Tumor acidosis is an important biomarker in cancer. We have developed a noninvasive imaging method, termed acidosis Chemical Exchange Saturation Transfer (acidoCEST) MRI to measure extracellular pH (pHe) in the tumor microenvironment. Chapter 1 introduces the importance of measuring tumor acidosis and presents various imaging modalities and their shortcoming to measure pHe. Chapter 2 describes the optimization of acidoCEST MRI for in vivo pHe measurement. The acidoCEST MRI protocol consists of a CEST-FISP acquisition and Lorentzian line shape fittings. We determined the optimal saturation time, saturation power and bandwidth, 5 sec, 2.8 µT and 90 Hz respectively. We also tried various routes of administration to increase contrast agent uptake in the tumor. We decided upon 200 µL bolus followed by 150 µL/hr infusion. The optimized acidoCEST MRI protocol was tested on a mammary carcinoma mouse model of MDA- MB-231. Our method can detect an increase in pHe in the bladder and tumor of the mice treated with bicarbonate. We used this optimized acidoCEST MRI method to measure pHe in lymphoma tumor model of Raji, Ramos and Granta 519 as described in Chapter 3. Pixel-wise pHe maps showed tumor heterogeneity. The pHe of Raji, Ramos and Granta 519 were determined to be mildly acidic with no significant difference. Chapter 4 describes the evolution of pixel-wise analysis in more detail. Besides the pHe map and spatial heterogeneity, we were able to determine the % contrast agent uptake. We monitored these biomarkers in two different mammary carcinoma mouse models, MDA- MB-231 and MCF-7 longitudinally and made comparisons between the different tumor models: MCF-7 were more acidic, more heterogeneous and faster growing than MDA- MB-231.

L’imagerie préclinique est devenue une ressource incontournable pour l’évaluation de paramètres physiopathologiques, pour le suivi du développement tumoral ainsi que pour le développement de thérapies anticancéreuses. Les évolutions technologiques apparues ces dernières années ont conduit au développement de nouvelles modalités d’imagerie ayant un fort potentiel de translation vers la clinique. Ce manuscrit présente diverses approches par imagerie échographique, photoacoustique et de fluorescence dans le proche infrarouge pour le suivi de la pathologie cancéreuse. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de l’hypoxie et son suivi au cours du temps dans différents modèles de cancers humains. Différentes stratégies d’imagerie multimodale ont ensuite été mises en oeuvre pour évaluer l’efficacité d’une nouvelle prodrogue thérapeutique permettant la libération d’une molécule active dans le proche environnement tumoral sur des modèles humains de tumeurs pancréatiques, mammaires, pulmonaires. Enfin, dans un contexte de recherche translationnelle, nous avons exploré le potentiel de l’imagerie photoacoustique et de la fluorescence infrarouge pour la mise en évidence de l’invasion ganglionnaire tumorale en mettant en oeuvre des modèles de ganglions sentinelles minimalement envahis. Au cours de ce travail, nous avons montré l’intérêt du suivi de l’hypoxie tumorale en onco-pharmacologie et mis en évidence le fort potentiel de l’imagerie PA pour les approches translationnelles en oncologie. La principale limitation correspond à la profondeur relativement faible des régions explorables, mais ce point suscite actuellement de nombreux développements technologiques. Les études de faisabilité réalisées ainsi que la validation de protocoles de preuves de concept permettront l’exploitation en routine de ces nouvelles modalités d’imagerie. / Preclinical imaging has become an unavoidable step for pathophysiological parameters assessments, for the follow up of tumor growth and for the anticancer therapies development. Technological improvements have emerged in recent years, allowing the emergence of new imaging modalities with a high potential for translation into clinical practice. This manuscript presents several approaches by ultrasound imaging, photoacoustics and near infrared fluorescence in order to monitor the cancer pathology. Initially, we focused on the characterization of hypoxia and its longitudinal assessment in various preclinical models of human cancers. Various multimodal imaging strategies were implemented to assess the efficacy of a new therapeutic prodrug allowing the release of an active molecule in the tumor microenvironment on human models of pancreatic, breast and lung tumors. Finally, in a context of translational research, we explored the potential of photoacoustic and near infrared fluorescence imaging to highlight the lymph node invasion by cancer cells implementing minimally invaded sentinel lymph node models. In this work, we have shown the interest in monitoring the tumor hypoxia in onco-pharmacology and highlighted the high potential of photoacoustic imaging for oncology translational approaches. The main limitation is the relatively shallow depth of regions that we can explore, but this point is currently subject to many technological developments. Feasibility studies performed and validation of proof of concept protocols will enable routine exploitation of these new imaging modalities.

