Dans les tumeurs solides, l'hypoxie est un mécanisme de résistance à la radiothérapie bien connu. Il a déjà été démontré que, lorsque les microbulles (MB) sont exposées à une impulsion ultrasonore (US), celles-ci peuvent induire une vasodilatation dans les tissus musculaires. De plus, une impulsion thérapeutique peut être délivrée localement dans la tumeur en dirigeant le faisceau US. Cette approche est donc proposée comme thérapie provasculaire ciblée, guidée par l’imagerie ultrasonore dans les tumeurs afin de réduire l'hypoxie avant la radiothérapie. Le contrôle de la vasodilatation est induit par la production d'oxyde nitrique (NO) par la voie de signalisation cellulaire du eNOS dans les cellules endothéliales. Il a été démontré que l'augmentation de l'ATP extracellulaire active la voie de signalisation du eNOS. Il a aussi été démontré que l’oscillation des MB sous l’effet des US libèrent de l'ATP lorsque le tissu musculaire est traité. Cependant, les effets des différentes conditions ultrasonores et de MB sur la libération d'ATP n'ont pas encore été étudiés. Nous émettons donc l'hypothèse qu'il existe des conditions permettant de maximiser l’activation des voies de signalisation purinergiques (ATP) et d'optimiser leur durée d’activation pour une réponse provasculaire optimale. Les motivations de ce projet sont de tester divers paramètres et d'étudier les interactions MB/cellules dans des conditions d'écoulement, qui sont généralement difficile à mettre en place lorsqu'on utilise des boîtes de Pétri. Pour quantifier plus facilement les voies de signalisation, nous avons créé des puces microfluidiques avec quatre canaux parallèles dans lesquels des cellules ont pu être cultivées. Avec quatre canaux traités lors d’une même impulsion ultrasonore, nous avons aussi augmenté le nombre de données à traiter et nous pouvons observer les effets de plusieurs impulsions lorsque les MB étaient dans un écoulement. En outre, la puce que nous avons développé est capable de donner une concentration en MB différente dans chaque canal afin de pouvoir tester quatre concentrations de MB différente dans des conditions d’écoulement. Les objectifs de ce projet de maîtrise sont donc les suivants : (1) concevoir la puce microfluidique ; (2) être capable de cultiver des cellules dans les canaux microfluidiques ; (3) créer des protocoles pour mesurer la libération d'ATP et la viabilité cellulaire après une impulsion ultrasonore ; (4) observer la capacité de la puce à donner différentes concentrations de MB dans chaque canaux en conditions d’écoulement. Lors de la conception de la puce microfluidique, nous avons créé un environnement dans lequel les quatre canaux de la puce ont des concentrations différentes de microbulles fluides. Ainsi, nous avons atteint les objectifs du projet. Nous avons réussi à introduire dans le canal microfluidique des cellules endothéliales de cordon ombilical humain (HUVEC) et une lignée cellulaire de cancer du sein (4T1). Les monocouches cellulaires créées par chacune des deux lignées cellulaires ont été traitées avec succès par une impulsion thérapeutique ultrasonore lors de l’injection de MB. Nos résultats montrent qu'une augmentation du nombre de cycles et de la pression, libère plus d'ATP et induisent une mortalité cellulaire plus importante. En outre, nous avons établi un lien entre la libération d'ATP et la mortalité cellulaire en comparant différentes impulsions thérapeutiques ultrasonore. Cette analyse a permis de dégager deux tendances. Avec des impulsions à faible énergie, la libération d'ATP est augmenté et on constate une très faible augmentation de la mort cellulaire ; inversement, avec des impulsions à plus forte énergie, la libération d'ATP et la mortalité cellulaire ont augmentés et on atteint un plateau. Ainsi, nos résultats confirment que différents mécanismes de libération d'ATP peuvent être déclenchés par les thérapies MB et US. / In solid tumors, hypoxia is a well-known resistance mechanism to radiation therapy. It was previously shown that microbubbles (MBs), when exposed to an ultrasound pulse (US) can cause vasodilation in muscle tissue. Conceptually, the therapeutic pulse can be localized on the tumor by steering the US beam. This approach is therefore proposed as a targeted image-guided provascular therapy in tumors to reduce hypoxia before radiotherapy. However, the effects of US and MB conditions on the relative increase in tumor perfusion remain largely unknown. Vascular control is managed by the production of nitric oxide (NO) through the eNOS pathway inside the endothelial cells. Increases in extracellular ATP have been shown to be a signaling event for the activation of this pathway. Fittingly, MB and US have been shown to release ATP when muscle tissue was treated. However, the effects of therapeutic US and MB parameters on the treatment have not yet been described. We, therefore, hypothesize that there are conditions that will maximize the purinergic signaling pathways (ATP) and optimize their time course for an optimal provascular response. The motivation for this project came from the desire to test various parameters and study MB/cell interactions in flowing conditions, which are typically limited when using petri dish setups. To quantify more easily the signaling pathways, we created microfluidic chips with four parallel cell coated channels. This chip allowed us to increase the throughput when using a single US exposure in static conditions and with the ability to support multiple US exposures with MB replenishment in flowing conditions. Also, the custom-made chip multiplexes the bubble concentration to obtain four channels with different flowing microbubble concentrations. The goals of this master’s project were thus: (1) to design the microfluidic chip; (2) to demonstrate the capacity for cell culture; (3) create protocols for measuring ATP and cell viability after therapeutic pulses; (4) to demonstrate repeatable flowing conditions with the multiplexed MB concentration. On the design of the microfluidic chip, we were successful at creating an environment where four of the four channels in the chip have different concentrations of flowing microbubbles. Thus, fulfilling the project's goals. We have succeeded in seeding both Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and a breast cancer cell line (4T1) into the microfluidic channel. The cell monolayers created by both cell lines were successfully treated with an US and MB therapeutic pulse. Our results support that an increase in both, cycles and pressure, release more ATP and cause more cell death. Further, we linked ATP release to cell death by comparing different therapeutic pulses. From this analysis, two trends appeared. With lower energy pulses, ATP release increased sharply with a very small increase in cell death; conversely, with higher energy pulses, ATP release continued to increase with cell death but reached a plateau. Thus, our results support that different mechanisms of ATP release can likely be triggered by MB and US therapy.

