La sclérodermie systémique (ScS) est une maladie autoimmune rare qui se caractérise par une fibrose cutanée et parfois pulmonaire. Nous avons tout d’abord évalué le rôle de BAFF, une cytokine impliquée dans le développement des lymphocytes B (LB), dans la fibrose pulmonaire induite par la bléomycine chez la souris. Nous avons démontré que BAFF était augmenté en réponse à la bléomycine et que les souris BAFF-/- ou traitées par le BAFF-R-Ig sont protégées de la fibrose pulmonaire. Ensuite, nous avons évalué si les LB et BAFF pouvaient moduler la production de collagène par des fibroblastes de peau isolés de patients atteints de ScS. Nous avons démontré que les LB augmentent la production de collagène et de cytokines impliquées dans la fibrose cutanée et l’ajout de BAFF augmente cet effet des LB sur les fibroblastes. Enfin, nous avons étudié la régulation de l’expression de BAFF par les microARNs. Nos résultats montrent que les miR-30a*, d* et e* ciblent directement l’ARNm de BAFF. / Systemic sclerosis (SSc) is a rare autoimmune disease characterized by skin fibrosis and occasionally pulmonary fibrosis. We first assessed the role of BAFF, a cytokine involved in B cell maturation, in bleomycin-induced pulmonary fibrosis in mice. We showed that BAFF was increased in response to bleomycin and that BAFF-/- mice or BAFF-R-Igtreated mice are protected from pulmonary fibrosis. Then, we assessed whether B cells and BAFF could regulate collagen production by skin fibroblasts isolated from SSc patients. We demonstrated that B cells increase collagen production and cytokines involved in skin fibrosis. The addition of BAFF increases the effect of B cells on fibroblasts. Lastly, we studied the regulation of BAFF expression by microRNAs. Our results show that miR-30a*, d* and e* directly target the BAFF mRNA.

Cette thèse porte sur la prise en compte des incertitudes et du mouvement dans le traitement des tumeurs pulmonaires en radiothérapie, que ce soit par photons, par protons ou par ions légers (hadronthérapie). L’accent est mis sur les méthodes de prise en compte du mouvement dites "passives". Ces méthodes, ne nécessitant pas d’asservissement respiratoire pour la délivrance de la dose, sont moins lourdes à mettre en place, et limitent l’introduction de nouvelles sources d’incertitudes. Des contributions cliniques et méthodologiques sont proposées. Tout d’abord, l’imagerie tomodensitométrique (TDM) pour la planification des traitements doit faire l’objet d’une attention particulière dans le cas de tumeurs soumises aux mouvements respiratoires. Nous avons évalué l’influence de la présence d’artéfacts de mouvements dans les images TDM sur la qualité de la planification. Nous avons également proposé des méthodologies et des recommandations pour l’optimisation des paramètres d’acquisition ainsi qu’un algorithme original de détection automatique des artéfacts dans les images TDM 4D. L’une des principales sources d’incertitudes lors de la planification de traitements en radiothérapie concerne la délinéation des volumes cibles. Nous avons évalué la variabilité inter-observateur de délinéation du volume cible macroscopique (GTV) et du volume cible interne (ITV) via une méthode originale permettant de l’intégrer dans le calcul des marges de sécurité. La réduction des incertitudes dues au mouvement respiratoire peut être réalisée en associant au système de contention une compression abdominale afin de limiter l’amplitude du mouvement respiratoire. Nous avons proposé une étude visant à évaluer l’impact de l’utilisation d’un tel système en fonction de la localisation dans le poumon. En radiothérapie par photons, une stratégie appelée mid-position consiste à irradier la tumeur dans sa position moyenne pondérée dans le temps et permet de réduire les marges par rapport à une stratégie ITV tout en conservant une couverture dosimétrique correcte. Une partie du travail de la thèse a consisté à participer à l’élaboration d’une étude clinique visant à comparer les deux stratégies, ITV et mid-position. Dans la plupart des cas, le mouvement respiratoire a une distribution de probabilité non-gaussienne et asymétrique, pouvant invalider la recette de calcul de marges de van Herk pour des mouvements tumoraux fortement asymétriques et de grande amplitude. Nous avons proposé un modèle numérique afin de prendre en compte cette asymétrie. Enfin, la prise en compte du mouvement respiratoire en hadronthérapie par des marges de sécurité doit faire l’objet de considérations spécifiques, en particulier en raison de la sensibilité du dépôt de dose aux variations de densité sur la trajectoire du faisceau. Dans une dernière partie, la définition des marges de sécurité pour prendre en compte le mouvement respiratoire de manière optimale est discutée. / This PhD thesis focuses on the uncertainties and motion management in lung radiation therapy and particle therapy. Passive motion management techniques are considered. They consist in delivering the dose without any respiratory beam monitoring which may be difficult to set up or may introduce additional uncertainties. Clinical and methodological contributions about different treatment steps are proposed. First of all, computed tomography (CT) images for treatment planning must be carefully acquired in the presence of respiration-induced tumor motion. We assessed the impact of motion artifacts on the