurs de l'inflammation renseignent sur l'état du patient et sur son type d'inflammation. Actuellement, les marqueurs inflammatoires disponibles sont limités et le mécanisme d'action de certains est encore peu compris. Quant à elle, la cascade inflammatoire de l'asthme est très complexe et sa compréhension demeure imparfaite. Elle est principalement décrite sur des modèles murins, mais peu sur des humains. L'étude faisant l'objet de ce mémoire décrit un sous-groupe de patients asthmatiques sévères sous thérapies biologiques (anticorps anti-interleukine 5) qui présentent une hausse inexpliquée de leur fraction expirée d'oxyde nitrique (FeNO), un biomarqueur inflammatoire couramment utilisé pour le suivi de ces patients. Ce phénomène met de l'avant les lacunes dans la compréhension de la cascade inflammatoire de l'asthme et de ses possibles mécanismes compensatoires, et soulève des questionnements quant à l'usage potentiellement inadéquat de certains biomarqueurs inflammatoires pour le suivi de certains sous-types inflammatoires. Les hypothèses générées par cette étude ouvrent la porte à de futures études mécanistiques qui permettront d'étudier ces potentielles voies inflammatoires compensatoires. Éventuellement, ceci permettra de mieux comprendre l'effet des thérapies biologiques sur l'inflammation en asthme et sur les biomarqueurs. Cela permettra aussi un usage plus adéquat des biomarqueurs en clinique. En parallèle à cette étude, notre laboratoire conduit d'autres études en lien avec la médecine de précision, notamment une revue systématique sur les biomarqueurs en asthme, ainsi qu'une série de cas rétrospective sur la population atteinte de maladie pulmonaire obstructive chronique sous thérapies anti-IL5/IL5R. Ces études portant sur la médecine de précision permettront ultimement une prise en charge plus adéquate des sujets asthmatiques sévères bénéficiant de thérapies ciblées. / Asthma is a common lung disease in the general population. A subset of these asthma patients has a severe form of the disease. These patients, who are refractory to usual asthma treatments, can benefit from biological therapies. Monoclonal antibodies are targeted therapies that have emerged in the asthma treatment continuum over the past decade. With the increasing availability of these treatments, precision medicine is becoming the ultimate goal of asthma treatment - selecting the right treatment, for the right patient at the right time. To do so, it is necessary to define distinctive asthma endotypes, which are homogeneous subgroups of patients. This allows to classify them and thus, to better target the therapy that suits them. Biomarkers play a very important role in this classification. Indeed, these inflammatory markers provide information on the patient's condition and type of inflammation. Currently, the inflammatory markers available are limited and the mechanism of action of some is still poorly understood. Also, the asthma inflammatory cascade is very complex, and its understanding remains imperfect since it is mainly described based on murine models. The main study of this document aims to describe a subgroup of severe asthma patients on biological therapies (anti-interleukin 5 antibodies) who present an unexplained increase in their fractional exhaled nitric oxide (FeNO), a biomarker commonly used for the patient's follow-up. This phenomenon highlights the gaps in the understanding of the asthma inflammatory cascade and its possible compensatory mechanisms, as well as the perhaps inadequate use of certain inflammatory biomarkers in patient's follow-up. The hypotheses generated by this study open the door to future mechanistic studies, which will make it possible to study these potential compensatory inflammatory pathways. Eventually, this will lead to a better understanding of the effect of biological therapies on asthma inflammation and on biomarkers. It will also allow a more appropriate use of biomarkers in clinical practice. At the same time, our laboratory is conducting other studies related to precision medicine, such as a systematic review with meta-analysis on asthma biomarkers, as well as a retrospective case series on a population suffering from chronic obstructive pulmonary disease under anti-IL5/IL5R therapies. These studies on precision medicine will ultimately allow a better management of asthma patients treated with targeted therapies.