Le développement de différentes formes colloïdales pour la thérapie et le diagnostic médical ultrasonore connait un intérêt croissant depuis de nombreuses années. En particulier, les microbulles de perfluorocarbone (PFC) sont des agents de contraste intéressants, car le gaz est un puissant réflecteur des ultrasons. Plus récemment, les gouttelettes de PFC ont été proposées pour de nouvelles applications acoustiques. Suite à une impulsion acoustique, les ultrasons induisent un changement de phase de l’état liquide à l’état gazeux. Ce phénomène est appelé la vaporisation acoustique de gouttelettes. Parallèlement à l’étude de nouvelles applications, le développement de nouvelles techniques de préparation offrant un meilleur contrôle lors de la production, reste un enjeu primordial. Ainsi, de nouvelles méthodes de préparation basées sur des dispositifs membranaires semblent être particulièrement intéressantes. L’objectif de la thèse porte donc sur le développement de nouvelles techniques à membrane pour la formulation de microbulles et de microgouttelettes de taille contrôlée pour des applications en imagerie et thérapie ultrasonore. Dans ce travail, l’émulsification membranaire directe avec un module membranaire de type cross-flow a été utilisé pour la préparation de microbulles stabilisées par des tensioactifs solubles, tandis qu’un module de type microkit a permis l’obtention de microbulles stabilisées par des phospholipides. Dans un second temps, l’émulsification membranaire par prémix a permis de formuler des microgouttelettes de PFC monodispersées. Pour les différentes formes colloïdales préparées, nous avons observé l’influence des paramètres du procédé (pression, débit et contrainte de cisaillement), des paramètres de formulation (molécules stabilisatrices, type de PFC de la phase dispersée) et des paramètres de la membrane (taille des pores) sur la formation des microbulles/ microgouttelettes. Par la suite, la caractérisation acoustique des microbulles/microgouttelettes a montré que ces systèmes présentent les propriétés nécessaires pour être utilisés comme agents de contraste ultrasonores / The development of various colloidal forms for therapy and diagnosis in ultrasound medical present a great interest for many years. In particular, microbubbles of perfluorocarbon (PFC) are interesting as contrast agents because the gas is a high ultrasound reflector. More recently, PFC droplets have been proposed for news acoustic applications. Indeed, after an acoustic pulse, the ultrasound waves induce a phase change from the liquid state to the gaseous state. This phenomenon is called the acoustic vaporization of droplets. In parallel with the study of new applications, the development of new process offering a better control during production, remains a key issue.Thus, the preparation using news methods based on membrane devices seem to be particularly interesting. The aim of the thesis is the development of new membrane process for the formulation of microbubbles and droplets with a size controlled for ultrasound applications in imaging and therapy. In this work, the direct membrane emulsification with a cross-flow membrane module was used for the preparation of microbubbles stabilized by soluble surfactants, while a microkit module allowed to obtain microbubbles stabilized by phospholipids. In a second step, the membrane emulsification by premix allowed to formulate monodispersed droplets of PFC. For the various colloidal forms prepared, we observed the influence of the process parameters (pressure, flow rate and shear stress), the formulation parameters (surfactants, type of PFC of the dispersed phase) and the membrane parameters (pore size) on the formation of microbubbles/droplets. Subsequently, the acoustic characterization of microbubbles/droplets has shown that these systems have the properties to be used as ultrasonic contrast agents

L'hypoxie est un mécanisme reconnu de résistance à la radiothérapie chez les tumeurs solides. Il a récemment été démontré que la cavitation de microbulles (MBs) ciblées par ultrasons (US) (UTMC) peut augmenter la perfusion sanguine dans les muscles squelettiques en déclenchant la signalisation du monoxyde d’azote (NO). Il est intéressant de noter que cet effet a été amplifié par une co-injection de nitrite de sodium et a réduit le spasme observé avec des ultrasons à haute pression et à long pulse. Comme il a été démontré que le nitrite de sodium montrait une synergie avec la radiothérapie, nous avons émis l'hypothèse que les MBSU avec une co-injection de nitrite de sodium pourraient radiosensibiliser davantage les tumeurs solides en augmentant la perfusion sanguine et ainsi réduire l'hypoxie tumorale. Nous avons évalué la capacité des MBSU avec et sans nitrite d’augmenter la perfusion dans les muscles (membres postérieurs de la souris) et les tumeurs en utilisant différentes longueurs de pulse et pressions et évalué l'efficacité de cette approche en tant que thérapie provasculaire administrée directement avant les traitements de radiothérapie. Des xénogreffes de prostate humaine (PC3) ont été cultivées bilatéralement chez des souris immunodéficientes : un côté a été traité avec des MBSU et le côté controlatéral a été utilisé comme témoin. Des transducteurs thérapeutiques (pulse long) ou cardiaques (pulse court) ont été utilisés pour traiter le tissu d'intérêt lors de l'injection de MBs par la veine caudale. Le nitrite a été injecté 5 minutes avant les MBSU lorsque cela était approprié. Les MBSU consistaient en 60 impulsions thérapeutiques, administrées à un intervalle (10-15 secondes) ajusté pour permettre le réapprovisionnement en MBs, tel que guidé par l'imagerie ultrasonore à contraste amélioré (CEUS) (Sequoia, Siemens), et était généralement administré en 15 minutes. L'augmentation de la perfusion dans la tumeur a été quantifiée par Burst Replenishment Imaging permettant une quantification longitudinale de la perfusion sanguine (A×β). Les souris ont été irradiées 10 minutes après les MBSU et la croissance tumorale a été suivie pendant 25 jours. Dans le muscle, l'augmentation de la perfusion sanguine après traitement de MBSU avec différents longs pulses était forte. 