quality of treatment planning. We also proposed methodologies and recommendations about the optimization of 4D-CT acquisition parameters and an original method for automated motion artifact detection in 4D-CT images. Target delineation introduces one of the main source of uncertainties during radiation therapy treatment planning. We quantified inter-observer variations in the delineation of the gross tumor volume (GTV) and the internal target volume (ITV) using an original method in order to incorporate them in margin calculation. Reduction of motion uncertainties can be achieved by combining an abdominal pressure device with the immobilization system to reduce the amplitude of respiratory motion. We proposed a study to evaluate the usefulness of such a device according to the tumor location within the lung. Delivering the dose to the ITV implies an important exposure of healthy tissues along the tumor trajectory. An alternative strategy consists in irradiating the tumor in its time-averaged mean position, the mid-position. Margins are reduced compared with an ITV-based strategy while maintaining a correct tumor coverage. One part of the work consisted in participating in the implementation of a clinical trial in photon radiation therapy to compare the two strategies, ITV and mid-position. In the margin recipe proposed by van Herk, a Gaussian distribution of all combined errors is assumed. In most cases, respiratory motion has an asymmetric non-Gaussian distribution and the assumption may not be valid for strongly asymmetric tumor motions with a large amplitude. We proposed a numerical population-based model to incorporate asymmetry and non-Gaussianity of respiratory motion in margin calculation. Finally, when taking respiratory motion into account in particle therapy with safety margins, one must consider various parameters, particularly the dose deposit sensitivity to density variations. The last part is dedicated to a discussion on the defining of safety margins in order to optimally take into account respiratory motion.

L'objectif de ce travail de thèse a été d'élaborer et de caractériser des systèmes de nanovecteurs de nature lipidique, encapsulant le dipropionate de beclomethasone (DPB), adaptés à l'administration pulmonaire par nébulisation. Deux types de nanovecteurs lipidiques : des liposomes et des nanoparticules lipidiques incluant les nanoparticules solides (SLN) et les nanoporteurs lipidiques (NLC), ont été développés. Les liposomes ont été préparés par la technique d'injection d'éthanol. La technique appliquée pour la préparation des nanoparticules lipidiques était l'homogénéisation à haute vitesse. La taille, l'efficacité d'encapsulation du DPB ainsi que les profils de libération ont été satisfaisants. De plus la nébulisation de ces systèmes et la modélisation mathématiques de la déposition in vitro ont révélé des résultats prometteurs. Finalement, une technique de production des liposomes utilisant un réacteur membranaire a été étudiée pour une production à grande échelle / The objective of this work was to prepare and to characterize lipidic nanocarriers systems encapsulating the beclomethasone dipropionate (BDP) and adapted to the nebulized pulmonary drug delivery. Two types of lipidic carriers: the liposomes and the lipidic nanoparticles including the solid lipid nanoparticles (SLN) and the nanostructured lipid carriers (NLC) were developed. Liposomes were prepared by the optimised ethanol injection based technology. The lipid nanoparticles were prepared by using the high shear homogenization process. Small sized particles, with high BDP encapsulation efficiency as well as a prolonged release effect in vitro were successfully obtained. Furthermore, the nebulized suspensions characteristics and deposition mathematical simulation in vitro revealed promising results. Finally, a liposomes production technique using a membrane contactor was investigated in order to produce large batches

Les maladies allergiques constituent une part importante des préoccupations de santé publique. Parmi elles, la maladie du poumon d’éleveur d’oiseaux (PEO) est une pathologie respiratoire liée à l’inhalation répétée de protéines antigéniques, localisées dans les fientes, les plumes et les squames des oiseaux. Actuellement, on connait peu de chose sur la nature des antigènes impliqués dans la maladie.La mise en évidence d’immunoglobulines G (IgG) spécifiques des agents étiologiques est un élément important dans la prise en charge diagnostique et thérapeutique. L’objectif de la thèse est d’identifier les protéines antigéniques de pigeon et de les produire par génie génétique afin de développer un test sérologique efficace et standardisé de type ELISA. L’approche immuno-protéomique développée combine l’utilisation d’analyses sérologiques (western blot, ELISA) et l’identification par spectrométrie de masse des protéines antigéniques et des protéines totales (shotgun) des fientes, squames et sérum de pigeon. Ainsi, 14 protéines antigéniques principalement localisées dans les fientes et les squames de pigeon ont été identifiées et 2 protéines recombinantes ont été produites, puis testées en ELISA. Les protéines recombinantes Immunoglobulin-lambda-like polypeptide-1 et Proprotéinase E sont très performantes pour le diagnostic sérologique du PEO avec une spécificité et une sensibilité respectives de 100% et 