Techniques médicales en plein essor suscitant d’importants espoirs thérapeutiques, les radiothérapies internes vectorisées (RIV) consistent à administrer un radiopharmaceutique pour traiter sélectivement les tumeurs. A l’heure actuelle, l’activité injectée au patient est généralement standardisée. Cependant, afin d’établir des relations dose-effet robustes et d’optimiser le traitement en préservant au mieux les tissus sains, une dosimétrie personnalisée doit être réalisée, à l’image des pratiques cliniques existant en radiothérapie externe. Dans ce cadre, l’objectif de la thèse était de développer, à l’aide du logiciel OEDIPE, une méthode de dosimétrie personnalisée reposant sur des calculs Monte Carlo directs. La méthode mise au point permet de calculer la distribution tridimensionnelle des doses absorbées en fonction de l’anatomie du patient, définie à l’aide d’images TDM ou IRM, ainsi que de la biodistribution de l’activité spécifique au patient, définie à partir de données d’émission TEMP ou TEP. Des aspects radiobiologiques, tels que les différences de radiosensibilité et de vitesse de réparation entre les tissus sains et les lésions tumorales, ont également été intégrés par l’intermédiaire du modèle linéaire-quadratique. Cette méthode a été appliquée à la radiothérapie interne sélective (SIRT) qui consiste à injecter des 90Y-microsphères pour traiter sélectivement les cancers hépatiques inopérables. Les distributions des doses absorbées et doses biologiques efficaces (BED) ainsi que les doses biologiques efficaces équivalentes uniformes (EUD) aux lésions hépatiques ont été calculées à partir des distributions d’activité de l’étape d’évaluation aux 99mTc-MAA pour 18 patients traités à l’hôpital européen Georges Pompidou. Ces résultats ont été comparés aux méthodes classiques utilisées en clinique et l’intérêt d’une dosimétrie précise et personnalisée pour la planification de traitement a été étudié. D’une part, la possibilité d’augmenter l’activité de manière personnalisée a été mise en évidence par le calcul de l’activité maximale injectable au patient en fonction de critères de tolérance donnés aux organes à risque. D’autre part, l’utilisation des grandeurs radiobiologiques a également permis d’évaluer l’apport potentiel de protocoles fractionnés en SIRT. L’outil développé peut donc être utilisé comme aide à l’optimisation des plans de traitement. En outre, une étude a été initiée en vue d’améliorer la reconstruction des données post-traitement de la TEMP-90Y. L’évaluation à partir de ces données des doses délivrées lors du traitement pourra permettre, d’une part, de prédire le contrôle tumoral et d’anticiper le risque de toxicité aux tissus sains et, d’autre part, d’établir des relations dose-effet précises pour ces traitements. / Medical techniques in full expansion arousing high therapeutic expectations, targeted radionuclide therapies (TRT) consist of administering a radiopharmaceutical to selectively treat tumors. Nowadays, the activity injected to the patient is generally standardized. However, in order to establish robust dose-effect relationships and to optimize treatments while sparing healthy tissues at best, a personalized dosimetry must be performed, just like actual clinical practice in external beam radiotherapy. In that context, this PhD main objective was to develop, using the OEDIPE software, a methodology for personalized dosimetry based on direct Monte Carlo calculations. The developed method enables to calculate the tridimensional distribution of absorbed doses depending on the patient anatomy, defined from CT or MRI data, and on the patient-specific activity biodistribution, defined from SPECT or PET data. Radiobiological aspects, such as differences in radiosensitivities and repair time constants between tumoral and healthy tissues, have also been integrated through the linear-quadratic model. This methodology has been applied to the selective internal radiation therapy (SIRT) which consists in the injection of 90Y-microspheres to selectively treat unresectable hepatic cancers. Distributions of absorbed doses and biologically effective doses (BED) along with the equivalent uniform biologically effective doses (EUD) to hepatic lesions have been calculated from 99mTc-MAA activity distributions obtained during the evaluation step for 18 patients treated at hôpital européen Georges Pompidou. Those results have been compared to classical methods used in clinics and the interest of accurate and personalized dosimetry for treatment planning has been investigated. On the one hand, the possibility to increase the activity in a personalized way has been highlighted with the calculation of the maximal activity that could be injected to the patient while meeting tolerance criteria on organs at risk. On the other hand, the use of radiobiological quantities has also enabled to evaluate the potential added value of fractionated protocols in SIRT. The developed tool can thus be used as a help for the optimization of treatment plans. Moreover, a study has been initiated to improve the reconstruction of post-treatment data from 90Y-SPECT. The estimation from those data of doses delivered during treatment could allow to predict tumoral control and to anticipate healthy tissues toxicity as well as to establish precise dose-effect relationships for those treatments.