Introduction. Devant les nombreux facteurs pouvant influencer le risque hémorragique despatients sous anticoagulant, le concept de médecine personnalisée pourrait avoir unimpact favorable dans la prise en charge globale de ces patients.Hypothèse et objectif. L’hypothèse de ce travail de thèse est que l’utilisation et l’analysede registre de « vraie vie » pourrait permettre de définir des « profils » hémorragique depatient permettant une prise en charge personnalisée des patients.Matériel et Méthode. Ce travail de thèse a utilisé deux registres de vraie vie, le registreRIETE (registre international multicentrique prospectif) et le registre RATED (registremonocentrique).Résultats. Nous avons montré l’importance du recueil biologique dans l’analyse desaccidents hémorragiques sous anticogulants avec une perte plus élevée de facteurs decoagulation, lors d’hémorragie gastro-intestinales par rapport aux intracraniennes sousAVK. A l’inverse, ce risque est diminué de moitié en cas de mutation du facteur V Leiden.Grâce au registre RIETE, nous nous sommes ensuite intéressés aux métrorragies sousanticoagulant (peu décrites dans la littérature) où seulement 0,17% des femmesprésentaient des saignements utérins majeurs. Nous avons par la suite montré que lespatients fragiles (CrCl ≤50 mL / min, un âge ≥75 ans ou un poids corporel ≤50 kg) ont unrisque deux fois plus élevé de saignement grave. Enfin, afin de montrer lacomplémentarité des registres de vraie vie et des données d’essais randomisés, nousnous sommes intéressés aux patients exclus de ces essais randomisés et avons montréégalement un risque hémorragique 4 fois plus élevé.Conclusion. Ce travail de thèse a permis de démontrer l’intérêt de travailler non pastoutes hémorragies confondues mais hémorragies par hémorragies, avec un intérêt deréalisation de registres prospectifs de vraie vie avec la mise en oeuvre de bio-banquepermettant une analyse plus personnalisée de la prise en charge des patients. / Introduction. Given many risk factors that may influence the risk of hemorrhage underanticoagulant therapy, the concept of personalized medicine could have a favorableimpact in the overall management of these patients.Hypothesis and objective. The hypothesis of this thesis is that the use and analyze of "reallife" registries could allow to define hemorrhagic "profiles" allowing a personalizedmanagement of the patients.Material and method. This thesis work has used two real life registries, the RIETE registry(international, multicentric and prospective register) and RATED (monocentric register).Results. We showed the importance of biological database in the analysis of hemorrhagicevents under anticoagulants with a higher loss of coagulation factors in gastrointestinalbleeding compared with intracranial bleeding under AVK. Conversely, this bleeding risk istwo times lower in case of factor V Leiden mutation. Thanks to the RIETE registry, wewere interested in abnormal uterine bleeding under anticoagulant therapy (few studies inthe literature) with major uterine bleeding only for 0.17% of women. Then, we showed thatfragile patients (CrCl ≤50 mL / min, age ≥75 years or body weight ≤50 kg) have a 2-foldhigher risk for major bleeding. Finally, in order to show the complementarity between datafrom real life registries and randomized trial, we assessed patients normally excluded fromthese randomized trials and also showed a 4-fold higher bleeding risk in these excludedpatients.Conclusion. This thesis work allowed us to demonstrate the interest of working not only onoverall hemorrhages but on each type of hemorrhage separately, with a particular interestto create real life prospective registries with the implementation of bio-bank allowing amore personalized analysis of the intake of patients.