Ce travail de thèse réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne porte dans un premier temps sur la synthèse d’agents chélatants bifonctionnels adaptés à la chélation de radiométaux trivalents, notamment l’indium-111. La plus grande partie de ce travail a ensuite consisté à réaliser le greffage d’un agent chélatant bifonctionnel dérivé du DOTA sur différents anticorps ou fragments d’anticorps monoclonaux : le trastuzumab (anti HER2, traitement de cancers du sein), le cétuximab (anti EGFR, traitement de nombreux cancers, dont le cancer colorectal) et l’abciximab (antiagrégant plaquettaire). Une attention particulière a été apportée à la caractérisation des différents immunoconjugués. La dernière étape de ce travail de thèse porte sur le radiomarquage à l’indium-111 de deux immunoconjugués préparés : le trastuzumab et le cétuximab. Ces étapes de radiomarquage nous ont permis de déterminer la fraction immunoréactive et l’affinité de chaque radiotraceur. Nous avons ainsi pu étudier la biodistribution in vivo de ces radiotraceurs chez la souris par imagerie SPECT-CT. Nous avons également développé une méthode de greffage originale pour le marquage d’un fragment d’anticorps de type Fab, l’abciximab, dans le but de suivre la biodistribution de cet antiagrégant plaquettaire. Enfin, nous avons également validé le concept d’imagerie multimodale à travers le greffage et le radiomarquage d’un agent bimodal pour l’imagerie optique et la SPECT sur des lipopolysaccharides bactériens. Les travaux réalisés nous ont permis d’acquérir un savoir faire en matière de greffage d’anticorps et de radiomarquage. Les résultats obtenus permettent d’envisager le greffage d’autres anticorps ou biomolécules, ainsi que l’utilisation d’autres radionucléides pour l’imagerie PET ou la radioimmunothérapie / This work conducted at the “Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne” carries at first on the synthesis of bifunctional chelating agents suitable for the chelation of trivalent radiometals, including indium-111. The greater part of this work was then dedicated to the grafting of a DOTA derivative bifunctional chelating agent on different antibodies or fragments of monoclonal antibodies: trastuzumab (anti-HER2 treatment of breast cancer), cetuximab (anti EGFR, treatment of many cancers, including colorectal cancer) and abciximab (antiplatelet). Particular attention was paid to the characterization of various immunoconjugates. The critical step of this thesis consisted in the indium-111 radiolabeling of two previously prepared immunoconjugates: trastuzumab and cetuximab. These steps of radiolabelling allowed us to determine the immunoreactive fraction and affinity of each radiotracer. Thus, we were able to study the in vivo biodistribution of the radiotracers in tumour-bearing mice by SPECT-CT. We also developed an original method for the labeling of a Fab antibody fragment in order to monitor the biodistribution of the antiplatelet agent (abciximab). Finally, we also validated the concept of multimodal imaging through grafting and radiolabeling of a bimodal agent for optical and SPECT imaging on bacterial lipopolysaccharide. Thank’s to this work, we gained an expertise in antibodies radiolabeling. The results obtained allow to consider the labeling of antibodies or other biomolecules, and the use of other radionuclides for PET imaging and radioimmunotherapy

La micro-tomodensitométrie à rayons X (dite micro-CT, CT = Computed Tomography), est une technique d’imagerie de haute résolution qui consiste d’une part à mesurer l’absorption des rayons X par les tissus, et d’autre part de reconstruire les images et les structures anatomiques en 3 dimensions par traitement informatique. L’agent de contraste est une substance capable d’améliorer la visibilité des structures d’un organe ou d’un liquide organique in vivo. Ce travail de thèse a eu pour objectif le développement d’agents de contraste iodés sous formes de nano-émulsions pour des applications précliniques en imagerie biomédicale. Nous nous sommes proposés d’étudier d’une part des nano-émulsions iodées afin d’avoir une longue rémanence vasculaire in vivo, une meilleure biocompatibilité et d’autre part de mettre au point une synthèse et une formulation plus simples que celles des agents de contraste nanoparticulaires