n/a / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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

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

Le cancer du sein est la première cause de cancer chez la femme. Au moment du diagnostic, 30 % des patientes présente une maladie métastatique avec atteinte ganglionnaire loco-régionale ou d’organes à distance. De plus, 20 % des femmes diagnostiquées sans métastases récidiveront dans les 5 ans. Les métastases sont traitées par chimiothérapie ou thérapie ciblée, en fonction des résultats histologiques du site primitif. Cependant, 20 à 45 % des métastases ont un phénotype différent de celui du site primitif. Pouvoir phénotyper les différentes métastases permettrait de traiter les patientes plus efficacement, en accord avec les caractéristiques moléculaires de ces lésions. Toutes les métastases n’étant pas accessibles à la biopsie, un phénotypage en imagerie moléculaire serait donc d’un grand intérêt. La médecine nucléaire est, à ce jour, la seule technique d’imagerie moléculaire disponible en pratique clinique. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif a été de réaliser l’imagerie phénotypique des tumeurs métastatiques du sein en ciblant la mésothéline et VCAM-1 dans des modèles pré-cliniques de cancer du sein. La première partie de ce travail a été consacrée à l’évaluation pré-clinique de nanobodies ciblant la mésothéline, une glycoprotéine à ancre GPI très faiblement exprimée à l’état physiologique mais surexprimée dans de nombreux cancers dont le cancer du sein. De nombreuses thérapies ciblant la mésothéline sont actuellement en cours d’essais cliniques. Un agent d’imagerie ciblant cette protéine permettrait d’identifier les patientes susceptibles d’en bénéficier. Au cours de ces travaux de thèse, le nanobody 99mTc-A1 a été entièrement validé pour l’imagerie des tumeurs exprimant la mésothéline. La seconde partie de ces travaux de thèse a été consacrée à l’imagerie phénotypique des tumeurs du sein exprimant VCAM-1, protéine impliquée dans la dissémination métastatique pulmonaire et osseuse. Un agent d’imagerie ciblant VCAM-1 pourrait servir d’outil pour la caractérisation de l’agressivité de la maladie métastatique. Au cours de ces travaux, l’utilisation d’un nanobody, 99mTc-cAbVCAM1-5, a été validée pour l’imagerie des tumeurs du sein exprimant VCAM-1. / Breast cancer is the leading cause of cancer among women. At the time of diagnosis, 30 % of patients have developed a metastatic disease either with regional lymph node colonization or distant organs colonization. Metastatic breast cancers are treated by chemotherapy or targeted therapy, according to histological results of primary site. However, 20 to 45 % of metastases have a different phenotype from the primary tumor. Getting access to metastases phenotype would therefore allow treating patients more accurately, in accordance with molecular characteristics of these lesions. Because metastases are not always accessible to biopsy, the use of molecular imaging could be of great interest. Nuclear medicine is the only molecular imaging technic available in clinical practice. The objective of this thesis was to perform the phenotypic imaging of metastatic breast cancer by targeting mesothelin and VCAM-1. The first part of this work was dedicated to the preclinical evaluation of mesothelin-targeting nanobodies. Mesothelin is a GPI-anchored membran protein. While its expression is restricted to a mesothelial cells in normal conditions, mesothelin is overexpressed in several cancers, including breast cancer. Several mesothelin-targeting therapies are currently ongoing clinical transfer. Identifying mesothelin-expressing metastases would allow to select patients who could benefit from those therapies. During this thesis, the nanobody-derived radiotracer 99mTc-A1 has been fully validated for the imaging of mesothelin expressing tumors. The second part of this work was dedicated to the nuclear imaging of VCAM-1 expressing breast cancer lesions. VCAM-1 is a membrane-associated protein involved in the metastatic spread of breast tumor cells. An imaging agent targeting at VCAM-1 could be a suitable tool to evaluate the role of VCAM-1 as a marker of tumor aggressiveness. In the present study, the nanobody 99mTc-cAbVCAM1-5 has been validated for the imaging of VCAM-1 expression in breast cancer.

The optimisation of image quality in medical imaging techniques is a significant factor in favourable patient prognoses. The number of counts in a nuclear medicine image is one factor in determining the diagnostic value of the image. The current study aims to determine the variation in counts in whole-body bone scan images with patient height and weight. Three separate studies were undertaken as part of the investigation. First, 65 whole-body bone scans were analysed together with patient height, weight, age and sex. Weight was found to the most important anatomy influence on image counts. However, significant influences from patient sex and age meant that a useful relationship between image counts and patient anatomy based solely on height and weight could not be determined. For the second study, a model of General Electric Millennium MG gamma camera was created and validated within the SIMIND Monte Carlo software. The results indicate that the model is an accurate representation of the gamma camera. Third, the 4D NCAT whole-body patient phantom was modified to represent the average male and female clinical study participants. The phantoms were used in conjunction with the gamma camera model to simulate the whole-body bone scan procedure. The counts in the simulated images were consistent with the average measured counts of the clinical study indicating that it is feasible to use the NCAT phantom for nuclear medicine bone imaging. However, the phantom’s method of activity distribution should be refined to allow a more realistic distribution of activity throughout the skeleton.