Analyse intégrative de données génomiques et pharmacologiques pour améliorer la prédiction de la réponse aux thérapies cibléesL'utilisation de thérapies ciblées dans le contexte de la médecine personnalisée du cancer a permis d’améliorer le traitement des patients dans différents types de cancer. Cependant, alors que la décision thérapeutique est basée sur une unique altération moléculaire (par exemple une mutation ou un changement du nombre de copies d’un gène), les tumeurs montrent différents degrés de réponse. Dans cette thèse, nous démontrons que la décision thérapeutique basée sur une unique altération n’est pas optimale et nous proposons un modèle mathématique intégrant des données génomiques et pharmacologiques pour identifier de nouveaux biomarqueurs prédictifs de la réponse thérapeutique. Le modèle a été construit à partir de deux bases de données de lignées cellulaires (the Genomics of Drug Sensitivity in Cancer, GDSC and the Cancer Cell Line Encyclopedia, CCLE) et validé avec des données de lignées et des données cliniques. De plus, nous avons également développé une nouvelle méthode pour améliorer la détection des mutations somatiques à partir de données de séquençage d'exomes complets et proposons un nouvel outil, cmDetect, disponible gratuitement pour la communauté scientifique. / Integrated analysis of genomic and pharmacological data to better predict the response to targeted therapiesThe use of targeted therapies in the context of cancer personalized medicine has shown great improvement of patients’ treatment in different cancer types. However, while the therapeutic decision is based on a single molecular alteration (for example a mutation or a gene copy number change), tumors will show different degrees of response. In this thesis, we demonstrate that a therapeutic decision based on a unique alteration is not optimal and we propose a mathematical model integrating genomic and pharmacological data to identify new single predictive biomarkers as well as combinations of biomarkers of therapy response. The model was trained using two public large-scale cell line data sets (the Genomics of Drug Sensitivity in Cancer, GDSC and the Cancer Cell Line Encyclopedia, CCLE) and validated with cell line and clinical data. Additionally, we also developed a new method for improving the detection of somatic mutations using whole exome sequencing data and propose a new tool, cmDetect, freely available to the scientific community.

Le cancer est une cause majeure de décès dans le monde. Il est à présent établi que les mutations de l'information génétique des cellules initient et participent à son développement, et que certaines mutations transmises au sein des familles prédisposent à son apparition. C'est le cas notamment des mutations des gènes BRCA1 et BRCA2 qui prédisposent aux cancers du sein et de l'ovaire. Les protéines produites par ces gènes sont directement impliquées dans la protection de l'information génétique puisqu'elles participent à la réparation des cassures se produisant dans le support de cette information : l'ADN. L'ADN peut être endommagé par diverses lésions mais les plus déstabilisatrices de l'information génétique sont les cassures double-brin. Afin de protéger son génome, la cellule possède de nombreux mécanismes de réparation dont la recombinaison homologue qui permet une réparation fidèle, c'est-à-dire sans perte ou modification de l'information génétique, permettant ainsi de prévenir l'apparition du cancer. La recombinaison homologue repose principalement sur l'activité de la protéine RAD51 qui nécessite l'utilisation des médiateurs BRCA2 et PALB2. Tout comme les gènes BRCA1 et BRCA2, PALB2 est un gène suppresseur de tumeur et ses mutations ont été associées avec une susceptibilité aux cancers du sein, de l'ovaire et du pancréas. En plus de la chirurgie, le traitement de ces cancers implique la radiothérapie et la chimiothérapie. Celles-ci font l'objet d'intenses recherches afin de proposer de nouveaux traitements plus efficaces avec moins d'effets secondaires. De nouvelles stratégies chimiothérapeutiques ont notamment émergé et on s'oriente à présent vers le développement de traitements personnalisés qui sont basés sur une meilleure connaissance des spécificités moléculaires des tumeurs. Les travaux présentés dans cette thèse apportent de nouvelles informations concernant le rôle de PALB2 dans la protection du génome lors du stress réplicatif et sur la régulation de ses fonctions par le contrôle de sa localisation cellulaire. Plus précisément, nous montrons que PALB2 et BRCA2 permettent de maintenir la Polymérase η au niveau des fourches de réplication bloquées et stimulent son activité de synthèse de l'ADN pour réinitier la réplication. Grâce à l'analyse de mutations germinales identifiées dans des cancers du sein et de l'ovaire, nous révélons la présence d'une séquence d'export nucléaire qui provoque l'exclusion de PALB2 du noyau vers le cytoplasme. Enfin, nous rapportons le développement d'une nouvelle molécule chimiothérapeutique, SFOM-0046, qui provoque des cassures double-brin de l'ADN en induisant un stress réplicatif et qui potentialise les effets de l'UCN-01, une molécule qui a été étudiée en clinique. Nous proposons l'utilisation de cette nouvelle molécule comme agent d'amélioration de thérapies ciblées existantes ou pour le développement de nouvelles thérapies anticancéreuses personnalisées.