84%. Des protéines orthologues, potentiellement impliquées dans les réactions antigéniques croisées ont été identifiées à partir des fientes de perruche et de poule. Ce travail a permis d’identifier les protéines antigéniques des fientes de pigeon, d’apporter des précisions sur leur localisation, et de développer des antigènes recombinants standardisés et performants pour améliorer le diagnostic sérologique du PEO. Des études complémentaires, sur des modèles animaux et cellulaires, devront être menées pour explorer l'implication de ces protéines dans l'induction de la maladie. / Allergic diseases represent one of the most important public health concerns. Among them, Bird Fancier’s Lung disease (BFL) is a respiratory illness associated with repeated inhalation of antigenic proteins, present in bird droppings, feathers and blooms. Currently, little is known about the nature of the antigens involved in the disease. The detection of immunoglobulin G (IgG) specific etiologic agents is an important factor in diagnostic and therapeutic management.The objective of this thesis is to identify the antigenic proteins of pigeons and to produce them by genetic engineering in order to develop an effective and standardized ELISA-type serological test. The immuno-proteomic approach created combines the use of serological analyses (western blot, ELISA) and the identification by mass spectrometry of antigenic proteins and total proteins (shotgun) of pigeon droppings, blooms and serum. Thus, 14 antigenic proteins mainly located in droppings and blooms were identified, and 2 recombinant proteins were produced and then tested with ELISA.The recombinant proteins Immunoglobulin-lambda-like polypeptide-1 and Proproteinase E are highly effective for the serological diagnosis of BFL,with specificity and sensitivity rates of 100% and 84%, respectively. Orthologous proteins potentially involved in cross-antigen reactions were identified from budgerigar and hen droppings. This work made it possible to identify the antigenic proteins of pigeon droppings, to provide further details on their location, and to develop standardized and efficient recombinant antigens to improve the serological diagnosis of BFL.Additional studies on animals and cell models will be needed to explore the role of these proteins in the induction of the disease.

Le but principal de ce projet est de préparer l’implantation clinique du système Clarity qui utilise une sonde ultrasonore pour visualiser l’anatomie interne du patient. Ce système est utilisé pour les cas de prostate et nécessite d’être adapté pour les cas de poumon. L’utilité de ce système est de suivre un substitut afin d’inférer la position d’une tumeur pulmonaire. L’hypothèse de cette étude est qu’un substitut interne serait mieux corrélé avec une tumeur pulmonaire que le seraient des marqueurs externes. Les sous-objectifs sont : 1) aborder l’adaptation du montage pour faire des acquisitions sur des patients ; 2) explorer la performance des algorithmes de détection de mouvements ainsi que des métriques de qualité d’image sur des images US et ciné IRM; 3) démontrer que la corrélation entre un substitut interne et une structure pulmonaire est plus grande que celle avec un substitut externe. Pour les acquisitions d’images US, la sonde est placée sur les volontaires et fixée à la table de traitement à l’aide d’un bras mécanique. Il a été démontré qu’une pression insuffisante peut causer une perte de signal dû à la forme curviligne de la sonde. La diminution de la moyenne des intensités de l’image et de l’écart-type confirme une perte de signal lors d’amplitudes respiratoires élevées justifiée par une perte de contact entre la sonde et la peau malgré la fixation de la sonde. Entre les algorithmes de corrélation croisée normalisée (NCC), d’erreur moyenne quadratique (RMS) et de flux optique, la méthode NCC semble la plus robuste pour suivre le substitut interne (structure dans le foie) dans les images IRM pour 5/9 volontaires sains ( = 0, 050). Cette méthode est utilisé présentement pour les cas de prostate. Le flux optique s’est montré plus efficace pour des cas spécifiques ce qui démontre l’intérêt d’adapter l’algorithme pour les cas de poumons. Enfin, il a été démontré sur les images IRM qu’un substitut interne au niveau du foie est plus efficace pour la majorité des volontaires (8/9) en comparaison avec un marqueur sur la peau placé dans la région abdominale. Le marqueur abdominal possède une meilleure corrélation qu’un marqueur thoracique (9/9) illustrant l’importance du positionnement d’un marqueur externe pour le suivi d’une tumeur pulmonaire. / The main objective of this thesis is to prepare the clinical implementation of the Clarity ultrasound system for indirect lung tumours tracking using a surrogate. It is currently used for motion management during prostate treatments and requires adaptation. Our hypothesis is that an internal marker would have a better correlation with the tumour’s position than an external surrogate. The sub-objectives are : 1) test different setups for the image acquisition on patients ; 2) explore the algorithms’ performance for motion detection as well as the image quality metrics on US and dynamic MRI images ; 3) evaluate the correlation between surrogates and a lung structure to determine which performs best. The ultrasound probe is fixed on the treatment couch for