Le mélanome cutané est un cancer très invasif, dont l'évolution est rapidement fatale au stade métastatique du fait d'une absence de thérapies réellement efficaces. Face à ce constat, une stratégie de multimodalité a été évaluée au moyen d'un vecteur spécifique des cellules de mélanome et présentant la double potentialité diagnostique (imagerie TEP) et thérapeutique (radiothérapie interne vectorisée (RIV)) en fonction du radioélément introduit. Dans ce but, des analogues iodés et fluorés d'ICF01012, un vecteur ciblant la mélanine surexprimée dans un grand nombre de mélanomes, ont été synthétisés puis radiomarqués (iode-125 d'une part et fluor-18 d'autre part). Les profils pharmacocinétiques des radiotraceurs ont par la suite été étudiés in vivo sur modèle murin de mélanome, par imagerie scintigraphique γ (125I) et par imagerie TEP (18F). A l'issue de ces études, le traceur 4 a été sélectionné comme molécule leader de cette série, en raison d'un tropisme tumoral spécifique, élevé et durable, associé à élimination rapide des tissus non-cibles. Ce composé a ensuite été radiomarqué à l'iode-131 pour une évaluation en RIV sur le même modèle murin. Le traitement avec [131I]4 a induit une inhibition significative de la croissance tumorale et une augmentation significative de la médiane de survie. Au vu des résultats prometteurs obtenus avec le traceur 4, des études de métabolisme sur le même modèle murin ont été effectuées. En conclusion, en termes de chimie, radiochimie, stabilités in vitro et in vivo, TEP et RIV, le traceur 4 a validé notre concept de multimodalité. A terme, ce composé pourrait être transféré pour des études cliniques afin : de sélectionner les patients présentant des lésions de mélanome pigmentées (18F/TEP) et donc susceptibles de répondre au protocole de RIV ; de traiter ces patients (131I/RIV) ; de suivre la réponse au traitement (18F/TEP). En parallèle a été développé le premier groupement prosthétique iodé et fluoré multimodal, le 4-fluoro-3-iodobenzoate de tétrafluorophényle 108, pour le marquage de vecteurs d'intérêt (peptides, protéines, nanoparticules…). Le composé 108 et les précurseurs de radiomarquages correspondants ont été synthétisés en peu d'étapes, avec de bons rendements. Les radiomarquages ont ensuite été mis au point, et ont permis d'obtenir [125I]108 et [18F]108 en des temps relativement courts, avec d'excellents rendements et puretés radiochimiques. Le groupement prosthétique a ensuite été couplé avec succès à un ligand organique et deux peptides. En conclusion, nous avons démontré que le composé multimodal 108 peut être utilisé pour la radiofluoration et la radioiodation de vecteurs d'intérêt, autorisant des applications à la fois diagnostiques (TEP/18F) et thérapeutiques (RIV/131I) pour la prise en charge de nombreux cancers. / Melanoma is the most serious form of skin cancer with a poor prognosis for patients with metastatic disease. Our project deals with a multimodal approach, using a single fluorinated and iodinated melanintargeting compound, and offering both imaging (PET/18F) and therapeutic (targeted radionuclide therapy (TRT)/131I) applications, depending on the radioisotope introduced. Furthermore, using PET imaging, our strategy allows a selection of TRT-responded patients (i.e. bearing pigmented metastases) as well as a monitoring of treatment response. In previous works, the iodinated quinoxaline-carboxamide compound ICF01012 was evaluated in a TRT protocol, using melanoma-bearing mice models. It demonstrated efficacy, with significant inhibition of tumoural growth and improvement of the median survival. Based on these results, iodinated and fluorinated analogs of ICF01012 were synthesized, for multimodality purposes. All new compounds were then radiolabelled with iodine-125 and fluorine-18 (fully automated radiosyntheses), with good radiochemical yields and excellent radiochemical purities. For pharmacokinetic profile studies on melanoma-bearing mice, [125I]radiotracers were evaluated by γ-scintigraphy and [18F]radiotracers by PET. Compound 4 emerged as the lead tracer, with a specific