Le cancer du côlon (CC) est l'un des cancers les plus fréquents et les plus mortels en France et dans le monde. Près de la moitié des patients décèdent dans les 5 ans suivant le diagnostic. La classification clinique en stade histologique et la classification moléculaire selon les formes d'instabilité du génome (l'instabilité des microsatellites (MSI), l'instabilité chromosomique (CIN) et l'hyperméthylation des promoteurs (CIMP)) ne suffisent pas à définir des entités homogènes du point de vue moléculaire et à prédire de manière efficace la récidive. Pour améliorer la prise en charge des patients, il apparaît indispensable de mieux appréhender la diversité de la maladie afin de trouver des marqueurs pronostiques et prédictifs efficaces. Mon travail de thèse a donc été d'étudier la diversité des CC à l'échelle moléculaire par l'utilisation d'approches omiques sur une large cohorte de patients. Il a abouti à l'établissement d'une classification transcriptomique robuste de ce cancer dans son ensemble, validée sur des données indépendantes, et à la caractérisation fine de chacun des sous-types. Six sous-types ont ainsi été définis présentant des caractéristiques clinico-pathologiques, des altérations moléculaires de l'ADN, des enrichissements de signatures liées aux lésions et cellules d'origines, des voies de signalisation dérégulées et des survies bien distinctes. Les résultats de ce travail ont été confortés par un travail de classification consensus mis en place avec un consortium de travail international auquel j'ai participé. Ces résultats ont permis de confirmer que le cancer colorectal n'est pas une maladie homogène. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour l'établissement de signatures pronostiques et la recherche de cibles pour de nouveaux traitements ainsi que pour l'évaluation de la réponse au traitement au sein d'essais cliniques. / Colon cancer (CC) is one of the most frequent and most deadly cancer in France and worldwide. Nearly half of patients die within 5 years after diagnosis. Clinical stage based on histological features and molecular classification based genomic instabilities (microsatellite instability (MSI), chromosomal instability (CIN) and hypermethylation of the promoters (ICPM)) are not sufficient to define homogeneous molecular entities and to predict recurrence effectively. To improve patient care, it is essential to better understand the diversity of the disease so that effective prognostic and predictive markers could be found. My PhD work has been focused on studying the diversity of CC at the molecular level through the use of omics approaches on a large cohort of tumor samples. It led to the establishment of a robust transcriptomic classification of these cancers, validated on independent data sets, and to a detailed characterization of each of the subtypes. Six subtypes have been defined and were associated with distinct clinicopathological characteristics and molecular alterations, specific enrichments of supervised gene expression signatures related to cell and lesions of origin, specific deregulated signaling pathways and distinct survival. The results of this work have been strengthened by a consensus classification defined by an international consortium working group in which I've been involved. These results confirm that colorectal cancer is an heterogeneous disease. They provide a renewed framework to develop prognostic signatures, discover new treatment targets, identify new therapeutic strategies and assess response to treatment in clinical trials.