the acquisition on healthy volunteers using a mechanical arm. Low pressure on the patient’s skin results in a loss of signal due to the curvilinear shape of the probe. We observed a loss of contact between the probe and the volunteers’ skin due to ample movements causing a deterioration of the image quality. We tested three different motion detection algorithms on dynamic MRI images : normalized cross-correlation (NCC), root mean square error (RMS) and optical flow. The NCC algorithm is the most robust out of the three for 5/9 volunteers for the internal surrogate tracking ( < 0.050). In specific cases, the optical flow method performed better indicating an interest in developping a new algorithm for indirect lung tracking. Finally, the correlation between the surrogates and a lung structure were calculated using the MRI images. The internal surrogate inside the liver was proven more efficient for indirect lung tumour tracking for 8/9 volunteers. External markers give a greater prediction error. It has also been shown that the positioning of the external marker on the patient’s skin impacts the correlation. The abdominal marker is better than the thoracic one for all the volunteers.

Le cancer du poumon est la principale cause de décès par cancer chez les hommes et les femmes dans le monde. Malgré les avancées majeures dans les traitements, les thérapies à base de platine restent la thérapie standard pour les patients atteints du cancer du poumon induit par la mutation KRAS. Bien que les composés de platine aient un premier effet sur ces patients, l’apparition d’une rechute constitue le principal défi au niveau clinique.Dans ce contexte, notre projet actuel vise à caractériser l’activation de la voie Notch dans la réponse aux sels de platines d’adénocarcinomes mutés pour K-Ras ainsi que son rôle dans l’acquisition de la résistance à ce traitement. Nous avons mis en évidence que la voie Notch est activée en réponse à divers agents induisant des dommages à l’ADN dans des lignées de cancer du poumon. Nous avons montré que cette activation est dépendante de la voie de checkpoint de Réponse aux Dommages de l’ADN (DDR) via ATM, ATM qui est une des principales kinases de la réponse cellulaire aux lésions de l’ADN telles que les cassures double-brin, causé notamment par la chimiothérapie conventionnelle. Parmi les nombreux substrats d’ATM en réponse à ces dommages, nous montrons un effet direct de MDM2 dans l’activation de la voie Notch en réponse aux dommages à l’ADN causé par le carboplatine. Nos données montrent une nouvelle interaction entre ATM, MDM2 et Notch, lors du traitement au carboplatine, qui pourrait jouer un rôle dans la cascade de signalisation favorisant la survie des cellules tumorales pulmonaires.En utilisant des xénogreffes dérivées de patients atteints d’adénocarcinomes du poumon, ainsi qu’un modèle cellulaire de xénogreffe résistant à la carboplatine, nous avons montré que l’association d’inhibiteurs de Notch et de MDM2 associé au traitement au carboplatine ont un effet accru sur le ralentissement de la croissance de la tumeur et sur la survie, en comparaison avec le traitement actuel de référence que représente le carboplatine.Nos résultats offrent une nouvelle possibilité de thérapie pour les adénocarcinomes de poumons mutés pour KRAS, et pourrait donc répondre à un besoin clinique urgent notamment pour contrecarrer la résistance aux chimiothérapies conventionnelles à base de sels de platine. / Lung cancer is the leading cause of cancer death among men and women worldwide. Despite the major advances in the treatments, platinum-based therapy remains the standard of care for patients affected by KRAS-driven lung cancer. Even though the platinum-compounds display an initial effect on these patients, the onset of the relapse constitutes the main challenge for the clinic. The molecular mechanisms underlying lung adenocarcinoma (LUAD) relapse are not completely elucidated yet, thus it is fundamental to understand them in order to improve survival of patients. Our data show that upon carboplatin treatment, the Notch pathway is activated in vitro. Since this effect was common for several other DNA damage insults, our driving hypothesis connected the DNA Damage Response (DDR) to the activation of the Notch pathway. Our data demonstrates that protein kinase ataxia telangiectasia-mutated (ATM) is a key mediator in the activation of the Notch pathway during DNA damage signalling. ATM is well-known as the chief mobilizer of the cellular response to the most toxic lesions to the DNA, the double-strand breaks which are also the type of damage caused by the conventional chemotherapy. Among the several substrates of ATM in response to the damage, there is the mouse double minute 2 protein (MDM2) that it is known to interact with the Notch pathway. Our data uncovered a new pathway connecting ATM, MDM2 and NICD during carboplatin treatment in LUAD cells.Using LUAD Patient-Derived Xenografts and a new generated carboplatin resistant cellular model, we show in vivo that the combination of Notch and MDM2 inhibitors with carboplatin showed a therapeutic benefit in tumour growth and survival compared to the standard of care, i.e. carboplatin.Our results can offer a new therapeutic window for KRAS-driven LUAD that become resistant to platinum-based therapy, hence tackling an urgent and unmet clinical need.

