Les mécanismes physiopathologiques liés aux maladies neurodégénératives restent encore largement méconnus. Deux processus semblent être particulièrement en cause dans les phénomènes de neurodégénérescence : la neurotoxicité par afflux massif de calcium due à une activation excessive des récepteurs NMDA (GluN) et la neurotoxicité par déstabilisation du cytosquelette du neurone par le biais de la phosphorylation anormale de la protéine tau. L'imagerie moléculaire par le biais de la tomographie par émission de positons (TEP) et de radiotraceurs, en étudiant les mécanismes moléculaires in vivo, permet de détecter et quantifier ces phénomènes. Ce travail a eu pour objet d'étudier un dérivé de la mémantine, un antagoniste des GluN se fixant sur un site intra-canal accessible uniquement lorsque ces récepteurs sont activés ce qui en fait donc un vecteur d'imagerie intéressant pour étudier leur activation. Nous avons mis au point la synthèse d'un nouveau radiotraceur dérivé de la mémantine : la [18F]-FNM (Fluoroéthylnormémantine). Il s'agit d'une synthèse par substitution nucléophile d'un groupement tosylate par du [18F], suivie d'une hydrolyse acide. Cette synthèse est reproductible avec un rendement de 10%, son activité spécifique est > 355 GBq/µmol. Chez le rat, le traceur passe la barrière hémato-encéphalique et sa distribution cérébrale est bien corrélée avec la localisation des GluN (r=0.622, p<0.0001). Sa cinétique de fixation (40 minutes) est compatible avec son utilisation en TEP. En ce qui concerne les tauopathies, la protéine tau stabilise l'organisation microtubulaire. Lors d'une phosphorylation anormale, l'interaction avec les microtubules diminue et les protéines tau vont s'accumuler en formant des Paires de Filaments en Hélice (PHF). Nous avons optimisé la radiosynthèse de l' [18F]-AV1451 ciblant les PHF. Notre rendement de synthèse est de 30% et l'activité spécifique du traceur > 10 GBq/µmol. Nous avons réalisé des autoradiographies sur des coupes de cerveaux atteints de tauopathie et nous avons constaté la capacité du traceur à différencier les coupes saines des coupes malades. La production de cet outil dans notre centre va nous permettre d'étudier la présence de PHF chez le marmouset, un primate particulièrement intéressant dans l'étude du vieillissement. Nous avons donc réalisé la synthèse de deux radiotraceurs innovants : la [18F]-FNM et le [18F]-AV1451, les synthèses sont reproductibles et les rendements compatibles avec des productions de doses en recherche pré-clinique et clinique. / The pathophysiological mechanisms associated with neurodegenerative diseases remain largely unknown. Two processes appear to be particularly involved in the phenomena of neurodegeneration: neurotoxicity induced by massive influx of calcium caused by excessive activation of NMDA receptors (GluN) and neurotoxicity by destabilization of neuron cytoskeleton through abnormal protein tau phosphorylation. Molecular imaging through positron emission tomography (PET) and radiotracers, by studying the molecular mechanisms in vivo, allows to detect and quantify these phenomena. This work was intended to study a memantine derivative, a GluN antagonist. We chose to develop a ligand that selectively binds to the ion channel in the open and active state which therefore makes it an interesting vector to study their overactivation. We have developed the synthesis of a new memantine analogue radiotracer: the [18F]-FNM (Fluoroéthylnormémantine). This is a synthesis by nucleophilic substitution of a tosylate with [18F], followed by acid hydrolysis. This synthesis is reproducible with a yield of 10%, its specific activity was> 355 GBq / µmol. In rats, the tracer cross the blood-brain barrier and brain distribution correlates well with the location of GluN (r = 0.622, p <0.0001). The binding kinetics (40 minutes) is compatible with its use in PET. Regarding tauopathies, the tau protein stabilizes microtubule organization. During abnormal phosphorylation, interaction with microtubules and tau proteins decreases and tau will accumulate to form Paired helical Filament (PHF). We optimized the radiosynthesis of [18F] AV1451 targeting 3 tau PHF. Our yield of synthesis is 30% and the specific activity of the tracer> 10 GBq / µmol. We made autoradiography on brains sections and have shown tracer ability to differentiate healthy and pathological slices. This tool will allow us to study the presence of PHF in marmosets, a particularly interesting primate in the study of aging. So we performed the synthesis of two innovative radiotracers: the [18F]-FNM and [18F]-AV1451, syntheses are reproducible and yields compatible with doses manufacturing in pre-clinical and clinical research.