commercialisés. Trois différentes huiles iodées ont été synthétisées et utilisées comme partie contrastante dans les nano-émulsions. Enfin, les nano-émulsions de l’α-tocophérol iodé nous ont permis d’atteindre l’objectif de cette thèse. Ces nano-émulsions iodées ont montré une très bonne biocompatibilité et combinent à la fois les propriétés d’un agent de contraste à longue rémanence vasculaire et un agent de contraste spécifique du foie. / The X-ray microtomography (called mico-CT, CT = Computed Tomography) is a high-resolution X-ray tomography, uses X-rays to create cross-sections of a 3D-object that later can be used to recreate a virtual model without destroying the original model. The contrast agent is a substance used to enhance the contrast of structures or fluids within the body in medical imaging. The purposes of the thesis were the development of iodine-containing nano-emulsion based contrast for preclinical applications in biomedical imaging. We proposed to study blood pool contrast agents based on iodine-containing nano-emulsions and to develop simpler procedure for the preparation of these iodine-containing nano-emulsions. Three different iodinated oils were synthesized and used as the contrasting part in the nano-emulsions. Finally, nano-emulsions of iodinated α-tocopherol have been enabled us to achieve the purpose of the thesis. These iodinated nano-emulsions demonstrated very good biocompatibility and showed prolonged and significant contrast enhancement in both bloodstream and liver tissues.

Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una potente técnica de imagen que proporciona mediante el uso de radiofármacos específicos medidas cuantitativas de los procesos biológicos y fisiológicos que tienen lugar en el organismo a nivel molecular. Las imágenes PET proporcionan información funcional que permite el diagnóstico precoz y el seguimiento personalizado del tratamiento terapéutico. La PET tiene aplicaciones en diversas áreas clínicas y de investigación, como la oncología, la neurología o la cardiología, entre otras. Los esfuerzos por mejorar las prestaciones de los sistemas PET se centran en aumentar su sensibilidad y calidad de imagen, lo que permite una evaluación clínica más precisa. En las imágenes PET, se inyecta al paciente un radiotrazador marcado con un radionúclido emisor de positrones que se distribuye por todo el cuerpo. Durante la desintegración radiactiva del trazador, el isótopo emite un positrón que se aniquila con un electrón del tejido circundante, generando dos rayos gamma de 511 keV emitidos a aproximadamente 180º. La técnica PET se basa por tanto en la detección simultánea de estos dos rayos gamma, denominados fotones de aniquilación, empleando habitualmente un anillo de detectores alrededor del paciente. Mejorando el diseño y el rendimiento de estos detectores, se mejoran las capacidades diagnósticas que ofrece la imagen PET. Para aumentar el rendimiento, se ha sugerido utilizar detectores basados en diseños de cristales monolíticos, debido a sus ventajas en comparación con los detectores pixelados. Sin embargo, su implementación en escáneres comerciales requiere superar algunos retos relacionados principalmente con los métodos de posicionamiento y los procedimientos de calibración necesarios para proporcionar las coordenadas de impacto del fotón de aniquilación y el tiempo de llegada de los fotones. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y validación experimental de metodologías para la determinación precisa de esta información en detectores monolíticos, haciendo hincapié en su aplicación práctica también a sistemas PET completos. Durante esta tesis se han estudiado los principios fundamentales de los detectores PET monolíticos para comprender su comportamiento y limitaciones. En primer lugar, se han considerado las configuraciones típicas de detectores monolíticos basadas en bloques de centelleo continuo acoplados a matrices de SiPMs planas; además, también se han evaluado y validado otros enfoques novedosos. Se han desarrollado dos metodologías principales, una basada en técnicas analíticas y otra en algoritmos de Aprendizaje Profundo, para el posicionamiento 3D de la interacción del fotón con el fin de aumentar el rendimiento global del detector. Finalmente, los métodos propuestos han sido validados a nivel de