Les médicaments sont des substances chimiques exerçant un ou plusieurs effets pharmacodynamiques par l'intermédiaire de leurs interactions sur des systèmes biologiques plus ou moins complexe. Pour chaque individu, cette réponse, qu’elle soit souhaitée ou indésirable, est variable car modulée par de nombreux facteurs dépendant notamment des propriétés pharmacocinétiques du médicament et de facteurs génétiques, physiopathologiques ou environnementaux. Dans cette thèse, des travaux de pharmacologie de précision ont été menés afin d’identifier les sources de variabilité de la réponse individuelle à certains médicaments cardiovasculaires.Dans la première partie, il est montré que les paramètres actuellement utilisés en échocardiographie (notamment E/e’) pour estimer les pressions de remplissage ventriculaire gauche de manière non invasive afin de guider les thérapeutiques de déplétion ou de remplissage des patients insuffisants cardiaques systoliques décompensés ne sont pas fiables en cas d’utilisation concomitante d’inotropes.Une seconde partie détaille les sources de variabilité de l’effet de l’amiodarone sur le contrôle de la fréquence cardiaque dans le traitement des arythmies cardiaques supra-ventriculaires en réanimation. La co-administration de magnésium et le remplissage permettent d’améliorer l’efficacité de l’amiodarone tandis que l’utilisation de dobutamine a un effet inverse.La dernière partie rapporte les résultats d’une étude d’association pangénomique chez 1000 personnes dont le but était d’identifier des sources génétiques de variabilité des modifications de la repolarisation ventriculaire de type inhibition du canal IKr induites par le Sotalol chez des sujets sains. / Drugs are chemical substances leading to pharmacodynamic responses through interactions with biological systems of variable complexity. For each individual, this response, whether desired or not, is variable and modulated by many parameters including the pharmacokinetic properties of the drug and pathophysiological, genetic and environmental factors. In this thesis, personalized medicine work were conducted to identify sources of variability in individual response to several cardiovascular drugs.In the first part, it is shown that parameters currently used in echocardiography (including E/e') to estimate non-invasively left ventricular filling pressures in patients with decompensated systolic heart failure, in order to guide depletion or filling therapeutics, are not reliable in case of concomitant use of inotropes.The second part details the pharmacodynamics modeling work that identified sources of variability altering the effect of amiodarone on heart rate control in the treatment of supra-ventricular arrhythmias in unstable patients admitted in Intensive Care. Co-administration of magnesium and fluid repletion improved the effectiveness of amiodarone to slow heart rate while the use of dobutamine had an opposite effect.The last part reported the results of a study where 1000 individuals were challenged by a same dose of sotalol in order to perform a genome-wide association study aiming at identifying genetic sources of variability of sotalol induced IKr block ventricular repolarization abnormalities in healthy subjects. Another study evaluating the impact of sex hormones on ventricular repolarization is also detailed.

La médecine personnalisée représente une grande attente et un grand espoir dans la lutte contre le cancer. Cette approche vise à adapter les traitements aux caractéristiques personnelles du patient, principalement des biomarqueurs génétiques. Dans notre premier travail, nous avons analysé l'ensemble des médicaments approuvés par la FDA avec un biomarqueur pharmacogénétique dans leur label et montré (1) que l'oncologie représentait un tiers des médicaments avec un biomarqueur dans leur notice et (2) qu'une part importante des médicaments en oncologie mentionnaient le biomarqueur pour requérir un test avant la prescription du médicament contrairement aux autres domaines thérapeutiques. Notre deuxième travail a analysé les essais cliniques soumis à la FDA en vue de la mise sur le marché des thérapies ciblées pour lesquelles il existait une indication restreinte aux patients présentant un certain biomarqueur. Nous concluons que dans deux tiers des cas, l'utilisation du biomarqueur pour sélectionner les patients à traiter était basée sur les résultats des essais cliniques restreints aux patients biomarqueur-positifs et, qu'ainsi, il n'existait aucune donnée clinique permettant de conclure à une différence d'effet traitement selon les valeurs du biomarqueur. Pour notre troisième travail, nous avons réalisé une cartographie de l'ensemble des essais enregistrés sur le registre américain des essais cliniques pour les médicaments anti-cancéreux avec la mention d'un biomarqueur dans leur label. Nous avons mis en évidence des variations très importantes entre les médicaments quant au recours à des essais enrichis et au fait de tester un médicament dans plusieurs indications ou avec plusieurs biomarqueurs prédictifs. Dans notre quatrième travail, nous avons étudié la question du bénéfice apporté par les médicaments anti-cancéreux dans un contexte d'augmentation très importante des prix et grâce à la publication récente de deux échelles par les sociétés européenne et américaine d'oncologie (ESMO et ASCO). Nous avons analysé le bénéfice de tous les médicaments anti-cancéreux approuvés entre 2000 et 2015 pour le traitement d'une tumeur solide. Nous avons montré (1) la faible valeur des récents médicaments anti-cancéreux, (2) l'absence de relation entre le prix et la valeur de ces médicaments et (3) l'absence de différence de bénéfice entre médicaments de médecine personnalisée et médicaments classiques. En conclusion, la présence de biomarqueurs prédictifs dans le label des médicaments---souvent citée comme critère de succès de la médecine personnalisée---est pour l'instant restreinte en grande partie à l'oncologie. Le niveau de preuve pour l'utilité clinique est souvent inconnu car les études