Le thrombus artériel, ou thrombus intra-luminal (ILT), est impliqué à des degrés divers dans la majorité des pathologies cardiovasculaires dégénératives. Actuellement, sa détection et sa caractérisation repose sur des techniques d'imagerie morphologique qui ne renseignent pas sur l'évolution possible du thrombus en relation avec son profil d'activités biologiques. Dans ce contexte, l'imagerie moléculaire du thrombus a 3 objectifs principaux : (1) la détection du thrombus initial et la recherche de localisations secondaires, (2) l'évaluation du potentiel évolutif du thrombus et de son impact sur les tissus environnants en relation avec son activité biologique, (3) l'évaluation précoce de l'efficacité thérapeutique (avant une modification morphologique). L'objectif de ce travail a été de développer des agents d'imagerie moléculaire des activités biologiques de l'ILT. En ce qui concerne l'activité proagrégante du thrombus artériel, nous avons mis en évidence le lien existant entre l'intensité du signal en Annexine A5 radiomarquée détecté in vivo et l'intensité de l'activité proagrégante dans un modèle d'endocardite infectieuse. Nous avons développé un nouveau traceur élaboré sur la base d'un ligand naturel et de haute affinité (le fucoïdan) de la P-sélectine exprimée par les plaquettes activées, puis validé sa capacité à détecter in vivo le thrombus artériel. En ce qui concerne l'activité plasminergique du thrombus artériel, nous avons utilisé l'aprotinine radiomarquée pour détecter la plasmine dans le thrombus anévrysmal humain ex vivo, puis entamé une collaboration pour optimiser son radiomarquage en utilisant un tag peptidique sans cystéine en position N-terminale. Parallèlement nous avons développé une nouvelle approche basée sur un inhibiteur peptidique conjugué à un agent chélateur bifonctionnel / Arteriel or intra-luminal thrombus (ILT) is involved to various degrees in most of the degenerative cardiovascular diseases. Its detection and characterization is currently based on morphological imaging techniques that do not provide information about its possible evolution in relation to biological activities profile. In this context, molecular imaging of thrombus has three main objectives: (1) detection of the initial thrombus and of secondary locations, (2) evaluation of the thrombus evolutive potential and its impact on surrounding tissues in relationship with its biological activity, and (3) early assessment of therapeutic efficacy (before morphological changes). The aim of this work was to develop molecular imaging agents of biological activities of ILT. Regarding the proaggregant activity, we demonstrated a relationship between annexin A5 signal intensity and vegetation proaggregant activity in a model of infective endocarditis. We also developed a novel P-selectin imaging agent based on a natural high affinity ligand (fucoidan), and validated its ability to detect ILT in vivo. Regarding the plasminergic activity of ILT, we used radiolabelled aprotinin to detect plasmin in human aneurysmal thrombus ex vivo; we also initiated a collaboration to optimize its radiolabelling using a cystein-free tag peptide in N-terminal position. In parallel we developed a new approach based on a peptide inhibitor conjugated with a bifunctional chelating agent

The optimisation of image quality in medical imaging techniques is a significant factor in favourable patient prognoses. The number of counts in a nuclear medicine image is one factor in determining the diagnostic value of the image. The current study aims to determine the variation in counts in whole-body bone scan images with patient height and weight. Three separate studies were undertaken as part of the investigation. First, 65 whole-body bone scans were analysed together with patient height, weight, age and sex. Weight was found to the most important anatomy influence on image counts. However, significant influences from patient sex and age meant that a useful relationship between image counts and patient anatomy based solely on height and weight could not be determined. For the second study, a model of General Electric Millennium MG gamma camera was created and validated within the SIMIND Monte Carlo software. The results indicate that the model is an accurate representation of the gamma camera. Third, the 4D NCAT whole-body patient phantom was modified to represent the average male and female clinical study participants. The phantoms were used in conjunction with the gamma camera model to simulate the whole-body bone scan procedure. The counts in the simulated images were consistent with the average measured counts of the clinical study indicating that it is feasible to use the NCAT phantom for nuclear medicine bone imaging. However, the phantom’s method of activity distribution should be refined to allow a more realistic distribution of activity throughout the skeleton.