and long-lasting tumoural uptake and a fast clearance from non-specific tissues, leading to highly contrasted images. The tracer 4 was then radiolabelled with iodine-131, with excellent radiochemical yield and purity, to perform a TRT assay on the same melanoma model. Treatment with [131I]4 significantly inhibited tumoural growth and lung metastasis occurrence. Moreover, it significantly improved the median survival. As tracer 4 demonstrated promising results in PET imaging and TRT of melanoma, its metabolism was investigated with [125I]4 and [18F]4: radiotracers were found unchanged in melanin-containing tissues (tumour and eyes), while a fast breakdown was observed in excretion organs and fluids (four metabolites were identified). In conclusion, in terms of chemistry, radiochemistry, in vitro and in vivo stability, PET imaging and TRT, compound 4 validated our multimodality concept. We also developed the first bimodal fluorinated and iodinated prosthetic group, the 2,3,5,6-tetrafluorophenyl 4-fluoro-3-iodobenzoate (108), as a suitable acylating agent for the labelling of a large variety of compounds. In this approach, this new compound allows applications in diagnosis (PET imaging/18F) and therapy (TRT/131I). Compound 108 and its corresponding precursors for radiolabelling were synthesized in very few steps, with good yields. [125I]108 was then prepared in one-step starting from a perfluorostannane precursor, and purified by F-SPE cartridge to avoid time-consuming HPLC. As for [18F]108, it was produced by a fully automated three steps, two-pots radiosynthesis process. [125I]108 and [18F]108 were both obtained in a short time, with excellent radiochemical yields and purities. These prosthetic groups were then successfully used to radiolabel small organic ligand N,N-diethylethylenediamine and peptides NDP-MSH and PEG3[c(RGDyK)]2, in mild conditions, with good yields. In conclusion, we demonstrated that compound 108 could be a promising acylating bimodal prosthetic group for radiofluorination and radioiodination of small organic molecules, peptides, proteins, antibodies as well as nanoparticles.

En Radiothérapie Interne Vectorisée (RIV), l'estimation de la dose absorbée aux tumeurs et tissus sains est un outil d'évaluation. et d'optimisation du traitement. Ce travail de thèse a pour objet de déterminer l'apport du code Monte-Carlo GATE dans un contexte d'amélioration des pratiques dosimétriques en RIV. Dans le cadre du projet DosiTest, visant à identifier les étapes critiques de la chaîne dosimétrique au moyen d'une intercomparaison multicentrique virtuelle basée sur une modélisation Monte-Carlo, des jeux de données scintigraphiques ont ainsi été générés avec GATE pour deux patients virtuels (basés sur les modèles XCAT et CIPR 110) et deux radiopharmaceutiques (OctreoscanTM et LutatheraTM), selon une modélisation compartimentale de la biodistribution. Après une étude de validation de GATE pour des applications de dosimétrie clinique en médecine nucléaire - par la comparaison avec le code MCNPX - des calculs dosimétriques de référence ont été réalisés avec GATE. / In Targeted Radionuclide Therapy (TRT), assessing the absorbed dose delivered to tumours and healthy tissues participates to the evaluation and optimisation of the therapy. This PhD work investigates the input of Monte Carlo code GATE as a toolkit for applications in internal dosimetry in a context of improvement of dosimetric methods. Within DosiTest project, which aims at evaluating the impact of the various steps contributing to the realization of a dosimetric study by means of a virtual multi-centric inter-comparison based on Monte-Carlo modelling, scintigraphic datasets were generated with GATE for two virtual patients (using XCAT and ICRP 110 models), for two different radiopharmaceuticals (OctreoscanTM and LutatheraTM) following a compartmental modelling of biodistribution. After a validation study of GATE for clinical internal dosimetry applications by a comparison with radiation transport code MCNPX, reference dosimetric calculations were performed with GATE.