sont restreintes à un sous-groupe de patients positifs pour le biomarqueur dès les phases initiales du développement du médicament. Enfin, seul un tiers des médicaments anti-cancéreux approuvés par la FDA entre 2000 et 2015 ont un bénéfice cliniquement pertinent, sans différence de bénéfice clinique entre les médicaments avec et sans biomarqueur et sans relation entre le prix et le bénéfice de ces médicaments. / Personalized medicine represents great expectations and hopes in oncology. This approach aims to adapt treatments to the personal characteristics of the patient, mainly genetic biomarkers. In our first work, we analyzed all the FDA-approved drugs with a pharmacogenetic biomarker in their label and showed (1) that oncology represented one-third of the drugs with a biomarker in their label and (2) a significant portion of oncology drugs mentioned the biomarker to require a biomarker test, contrary to other therapeutic areas. Our second work analyzed the clinical trials submitted to the FDA for the approval of targeted therapies for which there was a indication restricted to biomarker-positive patients. We conclude that in two-thirds of the cases, the use of the biomarker to select the patients to be treated was based on the results of the clinical trials restricted to the biomarker-positive patients. Thus, in these cases, there was no clinical evidence to conclude to a treatment-by-biomarker interaction. For our third work, we mapped all the trials recorded on the US ClinicalTrials.gov registry for anti-cancer drugs with a biomarker labeling. We found very important variations between drugs in the use of enriched trials and in testing of the drug in several indications or with several predictive biomarkers. In our last work, we examined the benefit of anti-cancer drugs in a context of very significant price increases and the recent publication of two scales by the European and American oncology societies (ESMO and ASCO). We analyzed the benefit of all anti-cancer drugs approved between 2000 and 2015 for the treatment of a solid tumor. We have shown (1) the low value of recent anti-cancer drugs, (2) the lack of relationship between the price and the value of these drugs, and (3) the lack of difference of benefice between personalized and “classical” medicines. In conclusion, the presence of predictive biomarkers in the label of drugs --- often cited as a criterion of success of personalized medicine --- is, at least for now, being restricted in large part to oncology. The level of evidence for clinical utility is often unknown because studies are restricted to the subgroup of biomarker-positive patients from the initial stages of the drug development. Finally, only one third of the anti-cancer drugs approved by the FDA between 2000 and 2015 have meaningful clinical benefit and there is no difference in clinical benefit between drugs with and without biomarkers and no relation between the price and the benefit of anti-cancer drugs.

Un nouveau paradigme tente de s’imposer en oncologie ; identifier les anomalies moléculaires dans la tumeur d’un patient, et proposer une thérapie ciblée, en relation avec ces altérations moléculaires. Nous discutons ici des altérations moléculaires considérées pour une orientation thérapeutique, ainsi que de leurs méthodes d’identification : parmi les altérations recherchées, les anomalies de nombre de copies tiennent une place importante, et nous nous concentrons plus précisément sur leur identification par hybridation génomique comparative (aCGH). Nous montrons, d’abord à partir de lignées cellulaires caractérisées, que l’analyse du nombre de copies par aCGH n’est pas triviale et qu’en particulier le choix de la centralisation peut être déterminant ; différentes stratégies de centralisation peuvent conduire à des profils génomiques différents, certains aboutissant à des interprétations erronées. Nous montrons ensuite, à partir de cohortes de patients, qu’une conséquence majeure est de retenir ou non certaines altérations actionnables dans la prise de décision thérapeutique. Ce travail nous a conduit à développer un workflow complet dédié à l’analyse aCGH, capable de prendre en charge les sources de données les plus courantes. Ce workflow intègre les solutions discutées, assure une entière traçabilité des analyses, et apporte une aide à l’interprétation des profils grâce à des solutions interactives de visualisation. Ce workflow, dénommé rCH, a été implémenté sous forme d’un package R, et déposé sur le site Bioconductor. Les solutions de visualisation interactives sont disponibles en ligne. Le code de l’application est disponible pour une installation sur un serveur institutionnel. / In oncology, a new paradigm tries to impose itself ; analyzing patient’s tumors, and identifying molecular alterations matching with targeted therapies to guide a personalized therapeutic orientation. Here, We discuss the molecular alterations possibly relevant for a therapeutic orientation, as well as the methods used for their identification : among the alterations of interest, copy number variations are widely used, and we more specifically focus on comparative genomic hybridization (aCGH). We show, using well characterized cell lines, that identification of CNV is not trivial. In particular, the choice for centralizing profiles can be critical, and different strategies for adjusting profiles on a theoretical 2n baseline can lead to erroneous interpretations. Next, we show, using tumor samples, that a major consequence is to include, or miss, targetable alterations within the decision procedure. This work lead us to develop a comprehensive workflow, dedicated to aCGH analysis. This workflow supports the major aCGH platforms, ensure a full traceability of the entire process and provides interactive visualization tools to assist the interpretation. This workflow, called rCGH, has been implemented as a R package, and is available on Bioconductor. The interactive visualization tools are available on line, and are ready to be installed on any institutional server.