The Enhanced Permeability and Retention (EPR) effect has seen considerable exploration by many researchers since it’s discovery by Maeda et al in 1985. Polymers and nanoparticles with a long blood residence half-life can accumulate in some tumour tissues, allowing for the delivery of either diagnostic or therapeutic payloads. We have contributed to this field by the development of methodology to prepare radiolabeled dendrimers which are suitable for EPR effect accumulation with a variety of peripheral functionalities. The first of these was a 99mTc-labeled fifth generation dendron which was peripherally functionalized with low molecular weight poly(ethylene glycol) chains, which was observed to accumulate in xenograft mouse tumours over the course of 6 hours. This work led to the development of improved synthetic means for the preparation of high generation dendrimers with complex peripheral functionality, which hinged on the use of the Strain Promoted Alkyne-Azide Cycloaddition reaction to give high generation dendrimers by a convergent approach. This resulted in the facile preparation of dendrimers with challenging peripheral functionality in reaction times as short as 5 minutes. This SPAAC based convergent synthesis approach was used to prepare 99mTc labeled sulfobetaine and carboxybetaine dendrons of the sixth generation, and these compounds were found to have a size greater than the renal clearance threshold of ~ 5 nm, though it was found that labeling with [99mTc(CO)3]+ was not possible without extensive degradation of the zwitterionic dendrimers. Finally, the dendritic architecture explored for imaging was adapted for use in shielding an enzyme from macromolecules while retaining activity against the native small molecule substrate, and we found that conjugation of high-generation bis-MPA dendrons to α-chymotrypsin was an effective way to eliminate enzyme activity against macromolecules while preserving efficacy against small substrates, indicating this approach may be an effective way to shield proteins from the immune system without interfering with their desired function. This work illustrates the ability to radiolabel polyester dendrimers for tumour imaging through the EPR effect. In addition, it has demonstrated that polymer architecture has a large impact on the properties of polymer-protein conjugates and gives evidence of unique properties that are imparted by the conjugation of high-generation dendrimers onto a protein. / Thesis / Doctor of Science (PhD)

L’incidence et la prévalence des maladies valvulaires sont en augmentation, l’épidémiologie de ces maladies se modifie avec une prépondérance des maladies dégénératives, et le traitement considéré est le plus souvent le remplacement valvulaire prothétique, notamment dans le cadre de la sténose aortique qui est la maladie valvulaire la plus fréquente. Les techniques de remplacement valvulaire et les prothèses valvulaires ont grandement évolué ces dernières années, notamment avec le développement des implantations de prothèses par voie percutanée. Cependant les substituts valvulaires aortiques biologiques sont exposés à des complications diverses mettant en jeu la fonction de la prothèse : fuite péri-prothétique, endocardite infectieuse, dégénérescence des tissus biologiques. Ces complications restent des challenges diagnostiques et l’échographie est l’imagerie de référence. Cependant, l’imagerie cardiaque et valvulaire a réalisé de grands progrès, et l’utilisation d’autres techniques ou modalités d’imagerie peut être une alternative ou un complément à l’exploration par échocardiographie : imagerie par scanner, imagerie par résonance magnétique, imagerie nucléaire. Le recours et la combinaison de ces différentes techniques s’intègrent dans une approche globale, nommée imagerie multimodale. L’objectif général de ce projet de doctorat a été d’étudier l’apport de l’imagerie multimodale dans la surveillance des bioprothèses aortiques et l’évaluation des complications et de la dégénérescence structurelle qui peuvent survenir. / The incidence and prevalence of heart valve diseases are increasing worldwide. Their epidemiology also changes, and the required treatment is most often a prosthetic valve replacement, especially for aortic stenosis that is the most frequent heart valve disease. Techniques of valve replacement as well as prosthesis themselves have dramatically evolved in recent years, especially with the development of percutaneous transcatheter procedures. However, biologic aortic valve substitutes are at risk of several complications including prosthetic valve dysfunction, paravalvular regurgitation, infective endocarditis and structural valve deterioration. Correctly diagnose any of these complications still is a challenge but echocardiography plays a pivotal role and remains the gold-standard as per diagnostic imaging. Nonwithsanding the fact that echocardiography is the main imaging modality for valvular anomalies, great progress has been made in cardiac imaging and modalities like CT-Scan, MRI and nuclear imaging are nowadays regularly used along with echocardiography. The use and combination of these different techniques are part of a global approach, entitled multi-modality imaging.The general objective of this doctoral project was to study the contribution of the multi-imaging approach in the assessment of the bioprosthesis function and screening for complications and structural valve deterioration that may occur.

Positron Emission Tomography (PET) is frequently used for medical imaging. Maturity and flexibility of PET as an imaging technique has expanded its utility beyond the medical domain. It can be used as a tool for fluid flow studies in opaque fluids and for flow within complex geometry where conventional optical flow measurement approaches fail. This study explores the capabilities of PET as flow measurement tool suited to validation of computational fluid dynamic (CFD) predictions. The MicroPET P4 scanner was used to image the diffusion process in flow around a rod bundle geometry similar to that found in a nuclear reactor fuel assembly. The PET data are compared with results from COMSOL CFD simulation and dye injection images. PET image resolution, acquisition speed and sensitivity are also examined in the context of flow measurement.