Les particules atmosphériques sont responsables de 3,2 millions de morts par an, cette mortalité faisant suite à des cardiopathies, bronchopathies ou encore des cancers. De nombreuses études épidémiologiques et mécanistiques associent l’augmentation de la prévalence des cancers pulmonaires avec l’exposition à la pollution atmosphérique et aux particules fines (PM2.5), d’où leur classification très récente comme cancérogène avéré pour l’homme par le Centre International de Recherche contre le Cancer (CIRC groupe 1). Les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la pathogénicité pulmonaire des polluants atmosphériques restent encore très controversés, ceci étant notamment lié à l’utilisation de modèles de culture cellulaire très éloignées des conditions in vivo. De plus, les PM2.5 présente une complexité physico-chimique (taille, nombre, morphologie et composition chimique) et une grande variabilité temporelle. En effet, ces particules sont constituées de nombreux polluants toxiques organiques, notamment des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), ou encore des métaux, et ce à des teneurs parfois importantes. La complexité de leur composition rend les données toxicologiques difficilement interprétables, d’autant plus que la majorité des études toxicologiques publiées jusqu’à récemment ont souvent négligé la détermination de leur caractéristiques physico-chimiques.Mon projet de thèse a pour objectif d’évaluer le rôle des PM2.5, prélevées sur un site urbain (Lille), dans la cancérogenèse pulmonaire et ce, par une approche pluridisciplinaire qui permettra d’établir un lien étroit entre la physico-chimie et la toxicologie de ces particules.La première partie de mon projet est consacrée aux prélèvements des PM2.5, à Lille, au cours de deux saisons contrastées, et à l’évaluation de leurs principales caractéristiques physico-chimiques, à savoir leur granulométrie, leur composition chimique (métaux et HAP) ou encore leur bioaccessibilité dans des milieux de culture cellulaire ou des fluides bronchiques.La seconde partie consiste au développement d’un modèle de cellules épithéliales bronchiques humaines, issues de sujets sains et de patients atteints de Broncho-Pneumopathies Chroniques Obstructives (BPCO), différentiées à l’interface air/liquide, puis exposées de manière réitérée à des concentrations relativement faibles des PM2.5 prélevées à Lille. Ce modèle innovant permet de mieux intégrer un certain nombre de facteurs liés à la préexistence d’un état inflammatoire chronique et d’obtenir un état de différenciation cellulaire le plus proche possible des conditions d’exposition in vivo. Sur ce modèle cellulaire, après exposition, le phénotype inflammatoire, l’état de stress oxydatif ainsi que les modifications génétiques et épigénétiques sont étudiés.Les résultats de ce travail contribueront par une approche pluridisciplinaire à mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à la toxicité voire la cancérogénicité des PM2.5, et à expliquer pourquoi les individus atteints de BPCO sont plus sensibles que les sujets sains à l’exposition à long terme à des niveaux usuels de PM2.5. / Atmospheric particles are responsible for 3.2 million deaths per year, this mortality is due to heart diseases, bronchial diseases or cancers. Numerous epidemiological and toxicological studies associate the lung cancer prevalence increase with exposure to air pollution and particularly fine particulate matter (PM2.5). PM2.5 were recently classified as carcinogen to humans by International Agency for Research in Cancer (IARC group 1). Cellular and molecular mechanisms involved in air pollutants pulmonary pathogenicity are still very controversial. This is particularly related to the use of cell culture models far from in vivo conditions. In addition, PM2.5 have a physico-chemical complexity (size, number, morphology and chemical composition) and a high temporal variability. Indeed, these particles contain many toxic organic pollutants, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), or metals, and sometimes at significant levels. The complexity of their composition makes the toxicological datas difficult to interpret, especially as the majority of toxicological studies published until recently have often overlooked the determination of their physicochemical characteristics.My thesis project aims at assessing the role of PM2.5, sampled on an urban site (Lille), in lung carcinogenesis through a multidisciplinary approach which will establish a tight connection between chemistry and toxicology of these particles.The first part of my project consisted of the PM2.5 sampling, in Lille, during two contrasting seasons, and the evaluation of their main physical and chemical characteristics, as their size, chemical composition (metals and PAHs ) or their bioavailability in cell culture media or bronchial fluids.The second part consisted of the development of human bronchial epithelial cells from healthy subjects and patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD), differentiated in air / liquid interface conditions, and exposed to repeated low concentrations of PM2.5 collected in Lille. This innovative model better integrates a number of factors related to the pre-existence of a chronic inflammatory state and gets the closest cell differentiation state possible to the in vivo exposure conditions. On this cellular model, after exposure, the inflammatory phenotype, the oxidative state as well as genetic and epigenetic status were studied.Using a multidisciplinary approach, the results of this work will contribute to better understand the molecular mechanisms related to PM2.5 toxicity or carcinogenicity, and to explain why COPD patients are more sensitive than healthy people to PM2.5 long term exposure.