La maladie de Parkinson est la seconde pathologie neurodégénérative la plus fréquente après la maladie d’Alzheimer. Elle se manifeste par une mort progressive et continue des neurones dopaminergiques de la voie nigro-striée, accompagnée de troubles moteurs et non moteurs lourdement handicapants. La maladie de Parkinson touche près de 6,3 millions de personnes dans le monde, avec une répartition homogène sur l’ensemble de la planète. Il existe plusieurs thérapeutiques permettant de diminuer les symptômes des malades, dont les plus efficaces sont la dopa-thérapie et la stimulation cérébrale profonde. Toutefois, à ce jour, aucune stratégie visant à protéger les neurones dopaminergiques de la dégénérescence n’a démontré son efficacité chez l’humain. En parallèle, un nombre grandissant d’études montre le potentiel cytoprotecteur d’une illumination proche infrarouge. Récemment, plusieurs études ont démontré le potentiel neuroprotecteur de cette gamme de lumière sur des modèles rongeurs de la maladie de Parkinson. L’objectif du présent travail est de confirmer ce potentiel et d’optimiser son efficacité afin de préfigurer l’essai clinique à venir. Pour ce faire, avec les modèles MPTP souris et 6-OHDA unilatéral rat, nous avons étudié la faisabilité d’une illumination intracérébrale chronique, l’influence de la longueur d’onde, de la fenêtre temporelle de traitement (pré-, post-traitement), de la quantité globale d’énergie optique apportée (continu vs discontinu, nombre de flashs lumineux, énergie d’un seul flash), de la durée d’un flash et de la puissance optique appliquée sur l’efficacité thérapeutique. Nous démontrons ici la faisabilité d’une illumination intracérébrale chronique et son potentiel neuroprotecteur. Nous montrons par ailleurs que les longueurs d’onde 670 et 810 nm protègent toutes deux les neurones dopaminergiques dans nos modèles d’étude. Nous montrons une mise en place rapide des mécanismes de protection (< 20 min), et un maintien dans le temps pendant au moins 48 heures. De plus, nous observons qu’une illumination discontinue est préférable à une illumination continue. La quantité globale d’énergie optique appliquée semble ne pas avoir de rôle significatif sur l’efficacité du traitement. En revanche, il existe un seuil bas pour la puissance optique, qui semble régie par un effet « tout-ou-rien ». L’efficacité thérapeutique est également liée à la durée d’un flash lumineux, par « un effet en cloche », Tous ces résultats sont en adéquation avec la littérature scientifique qu’ils confirment et complètent. Couplés aux travaux sur primates non humains de mon équipe d’accueil, ils serviront de base de travail à la conception du futur essai clinique. / Parkinson’s disease is the second most common neurodegenerative disease, after Alzheimer disease. It is characterized by a slow, continuous death of dopaminergic neurons in the nigrostriatal pathway, followed by severe motor and non-motor symptoms. Parkinson’s disease affects 6.3 million peoples, with a homogeneous distribution worldwide.There are several symptomatic strategies applied in clinic, such as the dopa-therapy (gold standard) and the deep brain stimulation. However, theses therapeutical approaches are not neuroprotective. Indeed, to date, there is no strategy able to effectively slow or rescue the course of the disease. Alternatively, a growing number of studies show the cytoprotective potential of a near infrared illumination. Recently, several studies showed the neuroprotective potential of these wavelengths in rodent models of Parkinson disease.The aim of this work is to confirm and optimize the efficacy of a near infrared treatment in Parkinson’s disease, as the first step for the future clinical trial.We used the MPTP mice and the 6-OHDA unilateral rat models to assess the feasibility and the effectiveness of an intracerebral chronical illumination. We also measured the influence of the wavelength, the time window (pre-, post-treatment), the global optical energy delivered (continuous vs discontinuous, number of flashs, energy of one flash), the duration of one flash and the optical power on the therapeutical efficacy.We demonstrate here the feasibility of an intracerebral chronical illumination and its neuroprotective potential. We show that the 670 and 810 nm wavelengths both protect the dopaminergic cells in the rodent models, and produce a quick activation of the protective mechanisms (< 20 min). The neuroprotective effect stays effective at least 48 hours after the illumination. Moreover, we show that a discontinuous illumination seems better than a continuous one. The global optical energy delivered has no significant influence on the efficacy. In contrast, the optical power has an everything-or-nothing effect. The therapeutic efficacy is also flash duration dependent (bell effect).All these results confirm and complete the scientific literature. Together with the work on non-human primates from my team, these results will be useful to design the future clinical trial.