La radiothérapie interne sélective est une thérapie émergente très peu invasive du carcinome hépatocellulaire, quatrième cause de décès par cancer dans le monde. Des millions de microsphères chargées en Yttrium 90 sont injectées dans l'artère hépatique par un cathéter. Actuellement, leur distribution lors d'une injection est estimée par l'injection préliminaire d'un radiomarqueur, ce qui peut se révéler trop approximatif. Un traitement personnalisé permettrait une concentration des radiations à la tumeur tout en épargnant le tissu sain environnant. Dans ce travail je me suis intéressée au développement d'un modèle numérique, pour une simulation spécifique à chaque patient des trajectoires des microsphères, dans le but d'optimiser le traitement. Le protocole clinique d'imagerie a été exploité et optimisé pour l'extraction de données spécifiques patients telles que le foie, les tumeurs, l'artère hépatique et le flux sanguin. Les tissus et l'artère hépatique (jusqu'à un diamètre de 0.05 mm) sains et malins ont été simulés. Cela nous permet de simuler la distribution des microsphères dans le tissue hépatique, validée grâce à la scintigraphie post-traitement. Il est supposé ici que les microsphères se distribuent de façon proportionnelle au flux sanguin, lequel est modélisé par la loi de Poiseuille. Des simulations plus approfondies en mécanique de fluides numérique du flux sanguin ont ensuite été réalisées dans l'artère hépatique du patient. Pour cela nous avons utilisé et comparé les méthodes des Volumes Finis (Ansys Fluent) et de Lattice Boltzmann (programme développé dans le laboratoire). Le transport des microsphères a été simulé dans l'artère hépatique du patient avec la méthode des volumes finis, et dans une géométrie simplifiée avec la méthode de Lattice Boltzmann. Une séquence IRM de contraste de phase a aussi été optimisée pour l'extraction de la vitesse du sang dans l'artère hépatique, dans le but de valider le modèle numérique. / Selective internal radiation therapy using Yttrium-90 loaded glass microspheres injected in the hepatic artery is an emerging, minimally invasive therapy of hepatocellular carcinoma, which is the fourth cause of mortality in the world. Currently, microspheres distribution can be only approximately predicted by the injection of a radiotracer, whose behaviour may be different. A personalised intervention can lead to high concentration dose in the tumour, while sparing the surrounding parenchyma. This work is concerned with the development of a patient-specific numerical model for the simulation of microspheres trajectories and treatment optimisation. Clinical imaging protocol is utilised and optimised in order to extract patient’s specific data such as liver, tumours, hepatic artery and blood flow. Normal and malignant hepatic arterial vasculature and tissues are simulated down to a vessels diameter of 0.05 mm. A preliminary simulation of microspheres distribution in liver tissue is proposed and validated against post-treatment scintigraphy. Microspheres are here supposed to distribute proportionally to blood flow, which is computed based on Poiseuille’s law. More precise computational fluid dynamics (CFD) simulations of blood flow in the patient’s segmented arteries are performed. The Finite Volume Method (Ansys Fluent) and the Lattice Boltzmann Method (in-house developed software) are used to this purpose and their efficacy is compared. Microspheres transport is simulated in the patient’s hepatic artery using the FVM, and in a representative geometry using the LBM method. A phase contrast MRI sequence has been optimised in order to extract blood velocity from the hepatic artery and validate CFD simulations.