La fonction respiratoire chez l'homme est indissociable du mouvement de déformation du poumon : les échanges gazeux entre l'organisme et son environnement sont rendus possibles, lors de l'inspiration, par le gonflement des alvéoles du parenchyme pulmonaire, et lors de l'expiration, par un retour passif à l'état d'équilibre statique du poumon. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction même de cet organe. Ces éléments de la mécanique respiratoire pourraient être des biomarqueurs très sensibles de l'état physiopathologique du poumon puisqu'ils dépendent de la structure des tissus et des conditions biologiques qui sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. L'imagerie par résonance magnétique permet aujourd'hui, de manière non-invasive, l'obtention d'images anatomiques tridimensionnelles permettant, grâce aux résolutions spatiales et temporelles accessibles ainsi qu'aux contrastes riches observés au sein des tissus mous, la mesure de l'état de déformation d'un organe à un instant donné. Par ailleurs, par l'application de gradients d'encodage du mouvement, l'élastographie par résonance magnétique permet de suivre, sur la phase du signal de résonance magnétique, la réponse des organes à une contrainte mécanique externe afin de révéler leurs propriétés viscoélastiques, ce qui permet d'envisager l'exploration quantitative et spatialement résolue d'organes profonds que la main du médecin ne peut atteindre. Dans le poumon, l'IRM conventionnelle est cependant relativement inadaptée : la faible densité tissulaire, les grandes différences de susceptibilité magnétique à l'interface entre le gaz et le tissu et, corrélativement, les très faibles durées de vie du signal de résonance magnétique, conduisent à des rapports signal-à-bruit difficilement exploitables. De plus, les durées des acquisitions IRM tridimensionnelles sont généralement supérieures à la période du mouvement respiratoire, ce qui nécessite de prendre en considération ce mouvement au sein du processus d'imagerie. Ce projet de thèse, réalisé en collaboration avec GE Healthcare, vise à contourner les limitations citées précédemment en s'appuyant sur des techniques d'acquisition à temps d'écho sub-milliseconde de type UTE et ZTE, associées à des approches originales et innovantes de suivi intrinsèque des mouvements physiologiques ainsi qu'à des techniques de reconstruction d'images quadridimensionnelles tenant compte à la fois du mouvement respiratoire, de la redondance de l'information entre les différents canaux d'acquisition de données et de la parcimonie des images reconstruites à travers certaines représentations mathématiques. L'objectif ultime du projet est le développement et la validation de techniques d'exploration fonctionnelle respiratoire locales et quantitatives, mais aussi d'élastographie dynamique du poumon par résonance magnétique, afin d'extraire les paramètres ventilatoires et les modules viscoélastiques de cisaillement locaux du poumon au cours du cycle respiratoire. / The respiratory function in human cannot be separated from the deformation motion of the lung: the gas exchanges between the organism and its environment are made possible, during the inspiration, by the swelling of the alveoli in the pulmonary parenchyma, and during the expiration, by a passive return to the static equilibrium state of the lung. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the function of this organ. These elements of respiratory mechanics may prove to be very sensitive biomarkers of the pathophysiological state of the lung since they depend on the structure of tissues and biological conditions that are considerably altered by most pulmonary diseases such as cancer, emphysema, asthma or interstitial fibrosis. Magnetic resonance imaging enables non-invasive measurement of three-dimensional anatomical images that allow, thanks to the accessible spatial and temporal resolutions as well as the rich contrasts observed in the soft tissues, the measurement of the deformation state of an organ at a given moment. Moreover, by applying motion encoding gradients, magnetic resonance elastography gives the possibility to follow, onto to the magnetic resonance phase signal, the mechanical strain response of organs to an external mechanical stress in order to reveal their viscoelastic properties, which makes possible a quantitative and spatially-resolved exploration of deep organs that are nor reachable by the medical doctor's hand. In the lung, conventional MRI is, however, relatively difficult: the low tissue density, the large differences in magnetic susceptibility at the interface between gas and tissue and, correlatively, the very short lifetimes of the magnetic resonance signal, lead to signal-to-noise ratios that are difficult to exploit. In addition, the durations of three-dimensional MRI scans are generally longer than the period of the respiratory motion, which requires consideration of this motion within the imaging process. This PhD project, carried out in collaboration with GE Healthcare, aims at circumventing the limitations mentioned above by using UTE and ZTE sub-millisecond echo-time acquisition techniques, combined with original and innovative approaches of intrinsic physiological motions monitoring as well as four-dimensional image reconstruction techniques taking into account the respiratory motion, the redundancy of information between the different data acquisition channels and the sparsity of the reconstructed images through some mathematical representations. The ultimate goal of this project is the development and the validation of local and quantitative techniques to explore the respiratory function, as well as dynamic magnetic resonance lung elastography, in order to extract local ventilation parameters and viscoelastic shear moduli in the lung during the breathing cycle.