6 Dans les tumeurs soumises à de longs pulses, l'augmentation de la perfusion était significative à une faible pression (125 et 250 kPa) mais pas à plus haute pression (375, 500 et 750 kPa) par rapport au groupe contrôle (0 kPa). Lorsqu'associé à la radiothérapie, les MBSU avec des longs pulses à 250 kPa n'ont pas entraîné d'augmentation significative de l'efficacité du traitement. Les MBSU avec des pulses courts à haute pression (SONOS, 1500kPa) et co-injection de nitrite ont ensuite été validés dans le muscle. L'effet du traitement était fort. Cette augmentation de la perfusion était également visible dans les tumeurs soumises aux MBSU (SONOS) + nitrite et a duré au moins 10 minutes. Le nitrite seul n’a causé aucun changement de perfusion. De plus, les faibles réponses provasculaires observées pour les longs pulses à 750 kPa sans nitrite ont été renversées avec l'ajout de nitrite. Le SONOS a provoqué une augmentation de la perfusion, avec et sans nitrite. La validation histologique de la reperfusion dans les tumeurs traitées par SONOS + nitrite était également significative par rapport aux tumeurs recevant uniquement du nitrite. Enfin, il y a eu une amélioration de l'inhibition de la croissance pour le groupe 8 Gy + nitrite + MBSU (SONOS) lorsque comparé à 8 Gy + nitrite seul. Cet effet n'était pas significatif chez les souris traitées par MBSU (SONOS) + nitrite et recevant 0 Gy ou 2 Gy. En conclusion, la thérapie de MBSU + nitrite semble augmenter la perfusion sanguine conduisant à une efficacité accrue de la radiothérapie à 8 Gy dans notre modèle tumoral. / In solid tumors, hypoxia is a recognized mechanism of resistance to radiation therapy. It has recently been shown that ultrasound (US) targeted microbubbles (MBs) cavitation (UTMC) can increase blood perfusion in skeletal muscles by triggering nitric oxide signaling. Interestingly, this effect was amplified with a sodium nitrite co-injection and reduced the spasm observed with high pressure long tone burst ultrasound. Since sodium nitrite has been shown to synergize with radiotherapy, we hypothesized that UTMC with a sodium nitrite co-injection could further radiosensitize solid tumors by increasing blood perfusion and thus reduce tumor hypoxia. We evaluated the ability of UTMC with and without nitrite to increase perfusion in muscle (mouse hindlimbs) and tumors using different pulse lengths and pressure and evaluated the efficacy of this approach as a provascular therapy given directly before radiotherapy treatments. Human prostate xenografts (PC3) were grown bilaterally in immunodeficient mice: one side was treated with UTMC, and the contralateral side was used as a control. Therapeutic transducers (long pulses) or cardiac phased array (short pulses) were used to treat the tissue of interest during the injection of MBs via the tail vein. Nitrite was injected 5 minutes before UTMC when appropriate. UTMC consisted of 60 therapeutic pulses, given at a pulse interval (10-15 seconds) adjusted to allow MB replenishment, as guided by contrast enhanced US imaging (CEUS), and was typically given in 15 minutes. The increase in perfusion in the tumor was quantified by burst replenishment imaging allowing longitudinal quantification of blood perfusion (A×B). Mice were irradiated 10 minutes after UTMC, and tumor growth followed for 25 days. In muscle, the increase in blood perfusion following UTMC treatment with various long pulses was strong. In tumors subjected to long pulses, the increase in perfusion was significant at lower M.I. (125 and 250 kPa) but not at higher M.I. (375, 500 and 750 kPa) when compared to control (0 kPa). When combined with radiotherapy, UTMC with long pulses at 250 kPa did not result in a significant increase in treatment efficacy. UTMC with short pulses (SONOS, 1500 kPa) and nitrite co-injection was then validated in muscle. The effect of treatment was strong and significative. 8 This significant increase in perfusion was also visible in tumors subjected to UTMC (SONOS) + nitrite and lasted for at least 10 minutes but not for nitrite alone. The blunted provascular responses observed for long pulses at higher M.I. without nitrite was reversed with the addition of nitrite. SONOS with and without nitrite caused an increase in perfusion. Histological validation of reperfusion in SONOS + nitrite was also significant when compared to tumors receiving only nitrite alone. Finally, there was an improved growth inhibition for the 8 Gy + nitrite + UTMC group vs. 8 Gy + nitrite alone with the SONOS therapy. This effect was not significant with mice treated by UTMC + nitrite and receiving 0 Gy or 2 Gy. In conclusion, UTMC + nitrite seemed to increase blood flow leading to an increased radiotherapy efficacy at 8 Gy in our tumor model.