L’IRM est de plus en plus utilisée pour diagnostiquer et évaluer un très grand nombre de pathologies. Cette technique présente cependant deux inconvénients majeurs. En effet, les examens restent encore très longs (notamment en imagerie 3D) et la quantification est très difficile par rapport à d’autres modalités comme la tomographie par émission de positons. L’objectif de ce travail de thèse a été de diminuer significativement les temps d’acquisition nécessaires pour l’imagerie volumique et de développer des techniques quantitatives robustes, permettant d’effectuer des suivis longitudinaux.Pour cela, des méthodes innovantes ont été développées à très haut champ magnétique (7T) et validées sur des modèles murins sains et pathologiques. Trois développements majeurs sont ressortis de cette thèse. Tout d’abord, une mesure rapide des temps de relaxation longitudinale (T1) a été développée.Cette méthode basée sur une approche Look-Locker a été couplée avec un échantillonnage en empilement de spirales et a permis d’obtenir au niveau cardiaque des cartes T1 en 3D sur des souris saines et des modèles d’infarctus du myocarde en moins de 15 minutes. Ensuite, une approche dite« spiral-in » a été couplée avec une méthode de multi-échos de spin afin d’accélérer la mesure des temps de relaxation transversale (T2). Cette méthode a permis d’obtenir des cartes T2 en 3D sur des cerveaux de souris saines et métastatiques en moins de 20 minutes. Enfin, une approche hybride couplant les avantages de l’acquisition spiralée et ceux de l’échantillonnage radial a été développée.Cette méthode a été couplée avec une technique de Golden-Angle pour échantillonner aléatoirement l’espace de Fourier et a permis pour la première fois de visualiser une angiographie 3D d’un foie de souris en respiration libre en moins de 12 minutes. Toutes les méthodes développées dans ce travail ont été validées au niveau de leur robustesse et démontrent que l’IRM peut être une technique à la fois rapide et quantitative. Ces développements pourront être transférés vers la clinique dans de futurs travaux. / MRI is more and more used to diagnose and assess a wide range of pathologies. However, this technique is still limited by two disadvantages. Indeed, the acquisition times are too long(especially in 3D) and the quantification is still difficult compared to other techniques like positron emission tomography. The aim of this PhD project was to significantly reduce acquisition times required for 3D imaging and to develop robust quantitative techniques allowing longitudinal studies.To these ends, innovative methods have been developed at very high magnetic field (7T) and validated on healthy and diseased mouse models. Three major developments arose from this work. Firstly, a fast measurement of the longitudinal relaxation time (T1) has been developed. This method based on a Look-Locker approach was coupled with a sampling using stack-of-spirals and allowed to get T1 mapsin 3D in healthy and myocardial infarction models in less than 15 minutes. Then, a "spiral-in" approach was coupled with a multi spin echoes acquisition to accelerate the measurement of the transverse relaxation time (T2). This method allowed to get T2 maps in 3D of healthy and metastatic mouse brains in less than 20 minutes. Finally, a hybrid approach combining the advantages of the spiral acquisition with those of the radial sampling has been developed. This method has been coupled with a Golden-Angle technique for randomly sampling the k-space and allowed for the first time to display a 3Dangiography of a mouse liver in free breathing in less than 12 minutes. All the protocols developed inthis PhD project were validated in terms of robustness and showed that MRI can be a technique both rapid and quantitative. These developments will be transferred to the clinic in future works.

La SRM proton constitue un outil non invasif unique pour l'exploration biochimique quantitative des tissus vivants. Les deux études présentées dans cette thèse visent à maîtriser chacune des phases impliquées depuis l’acquisition des données jusqu’à l’estimation fiable et précise des profils métaboliques des tissus explorés. Des protocoles expérimentaux d’acquisition des signaux de spectrométrie de résonance magnétique proton in vivo à temps d’écho courts ont été définis puis optimisés pour une application pré-clinique (souris) sur un imageur 4.7T et pour une étude en environnement clinique menée à 1.5T. La première étude a permis de mesurer longitudinalement les altérations des métabolites cérébraux (N-acétyl-aspartate, choline, créatine, taurine) chez un modèle murin de neuro-inflammation sur un imageur 4.7T, et la seconde étude avait pour objectif la mesure de la quantité totale et la composition lipidique hépatique en environnement clinique à 1.5T chez des sujets stéatosiques. Des méthodes d’estimation des contributions métaboliques et lipidiques adaptées aux propriétés physiques de signaux ont été validées pour chacune de ces applications. Ces méthodes sont fondées sur des algorithmes de moindres carrés non linéaires. Des stratégies multi-tirages des valeurs initiales et des contraintes ont été favorablement validées. Les atouts et les originalités de ce projet reposent sur les développements synergiques des protocoles d’acquisitions et des méthodes de traitement du signal associées. Ces développements ont pour vocation d’enrichir la palette des informations biochimiques collectées pour l’aide au pronostic et diagnostic médical / The proton MRS is a unique non-invasive method to quantitative biochemical exploration of living tissues. The studies presented in this thesis aim to handle each one of the involved steps, from data acquisition to reliable and precise metabolic profile estimation of explored tissues. Protocols for experimental acquisition of in vivo, short echo-time magnetic resonance signals were defined, and optimized for a pre-clinical application (mice) on a 4.7T scanner and for a clinical study at 1.5T. The first study allowed yo measuring cerebral metabolite (N-acetyl-aspartate, choline, creatine, taurine) alterations along time in a murine model of neuro-inflammation on a 4.7T scanner and the second study aimed to measure the total quantity and the composition of liver fat in patients with hepatic steatosis in a clinical environment at 1.5T. Signal processing methods for metabolite and fat contribution estimates, coping with physical signal properties were validated for both studies. These methods are based on non-linear least squares algorithms. Multiple starting values and constraints strategies were successfully validated. The assets and the originality of this project are based on the synergic developments of acquisition protocols and the associated signal processing methods. These developments were designed to enrich the list of the biochemical information non-invasively measured, in order to help medical prognostic and diagnostic