En épidémiologie des rayonnements ionisants, les erreurs de mesure d’exposition et l’incertitude sur le calcul de la dose absorbée à l’organe constituent des sources d’incertitude importantes entrant en jeu dans la modélisation et l’estimation des relations dose-réponse d’intérêt. Celles-ci peuvent être de nature très complexes dans le cadre d’études de cohortes professionnelles et sont ainsi rarement prises en compte dans ce domaine. Pourtant, lorsque les erreurs de mesure d’exposition ne sont pas ou mal prises en compte, elles peuvent mener à des estimateurs de risque biaisés, à une perte de puissance statistique ainsi qu’à une déformation de ces relations dose-réponse. L’objectif de ce travail est de promouvoir l’utilisation de l’approche hiérarchique bayésienne pour la prise en compte explicite et simultanée des erreurs de mesure d’exposition et des incertitudes de dose intervenant dans les estimations de risques sanitaires radio-induits dans les études de cohortes professionnelles. Plus spécifiquement, des modèles hiérarchiques ont été proposés et inférés afin d’affiner l’estimation actuelle du risque de décès par cancer du poumon associé à une exposition chronique et à faibles doses au radon et ses descendants à vie courte à partir de données issues de la cohorte française des mineurs d’uranium. Ces modèles, connus pour leur souplesse et leur pertinence pour la prise en compte de sources d’incertitude multiples et complexes, sont basés sur une combinaison de sous-modèles probabilistes conditionnellement indépendants. Afin de quantifier l’impact de l’existence d’erreurs de mesure d’exposition partagées et non-partagées sur l’estimation du risque et sur la forme de la relation exposition-risque dans les études de cohortes professionnelles, une étude par simulations a été conduite dans laquelle différentes structures complexes mais réalistes d’erreurs de mesure (pouvant par ailleurs varier dans le temps) ont été considérées. Une élicitation de lois a priori reflétant l’incertitude relative au débit respiratoire - un paramètre important intervenant dans le calcul de la dose absorbée au poumon – a été conduite auprès de trois experts des conditions d’exposition dans les mines d’uranium française et des méthodes de combinaison de dires d’experts ont été mises en œuvre et comparées. Enfin, des algorithmes Monte-Carlo par Chaînes de Markov ont été implémentés sous Python pour mener l’inférence bayésiennes des différents modèles hiérarchiques proposés et ainsi, obtenir des estimations corrigées du risque de décès par cancer du poumon radio-induit dans la cohorte française des mineurs d’uranium. / In radiation epidemiology, exposure measurement error and uncertain input parameters in the calculation of absorbed organ doses are among the most important sources of uncertainty in the modelling of the health effects of ionising radiation. As the structures of exposure and dose uncertainty arising in occupational cohort studies may be complex, these uncertainty components are only rarely accounted for in this domain. However, when exposure measurement is not or only poorly accounted for, it may lead to biased risk estimates, a loss in statistical power and a distortion of the exposure-response relationship. The aim of this work was to promote the use of the Bayesian hierarchical approach to account for exposure and dose uncertainty in the estimation of the health effects associated with exposure to ionising radiation in occupational cohorts. More precisely, we proposed several hierarchical models and conducted Bayesian inference for these models in order to obtain corrected risk estimates on the association between exposure to radon and its decay products and lung cancer mortality in the French cohort of uranium miners. The hierarchical appraoch, which is based on the combination of sub-models that are linked via conditional independence assumptions, provides a flexible and coherent framework for the modelling of complex phenomena which may be prone to multiple sources of uncertainty. In order to compare the effects of shared and unshared exposure uncertainty on risk estimation and on the exposure-response relationship we conducted a simulation study in which we supposed complex and potentially time-varying error structures that are likely to arise in an occupational cohort study. We elicited informative prior distributions for average breathing rate, which is an important input parameter in the calculation of absorbed lung dose, based on the knowledge of three experts on the conditions in French uranium mines. In this context, we implemented and compared three approaches for the combination of expert opinion. Finally, Bayesian inference for the different hierarchical models was conducted via a Markov chain Monte Carlo algorithm implemented in Python to obtain corrected risk estimates on the lung cancer mortality in the French cohort of uranium miners associated with exposure to radon and its progeny.