Plusieurs types cancéreux prolifèrent par leur capacité à exprimer les marqueurs de régulation négative du système immunitaire, tels que les récepteurs PD-L1 et CD80/86 qui inhibent l’activation et la prolifération des lymphocytes T. L’inhibition de ces voies par des anticorps peut ainsi réactiver la réponse immunitaire chez certains patients. D’autres voies de signalisations sont aujourd’hui explorées, incluant la signalisation purinergique (ATP/adénosine) dans la modulation du microenvironnement tumoral. L’adénosine triphosphate extracellulaire (ATPe) est classifiée parmi les molécules de danger extracellulaire et joue un rôle crucial dans l’activation de l’inflammasome NLRP3, un médiateur important de l’activation des réactions pro-inflammatoires. Les ultrasons sont des ondes mécaniques de haute pression capable d’engendrer la cavitation inertielle des microbulles. Il a été démontré que les microbulles (MB) stimulées par ultrasons (US) libèrent de l’ATP dans le muscle squelettique et dans le muscle cardiaque. Nous posons l’hypothèse selon laquelle le traitement US+MB appliqué sur une tumeur de cancer du sein murin (4T1) in vivo peut libérer de l’ATPe localement dans le but d’activer des réactions pro-inflammatoires pour l’immunothérapie du cancer. Dans ce mémoire, nous présentons la quantification du signal d’ATPe d’une culture de cellules 4T1, puis in vivo dans le muscle et dans une tumeur solide sous-cutanée chez la souris à la suite d’une stimulation par US+MB. Nos études démontrent que la thérapie US+MB libère de l’ATP in vitro et in vivo. En comparant le signal découlant de l’injection IM d’ATP avec celui du muscle et des tumeurs post-US+MB, nous pouvons conclure que le traitement US+MB libère une quantité d’ATPe supérieure à 250 µM, ce qui est supérieur à la quantité d’ATPe dans un microenvironnement tumoral et qui persiste pour une durée d’au moins 60 min dans le muscle et 45 min dans la tumeur. La transfection stable de cellules MC38 (carcinome colorectal) à travers le gène PLenti-PmeLUC, codant la synthèse de luciférase sur la face externe de la membrane cellulaire, est explorée afin d’augmenter le rapport signal sur bruit en bioluminescence (annexe A). L’utilisation de POM-1 (inhibiteur pharmacologique de CD39) et l’utilisation de souris knockout du gène CD39 sont discutées pour la suite du projet afin d’inhiber la dégradation de l’ATP extracellulaire (Annexe B). / Several cancer types proliferate due to their ability to express the negative regulatory markers of the immune system (PD-L1 and CD80/86) which inhibit the activation and proliferation of T cells. Inhibition of these pathways by antibodies (anti-PDL-1, anti-PD-1, anti-CTLA-4) can thus reactivate the immune system in some patients. Other signaling pathways are currently being explored, including purinergic signaling (ATP/adenosine) in the modulation of the tumor microenvironment. Extracellular Adenosine triphosphate (eATP) is classified as danger signal plays a critical role in the activation of the NLRP3 inflammasome, an important mediator of the innate immune response. Ultrasound (US) and microbubbles (MB) have been shown to release ATP in skeletal and cardiac muscle. Thus, we hypothesized that US+MB treatment in 4T1 breast cancer cells could locally activate pro-inflammatory responses by releasing an eATP in tumors for cancer immunotherapy. In this thesis, I present the quantification of the eATP signal after US+MB stimulation in vitro (4T1 cell culture), then in muscle and subcutaneous solid tumors in the mouse. Our studies demonstrate that US+MB treatment releases ATP both in vitro and in vivo. In comparison with the IM injection of ATP, we can conclude that US+MB released a large amount of ATP (>250 µM), which is more than the eATP concentration in the untreated tumor microenvironment, and which persisted for at least 60 min in muscle and 45 min in tumor. The stable transfection of MC38 cells (colorectal carcinoma) through the Plenti-PmeLUC gene, encoding the synthesis of luciferase on the external surface of cell membrane is explored to increase the signal to noise ratio in bioluminescence (see appendix A). The use of POM-1 (pharmacological inhibitor of CD39) and CD39 gene knockout mice to inhibit the degradation of eATP signal are discussed for the continuation of the project.