detector, pero también en diferentes escáneres PET desarrollados en i3M. La presente tesis se basa en un compendio de los artículos más relevantes publicados en revistas revisadas por pares por el doctorando y está organizada de la siguiente manera. El Capítulo I presenta una introducción al trabajo de la tesis, compuesto por tres secciones: Imagen Médica, principios de la Tomografía por Emisión de Positrones y, Estimación de posición y calibración en detectores monolíticos. El Capítulo II contiene los objetivos específicos de esta tesis y las principales contribuciones del candidato a este campo. Este capítulo también incluye algunas metodologías y resultados recientes que aún no han sido publicados. El Capítulo III colecciona una copia de los cuatro artículos publicados seleccionados para el compendio, en los que el candidato es el primer autor [1]-[4]. En el Capítulo IV se discuten los principales resultados y conclusiones alcanzados durante la tesis. Por último, el Capítulo V presenta la discusión de esta tesis, resumiendo las principales contribuciones y destacando los logros científicos. / [CAT] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una potent tècnica d'imatge que proporciona mitjançant l'ús de radiofàrmacs específics mesures quantitatives dels processos biològics i fisiològics que tenen lloc en l'organisme a nivell molecular. Les imatges PET proporcionen informació funcional que permet el diagnòstic precoç i el seguiment personalitzat del tractament terapèutic. La PET té aplicacions en diverses àrees cliniques y d¿investigació, com l'oncologia, la neurologia o la cardiologia, entre altres. Els esforços per millorar les prestacions dels sistemes PET se centren en millorar la seua sensibilitat i qualitat d'imatge, la qual cosa permet una avaluació clínica més precisa més precís. En les imatges PET, s'injecta al pacient un radiotraçador marcat amb un radionúclid emissor de positrons que es distribueix per tot el cos. Durant la desintegració radioactiva del traçador, l'isòtop emet un positró que s'aniquila amb un electró del teixit circumdant, generant dos raigs gamma de 511 keV emesos a aproximadament 180º. La tècnica PET es basa per tant en la detecció simultània d'aquests dos raigs gamma, denominats fotons d'anihilació, emprant habitualment un anell de detectors al voltant del pacient. Millorant el disseny i el rendiment d'aquests detectors, es millora les capacitats diagnòstiques que ofereix la imatge PET. Per a augmentar el rendiment, s'ha suggerit utilitzar detectors basats en dissenys de cristalls monolítics, a causa dels seus avantatges en comparació amb els detectors pixelats. No obstant això, la seua implementació en escàners comercials requereix superar alguns reptes relacionats principalment amb els mètodes de posicionament i els procediments de calibració necessaris per a proporcionar les coordenades d'impacte del fotó d'anihilació i el temps d'arribada dels fotons. Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament i validació experimental de metodologies per a la determinació precisa d'aquesta informació en detectors monolítics, posant l'accent en la seua aplicació pràctica també a sistemes PET complets. Durant aquesta tesi s'han estudiat els principis fonamentals dels detectors PET monolítics per a comprendre el seu comportament i limitacions. En primer lloc, s'han considerat les configuracions típiques de detectors monolítics basats en blocs de centellege continu acoblats a matrius SiPM planes; a més, també s'han evaluat i validat altres enfocaments nous. S'han desenvolupat dues metodologies principals, una basada en tècniques analítiques i una altra en algoritmes d'Aprenentatge Profund, pel posicionament 3D de la interacció del fotó amb la finalitat d'augmentar el rendiment global del detector. Finalment, els mètodes proposats han sigut validats a nivell de detector però també en diferents escàners PET desenvolupats en i3M. La present tesi es basa en un compendi dels articles més rellevants publicats en revistes revisades per parells pel doctorand i està organitzada de la següent manera. El Capítol I presenta una introducció al treball de tesi, compost per tres seccions: Imatge Mèdica, principis de la Tomografia per Emissió de Positrons i, Estimació de posició i calibració en detectors monolítics. El Capítol II conté els objectius específics d'aquesta tesi i les principals contribucions del candidat a aquest camp. Aquest capítol també inclou algunes metodologies i resultats recents que encara no han sigut publicats. El Capítol III col·lecciona una còpia dels quatre articles publicats seleccionats pel compendi, en els quals el candidat és el primer autor [1]-[4]. En el Capítol IV es discuteixen els principals resultats i conclusions aconseguits durant la tesi. Finalment, el Capítol V presenta la discussió d'aquesta tesi, resumint les principals contribucions i destacant els assoliments científics. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a powerful imaging technique that provides quantitative measurements of biological and physiological processes occurring within the body at the molecular level by using specific radiopharmaceuticals. PET imaging returns functional information that allows for early diagnosis and personalized therapy treatment follow up. It has applications in several research and clinical areas, such as oncology, neurology or cardiology, among others. Efforts to improve PET systems performance are focused on increasing their sensitivity and image quality, allowing for more accurate clinical assessments. In PET imaging, a radiotracer labeled with a positron-emitting radionuclide is injected to the patient and consequently, distributed throughout the body. During the radiotracer decay, the isotope emits a positron that annihilates with an electron of the surrounding tissues, generating two 511 keV gamma-rays emitted at approximately 180º. The PET technique is based therefore on the simultaneous detection of these two gamma-rays, called annihilation photons, by usually employing a ring of detectors around the patient. Improving the design and performance of these detectors, increases the diagnostic capabilities of PET imaging. To boost PET performance, it has been suggested to use detectors based on monolithic crystals designs, due to their advantages compared to pixelated detectors. However, their implementation in commercial scanners requires overcoming some challenges mostly related to photon impact positioning methods and calibration procedures to provide the impact coordinates and time of arrival of the annihilation photons. This PhD thesis focuses on the development and experimental validation of methodologies for an accurate determination of this information in monolithic detectors, emphasizing in their practical application to full PET systems. During this thesis, the main principles of monolithic-based PET detectors have been studied to understand their behavior and limitations. Typical monolithic detector configurations based on continuous scintillation blocks coupled to flat SiPM arrays have been first considered; additionally, other novel approaches have been also validated. Two main methodologies for 3D photon interaction positioning, one based on analytical methods and another based on Deep Learning algorithms, have been developed to increase the overall detector performance. The proposed methods have been validated at the detector level but also in different PET scanners developed by our group. The present thesis is based on a compendium of the most relevant papers published in peer-reviewed journals by the PhD candidate and is organized as follows. Chapter I presents an introduction to the thesis work, composed by three sections: Medical Imaging, principles of Positron Emission Tomography and, Position estimation and calibration in monolithic-based detectors. Chapter II contains the specific objectives of this thesis and the main contributions of the candidate to the field. This chapter also includes some recent methodologies and results that have not yet been published. Chapter III collects an author copy of the four published articles selected for the compendium, in which the candidate is the first author [1]-[4]. In Chapter IV the main results and conclusion achieved during the thesis are discussed. Finally, Chapter V presents the discussion of this thesis, summarizing the main contributions and highlighting the scientific achievements. / Freire López-Fando, M. (2023). Implementation of New Algorithms for an Accurate Gamma-Ray Impact Determination in Scintillation Monolithic Blocks for PET Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196084 / Compendio