Le cancer du poumon non-à-petites-cellules (CPNPC) représente 85% des cas de cancer du poumon. Cependant, les modèles utilisés de culture cellulaire en deux dimensions (2D) représentent partiellement les caractéristiques physiopathologiques du CPNPC. Notre objectif est de réaliser un modèle in vitro plus représentatif des caractéristiques de ce type de cancer. La culture tridimensionnelle (3D) dans laquelle les cellules forment un sphéroïde, est considérée comme un modèle plus fidèle aux tumeurs retrouvées chez les patients grâce à la structure et aux interactions intercellulaires du modèle. Pour mieux représenter le microenvironnement tumoral, nous intégrons une lignée cellulaire de fibroblastes dans le sphéroïde de CPNPC, afin d’imiter l’interaction entre cellules cancéreuses et cellules stromales. En effet, bien que les fibroblastes représentent un faible pourcentage des cellules au sein des tumeurs de CPNPC, elles jouent un rôle prépondérant dans la biologie tumorale et la réponse aux médicaments. Nous avons testé différentes lignées de fibroblastes et différents ratios de co-culture afin de déterminer les conditions optimales de notre modèle de co-culture 3D. Après 7 jours de co-culture, les cellules cancéreuses démontrent un potentiel migratoire plus élevé lorsque mesuré dans des chambres de Boydens. Cet effet n’est dépendant ni de la prolifération, ni d’un changement de phase dans le cycle cellulaire. Nous avons caractérisé la localisation des fibroblastes au sein du sphéroïde par des expériences de microscopie à fluorescence. L’expression de la protéine α-SMA du cytosquelette a aussi été déterminée par immunofluorescence. Nous avons par la suite établi un modèle de co-culture sur 24 jours afin de maximiser la communication entre les cellules cancéreuses et les fibroblastes. Ce modèle de co-culture long terme a par la suite été analysé selon son contenu en cytokines, chimiokines et métabolites. Enfin, nous avons réalisé un criblage de médicaments au jour 24 de notre co-culture long terme afin d’évaluer une réponse thérapeutique des cellules cancéreuses, dans des conditions plus semblables au microenvironnement tumoral. / Non-small cell lung cancer (NSCLC) accounts for 85% of all lung cancer cases. However, the two-dimensional (2D) cell culture models used represent partially the pathophysiological characteristics of NSCLC. Our goal is to develop an in vitro model that is more representative of the characteristics of this type of cancer. The three-dimensional (3D) culture, in which the cells form a spheroid, is considered to be a model more faithful to the tumors found in patients due to the structure and intercellular interactions of the model. In order to better represent the tumor microenvironment, we are integrating a fibroblast cell line into the spheroid of NSCLC to mimic the interaction between cancer cells and stromal cells. Although fibroblasts represent a small percentage of cells in NSCLC tumors, they play a major role in tumor biology and drug response. We tested different fibroblast cell lines and co-culture ratios to determine the optimal conditions of our 3D co-culture model. After 7 days of co-culture, the cancer cells show a higher migratory potential when measured in Boydens chambers. This effect is not dependent on proliferation or change of phase in the cell cycle. We characterized the localization of fibroblasts within the spheroid by fluorescence microscopy experiments. The expression and localization of the cytoskeletal protein α-SMA was also determined by immunofluorescence. We then established a 24-day co-culture model to maximize communication between cancer cells and fibroblasts. This long-term co-culture model was subsequently analyzed for cytokine, chemokine and metabolite content. Finally, we performed drug screening on day 24 of our long-term co-culture to evaluate a therapeutic response of cancer cells under conditions more similar to the tumor microenvironment.