La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est la myopathie la plus courante chez les adultes. Il s'agit d'une maladie multisystémique touchant donc plusieurs systèmes tels que les systèmes nerveux, cardiaque, digestif, endocrinien, et notamment le muscle squelettique, sur lequel les présents travaux se concentrent. En effet, dans le contexte de cette maladie le muscle squelettique est gravement affaibli : les personnes atteintes souffrent d'atrophie musculaire et subissent une perte progressive de la force musculaire maximale. Pour contrer ces déficiences, le renforcement musculaire est une stratégie thérapeutique prometteuse. L'exercice est sécuritaire et efficace pour augmenter la force musculaire en DM1, mais pour l'instant, les mécanismes biologiques sous-jacents demeurent inconnus. L'étude pilote des travaux présentés dans ce mémoire a montré des gains importants de la force musculaire et de la capacité fonctionnelle chez 11 hommes atteints de DM1 qui ont participé à un programme d'entraînement musculaire supervisé de 12 semaines. Dans le cadre de cette maitrise, afin d'identifier les mécanismes sous-jacents impliqués dans ces gains cliniques, des échantillons musculaires collectés chez les participants avant et après l'entraînement ont été étudiés. L'analyse protéomique a démontré que plusieurs fonctions moléculaires et processus biologiques ont été améliorés par le programme d'entraînement. Plus précisément, la modulation du protéome par l'exercice était liée au métabolisme énergétique, à la myogenèse, l'immunité, la contraction musculaire, la signalisation de l'insuline et l'apoptose. Ces résultats suggèrent que l'adaptation musculaire est possible en DM1 aux niveaux cliniques et biologiques. Finalement, l'identification de biomarqueurs musculaires par la protéomique pourrait permettre de jeter les bases de la médecine de précision afin d'améliorer les soins thérapeutiques à venir en DM1. / Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is the most common myopathy in adults. It is a multisystemic disease affecting several systems such as the nervous, cardiac, digestive, endocrine systems, and in particular the skeletal muscle, on which my work focuses. Indeed, the skeletal muscle is severely weakened: affected individuals suffer from muscle atrophy and experience a progressive loss of maximum muscle strength. To counter these deficiencies, muscle strengthening is a promising therapeutic strategy. Exercise is safe and effective to increase muscle strength in DM1 but for now, the underlying biological mechanisms remain unknown. The pilot study of the works here presented showed significant gains in muscle strength and functional capacity of 11 men with DM1 who participated in a 12-week supervised strength training program. To identify the underlying mechanisms involved in these clinical gains, muscle samples collected from participants before and after training were studied. Proteomics analysis showed that several molecular functions and biological processes were improved by the training program. Specifically, the modulation of the proteome through exercise was related to energy metabolism, myogenesis, immunity, muscle contraction, insulin signaling, and apoptosis. These results suggest that muscle adaptation is possible in DM1 at the clinical and biological levels. Finally, the identification of muscle biomarkers by proteomics could lay the foundations of precision medicine to improve future therapeutic treatments in DM1.