Nous proposons dans cette thèse une étude sur la stabilisation de bulles de gaz dispersées en solution aqueuse par des nanocapsules lipidiques (NCL). L’objectif est le développement d’un système de libération d’actifs pharmaceutiques provoquée par l’application d’un champ ultrasonore adéquat. Préalablement, est évaluée la potentialité des NCL à se comporter comme de vrais agents de stabilisation interfaciale air/eau. Les NCL sont capables de diminuer la tension de surface plus que le Solutol®, principal surfactif pégylé rentrant dans leur composition.La méthode d’agitation mécanique s’est révélée la mieux adaptée pour formuler des microbulles d’air stabilisées.Les microbulles générées ont une taille moyenne inférieure à 2μm avec une concentration de 2,72.1012/mL. La distribution de taille est assez homogène avec un indice de polydispersité acceptable. Le ratio d’incorporation d’air dans les bulles est de 0,17. Les microbulles sont entourées d’un film constitué principalement de Solutol® et de Lipoïd®. En dispersion aqueuse, la stabilité des bulles à température ambiante(20°C±2°C) est maintenue jusqu’à 7 jours au moins. Le fusidate sodique utilisé comme actif pharmaceutique modèle et comme traceur est encapsulé avec un taux de27-35%. Un taux de libération de 40-50% est obtenu dans des conditions normales de libération. Ce pourcentage atteint 50-55% après application d’ultrasons. / This work deals with the stabilization of gaz microbubbles dispersed in aqueous solutions by using LipidNanoCapsules (LNC). The main objective is the development of a Drug Delivery System where the release is triggered by ultrasonation. Firstly, we investigated the ability of LNC to behave as real air/water interfacial stabilization agents. It is shown that LNC can decrease the surface tension at the air/water interface more than the Solutol®, main pegylated surfactant of the LNC. Usual stirring method seems the more efficient to produce stabilized air microbubbles. Microbubbles are characterized by a mean size below 2μm and are concentrated at 2.72x1012 /mL. The size distribution ishomogeneous with a convenient polydispersity index.The gas holdup inherent to the microbubbles was estimated to 0.17. Microbubbles are surrounded by a film constituted by Solutol® and Lipoïd®. Their stability at room temperature was kept up to 7 days. Sodium Fusidate was chosen as a drug model with an encapsulation rate in a 27-35% range. The drug release upon ultrasound was between 50-55 % in comparison with 40-50 % without ultrasounds focusing.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est une protection naturelle du système nerveux central. Son étanchéité constitue néanmoins un frein à de nombreuses thérapies médicamenteuses. Elle peut être temporairement perméabilisée grâce à une exposition à des ultrasons, couplée à une injection de microbulles dans la circulation sanguine. Dans ce manuscrit, l'ouverture de la BHE avec un dispositif ultrasonore non focalisé et implantable est étudiée. Une méthode automatique de quantification du volume d'ouverture grâce aux images IRM issues d'une étude clinique de phase 1/2a chez des patients atteint d'un glioblastome multiforme récurrent a été développée et validée. Une corrélation entre la probabilité d'ouverture et la pression acoustique locale a été trouvée. L'activité de cavitation des microbulles a été étudiée in vitro pour affiner la compréhension de son lien avec l'ouverture de la BHE. L'incertitude de quantification de cette activité à l'aide d'un capteur mono-élément utilisé passivement (PCD) à travers le crâne a été évaluée. Une correction se basant sur la position du PCD par rapport à la source de cavitation a été proposée et validée. L'influence du volume couvert par un nuage de cavitation dans le champ ultrasonore non focalisé sur les amplitudes des signaux enregistrés par le PCD pendant le traitement clinique a été discutée. Deux méthodes de localisation et de différenciation de sources de cavitation multiples dans un contexte transcrânien ont été évaluées par simulations et in vitro / The blood-brain barrier (BBB) is a natural protection of the central nervous system. However, it limits the delivery of many drugs to the brain tissues. It can be temporarily disrupted by ultrasound exposure combined with intravenous injection of microbubbles. In this manuscript, BBB disruption with an implantable unfocused ultrasound device is studied. An automatic method for quantifying the volume of BBB disruption using MR images from a phase 1/2a clinical study in patients with reccurent glioblastoma was assessed and validated. A correlation between the probability of disruption and the local acoustic pressure was found. Microbubbles cavitation activity was studied in vitro to better understand its effect on BBB disruption. The uncertainty on the amplitudes of cavitation signals recorded with a passive single-element detector (PCD) through the skull was quantified. A position-based correction of the PCD signal was assessed and validated. The effect of the volume of a cavitation cloud in the unfocused ultrasound field on the signal amplitude recorded by the PCD during the clinical treatment was discussed. Two methods for localizing and discriminating cavitation sources in a transcranial context were evaluated by simulations and in vitro

[pt] Nos últimos anos, as vantagens do uso de agentes de contraste de ultrassom (UCA) com distribuição de tamanho monodisperso foram destacadas. Caracterizadas por um coeficiente de variação (CV) inferior a 5 por cento, as microbolhas monodispersas têm o potencial de melhorar a qualidade das imagens de ultrassom (melhorando a relação sinal/ruído e reduzindo os efeitos de sombra). Também facilita o monitoramento da freqüência de ressonância das microbolhas, abrindo possibilidades nas áreas de imagem molecular e medições de pressão não-invasiva. Além disso, as bolhas monodispersas podem otimizar a entrega de drogas, genes e gases terapêuticos (por exemplo, sonotrombólise, sonoporação, abertura da barreira hemato-encefálica). No entanto, até agora, ao contrário das bolhas polidispersas, a liofilização de populações monodispersas de microbolhas, sem deteriorar sua monodispersividade, continuam sendo um desafio. Assim, hoje, as bolhas monodispersas não podem ser armazenadas nem transportadas. Isto representa um gargalo para seu uso em aplicações clínicas. Tentativas feitas para resolver o problema têm usado solventes tóxicos, levantando questões regulatórias O objetivo do presente trabalho foi de desenvolver uma nova técnica de liofilização para microbolhas monodispersas que não degradassem sua distribuição de tamanho, ou suas propriedades acústicas, sem o uso de solventes tóxicos. Como primeira etapa do projeto, foram fabricados dispositivos microfluídicos com focalização de escoamento (flow-focusing) para produzir microbolhas com distribuição de tamanho altamente monodispersa (CV menor que 5 por cento). Durante esta etapa, foi realizada a otimização da formulação das microbolhas e dos materiais crioprotetores. Foi realizada a caracterização geométrica de duas populações de microbolhas com diâmetros médios de 40 micrômetros e 5 micrômetros . Com o uso de uma câmera de alta velocidade acoplada a um microscópio ótico, imagens de todas as etapas do processo de liofilização das microbolhas foram capturadas e analisadas, visando controlar a distribuição de tamanho e a taxa de produção das microbolhas. As etapas do processo de liofilização consistiram na produção, coleta, congelamento, liofilização e ressuspensão. O desenvolvimento de uma nova técnica de recuperação, onde as microbolhas eram armazenadas em monocamadas, resultou em uma redução drástica da interação entre as bolhas durante a liofilização. Desta forma, foi possível preservar a monodispersão durante o processo de liofilização, resultando em um CV menor que 6 por cento para a população de microbolhas ressuspensas. Os ensaios de microscópio eletrônico de varredura ambiental (ESEM) demonstraram uniformidade nas cascas das microbolhas liofilizadas com uma espessura de parede estimada em 70nm. Na segunda etapa do projeto, foi realizada uma caracterização da resposta acústica de retrodifusão das microbolhas liofilizadas em forma de PVA, em comparação com as microbolhas recém produzidas e as microbolhas polidispersa SonovueTM disponíveis comercialmente. Primeiramente, a resposta acústica de retrodifusão das microbolhas foi avaliada em duas configurações diferentes: a célula centimétrica (recipiente grande - 45mmx10mmx30mm), e o milli-canal (sistema confinado no qual o líquido está em repouso - 10 mmx35 mmx1 mm). Usando um transdutor acústico focalizado com frequência de 2,25MHz, as respostas acústicas das microbolhas, na forma de frequência e amplitude de ressonância fundamental, antes e depois do processo de liofilização, foram comparadas para a população de bolhas de 5 micrômetros de diâmetro. Verificou-se que a variação de amplitude e frequência de ressonância fundamental das bolhas estava dentro da faixa de incerteza experimental, sugerindo que suas propriedades acústicas foram preservadas. Observamos também, de acordo com a literatura, que existe uma dependência linear entre a concentração da população de microbolhas (sem liofilização) e a amplitude do coeficiente de retrodifusão. Posteriormente, foi feita uma comparação da resposta de retrodispersão acústica para bolhas monodispersas e polidispersas. Também, de acordo com a literatura, observamos uma amplitude no sinal de resposta das bolhas monodispersas de 8 a 10 vezes maior que a das bolhas polidispersas, para a mesma concentração in vitro. Também foi possível observar a menor incerteza no monitoramento do pico de ressonância fundamental das bolhas e uma menor largura de banda para a população de bolhas monodispersas. Finalmente, utilizando a abordagem de imagens de matriz universal de ultrassom, desenvolvida no Institut Langevin, a resposta acústica de retrodifusão da população monodispersa liofilizada e polidispersa foi avaliada em um tecido artificial com impedância acústica similar ao tecido humano. Os resultados preliminares reforçam os resultados das medições acústicas de retrodifusão na célula centimétrica e no milicanal, nos quais a população monodispersa apresentou uma largura de banda significativamente reduzida em comparação com a ampla largura de banda da população polidispersa. O presente trabalho apresentou com sucesso uma nova técnica desenvolvida para liofilizar as microbolhas monodispersas sem degradar suas propriedades geométricas e acústicas. Assim, propusemos uma nova geração de agentes de contraste ultrassom na forma de um pó liofilizado estável que pode ser transportado e armazenado por meses e ressuspenso para uso em aplicações clínicas. / [en] In recent years, the advantages of using ultrasound contrast agents (UCA) with monodisperse size distribution have been highlighted. Characterized by a coefficient of variation (CV) lower than 5 percent, monodisperse microbubbles have the potential to improve the quality of ultrasound images (improving signal-to-noise ratio and reducing shadowing effects. It also facilitates microbubble resonance frequency monitoring, opening possibilities in the areas of molecular imaging and non-invasive pressure measurements. In addition, monodisperse bubbles can optimize the drugs, genes, and therapeutic gas delivery (e.g. sonotrombolysis, sonoporation, blood-brain barrier opening). However, thus far, contrarily to polydisperse bubbles, freeze-drying monodisperse populations of fresh microbubbles, without deteriorating their monodispersity, remains a challenge. Thereby, today, monodisperse bubbles can neither be stored nor transported. This represents a bottleneck for their use in clinical applications. Attempts made to solve the problem have used toxic solvents, raising regulatory issues The objective of the present work was to develop a new freeze-drying technique for monodisperse microbubbles that did not degrade their size distribution, or their acoustic properties, without the use of toxic solvents. As the first step of the project, flow-focusing microfluidic devices were fabricated to produce microbubbles with highly monodisperse size distribution (CV less than 5 percent). During this step, the optimization of the microbubble formulation and cryoprotectant materials was performed. Geometric characterization of two of microbubbles with mean diameters of 40 Micrometers and 5 Micrometers was performed. With the use of a high-speed camera coupled to an optical microscope, images of all stages of the freeze-drying process of the microbubbles were captured and analyzed, aiming to control the size distribution and production rate of the microbubbles. The steps of the freeze-drying process consisted of production, collection, freezing, lyophilization, and resuspension. The development of a new retrieval technique, where the microbubbles were stored in monolayers, resulted in a drastic reduction of the interaction between the bubbles during lyophilization. In this way, it was possible to preserve the monodispersity during the freeze-drying process, resulting in a CV less than 6 percent for the resuspended microbubble population. Environmental scanning electron microscope (ESEM) assays demonstrated uniformity in the shells of the freeze-dried microbubbles with an estimated wall thickness of 70nm. In the second stage of the project, a characterization of the backscatter acoustic response of the freeze-dried monodisperse PVA-shelled microbubbles, in comparison with freshly produced microbubbles, and commercially available polydisperse microbubbles SonovueTM was conducted. Firstly, the backscatter acoustic response of the microbubbles was evaluated in two different setups: the centimetric cell (large container - 45mmx10mmx30mm), and the milli-channel (confined system in which the liquid is at rest - 10 mmx35 mmx1 mm). Using a focused acoustic transducer with a frequency of 2.25MHz, the acoustic responses of the microbubbles, in the form of the fundamental resonance frequency and amplitude, before and after the freeze-drying process was compared for the bubble population of 5 Micrometers diameter. It was found that the variation of amplitude and fundamental resonance frequency of the bubbles were within the experimental uncertainty range, suggesting that their acoustic properties were preserved. We also observed, in agreement with the literature, that there is a linear dependence between the concentration of the microbubble population (without freeze-drying) and the amplitude of the backscatter coefficient. Subsequently, a comparison of the acoustic backscatter response was performed for monodisperse and polydisperse bubbles. Also, in agreement with the literature, we observed an amplitude in the response signal of the monodispersed bubbles of 8 to 10 times higher than that for the polydispersed ones, for the same in vitro concentration. It was also possible to observe the lower uncertainty in monitoring the fundamental resonance peak of the bubbles and a smaller bandwidth for the monodispersed bubble population. Finally, using the universal ultrasound matrix imaging approach, developed at Institut Langevin, the backscatter acoustic response of the freeze-dried monodisperse and polydisperse population was evaluated in a phantom mimicking tissue. The preliminary results reinforce the findings from the backscatter acoustic measurements in the centimetric cell and the milli-channel, in which the monodisperse population presented a significantly reduced bandwidth in comparison with the wide bandwidth of the polydisperse population. The present work successfully presented a new technique developed to freezedry monodisperse microbubbles without degrading their geometrical and acoustic properties. Thus, we proposed a new generation of ultrasound contrast agents in the form of a stable freeze-dried powder that can be transported and stored for months and resuspended for use in clinical applications. / [fr] Ces dernieres années, les avantages de l utilisation d agents de contraste ultrasonores (ACU) à distribution de taille monodisperse ont été mis en évidence. Caractérisées par un coefficient de variation (CV) de leur diamètre inférieur à 5 Pour cent, les microbulles monodisperses ont le potentiel d améliorer la qualité des images ultrasonores (amélioration du rapport signal/bruit et réduction des effets d ombre). Elles facilitent également le contrôle de la fréquence de résonance des microbulles, ouvrant des possibilités dans les domaines de l imagerie moléculaire et des mesures de pression non invasives. En outre, les bulles monodisperses peuvent optimiser l administration de médicaments, de gènes et de gaz thérapeutiques (par exemple, sonotrombolyse, sonoporation, ouverture de la barrière hémato-encéphalique). Cependant, jusqu à présent, contrairement aux bulles polydisperses, la lyophilisation de populations monodisperses de microbulles fraiches, sans détérioration de leur monodispersité, reste un défi. Ainsi, aujourd hui, les bulles monodisperses ne peuvent être ni stockées ni transportées. Cela représente un goulot d étranglement pour leur utilisation dans des applications cliniques. Les tentatives faites pour résoudre ce problème ont utilisé des solvants toxiques, ce qui soulève des problèmes de réglementation. L objectif du présent travail était de développer une nouvelle technique de lyophilisation des microbulles monodisperses qui ne dégrade pas leur distribution de taille, ni leurs propriétés acoustiques, et ce sans utiliser de solvants toxiques. La première étape du projet a consisté à fabriquer des dispositifs microfluidiques de focalisation du flux pour produire des microbulles avec une distribution de taille hautement monodisperse (CV moins que 5 Pour cent). Au cours de cette étape, l optimisation de la formulation des microbulles et des matériaux cryoprotecteurs a été réalisée. La caractérisation géométrique de deux microbulles avec des diamètres moyens de 40 micrometres et 5 micrometres a été menée. A l aide d une caméra à haute vitesse couplée à un microscope optique, des images de toutes les étapes du processus de lyophilisation des microbulles ont été capturées et analysées, dans le but de contrôler la distribution de taille et le taux de production des microbulles. Les étapes du processus de lyophilisation comprenaient la production, la collecte, la congélation, la lyophilisation et la remise en suspension. Le développement d une nouvelle technique de récupération, ou les microbulles étaient stockées en monocouches, a permis de réduire considérablement l interaction entre les bulles pendant la lyophilisation. De cette maniere, il a été possible de préserver la monodispersité pendant le processus de lyophilisation, ce qui a permis d obtenir un CV moins que 6 Pour cent pour la population de microbulles remise en suspension. Les analyses au microscope électronique à balayage environnemental (ESEM) ont démontré l uniformité des enveloppes des microbulles lyophilisées avec une épaisseur de paroi estimée à 70nm. Dans la deuxième étape du projet, une caractérisation de la réponse acoustique (en rétrodiffusion) des microbulles monodisperses lyophilisées et enveloppées de PVA a été réalisée et comparée avec celles de microbulles fraichement produites et de microbulles polydisperses disponibles dans le commerce (SonovueTM). Tout d abord, la réponse acoustique en rétrodiffusion des microbulles a été évaluée dans deux configurations différentes : la cellule centimétrique (grand récipient - 45mmx10mmx30mm), et le milli-channel (systeme confiné dans lequel le liquide est au repos - 10 mmx35 mmx1 mm). En utilisant un transducteur acoustique focalisé avec une fréquence de 2.25MHz, les réponses acoustiques des microbulles (fréquence de résonance fondamentale et amplitude) avant et après le processus de lyophilisation ont été comparées pour la population de bulles de 5 micrometres de diamètre. Il a été constaté que la variation de l amplitude et de la fréquence de résonance fondamentale des bulles se situait dans la plage d incertitude expérimentale, ce qui suggère que leurs propriétés acoustiques ont été préservées. Nous avons également observé, en accord avec la littérature, qu il existe une dépendance linéaire entre la concentration de la population de microbulles (sans lyophilisation) et l amplitude du coefficient de rétrodiffusion. Par la suite, une comparaison de la réponse acoustique a été effectuée pour des bulles monodisperses et polydisperses. Aussi, en accord avec la littérature, nous avons observé une amplitude du signal de réponse des bulles monodisperses de 8 à 10 fois supérieure à celle des bulles polydisperses, pour une même concentration in vitro. Il a également été possible d observer une plus faible incertitude dans le suivi du pic de résonance des bulles et une plus petite largeur de bande pour la population de bulles monodisperses. Enfin, en utilisant une approche originale dite d imagerie matricielle par ultrasons, développée à l Institut Langevin, la réponse acoustique de la population lyophilisée monodispersée et polydispersée a été évaluée dans un fantôme simulant les tissus. Les résultats préliminaires renforcent les conclusions des mesures acoustiques menées dans la cellule centimétrique et le canal millimétrique, dans lesquelles la population monodisperse présente une largeur de bande significativement réduite par rapport à la grande largeur de bande de la population polydisperse. Le présent travail a permis le développement d une nouvelle technique pour lyophiliser des microbulles monodispersées sans dégrader leurs propriétés géométriques et acoustiques. Ainsi, nous avons proposé une nouvelle génération d agents de contraste ultrasonores se présentant sous la forme d une poudre lyophilisée stable qui peut être transportée et stockée pendant des mois et remise en suspension pour être utilisée dans des applications cliniques.