Le RAFT-RGD radiomarqué avec un émetteur β- comme nouvel agent de radiothérapie interne vectorisée. L'intégrine αvβ3 est fortement impliquée en oncogenèse à travers son rôle dans la néoangiogenèse tumorale, dans la prolifération et la survie des cellules cancéreuses et dans le processus métastatique. L'intégrine αvβ3 est exprimée faiblement dans la plupart des tissus. Par contre, elle est fortement exprimée par les cellules endothéliales activées lors de l'angiogenèse et par les cellules de nombreux types de cancers invasifs. Ces caractéristiques font de l'intégrine αvβ3 une excellente cible pour l'imagerie et la thérapie de ces tumeurs. Le RAFT-RGD (Regioselectively Addressable Functionalized Template-(cyclo-[RGDfK])4) est un derivé polypeptidique constitué de quatre peptides cyclo-RGD (spécifiques de l'intégrine αvβ3) fixés sur un groupe porteur RAFT. Le RAFT-RGD cible spécifiquement l'intégrine αvβ3 in vitro et in vivo et permet la détection par imagerie nucléaire ou par fluorescence de tumeurs exprimant αvβ3 sur des modèles précliniques. Le RAFT-RGD un excellent vecteur potentiel pour cibler les tumeurs exprimant αvβ3 et pour y délivrer des traitements, que ce soit des molécules de chimiothérapie ou des radionucléides de thérapie. Cette étude est la première à évaluer le potentiel thérapeutique du RAFT-RGD radiomarqué avec un émetteur β- sur un modèle de souris Nude porteuses de tumeurs exprimant l'intégrine αvβ3. Une injection de 37 MBq de 90Y-RAFT-RGD ou de 177Lu-RAFT-RGD permet de ralentir significativement la croissance de tumeurs exprimant l'intégrine αvβ3 par rapport aux souris contrôles non traitées ou traitées avec la même activité de la molécule de contrôle non spécifique de la cible, le RAFT-RAD. En comparaison, une injection de 30 MBq de 90Y-RAFT-RGD ne permet pas de ralentir la croissance de tumeurs n'exprimant pas l'intégrine αvβ3. Le RAFT-RGD présente un bon potentiel pour le traitement de tumeurs exprimant l'intégrine αvβ3 lorsqu'il est radiomarqué avec des émetteurs β-. Mots clés : intégrine αvβ3, RAFT-RGD, ciblage tumoral, radiothérapie interne vectorisée. / Β- emitters radiolabeled RAFT-RGD as new agents for internal targeted radiotherapy. The αvβ3 integrin is known to play an important role in tumor-induced angiogenesis, tumor proliferation, survival and metastasis. Because of its overexpression on neoendothelial cells such as those present in growing tumors, as well as on tumor cells of various origins, αvβ3 integrin is an attractive molecular target for diagnosis and therapy of the rapidly growing and metastatic tumors. A tetrameric RGD-based peptide, regioselectively addressable functionalized template-(cyclo-[RGDfK])4 (RAFT-RGD), specifically targets integrin αvβ3 in vitro and in vivo. RAFT-RGD has been used for tumor imaging and drug targeting. This study is the first to evaluate the therapeutic potential of the β- emitters radiolabeled tetrameric RGD peptide RAFT-RGD in a Nude mouse model of αvβ3-expressing tumors. An injection of 37 MBq of 90Y-RAFT-RGD or 177Lu-RAFT-RGD in mice with αvβ3-positive tumors caused a significant growth delay as compared with mice treated with 37 MBq of 90Y-RAFT-RAD or 177Lu-RAFT-RAD or untreated mice. In comparison, an injection of 30 MBq of 90Y-RAFT-RGD had no efficacy for the treatment of αvβ3-negative tumors. 90Y-RAFT-RGD and 177Lu-RAFT-RGD are potent αvβ3-expressing tumor targeting agents for internal targeted radiotherapy. Keys words : integrin αvβ3, RAFT-RGD, tumour targeting, internal targeted radiotherapy.

La radiothérapie interne vectorisée (RIV) permet une irradiation systémique la plus élective possible des lésions métastatiques de cancers. Nous rapportons une étude de phase I avec première injection à l’homme mise en place au Centre Léon Bérard pour le traitement de patients porteurs de métastases de synovialosarcomes. Sur un schéma théranostique, une étape d’imagerie et de dosimétrie était réalisée afin d’étudier la biodistribution du radiopharmaceutique diagnostique (RPD) compagnon du radiopharmaceutique thérapeutique (RPT). En cas de biodistribution favorable (fixation tumorale supérieure aux organes sains environnant) permettant d’envisager la RIV avec un effet tumoricide tout en limitant les effets secondaires de l’irradiation de tissus sains, les patients recevaient le RPT. Au total 20 patients ont été inclus. Dix d’entre eux étaient éligibles à la phase thérapeutique : 2 n’ont pas pu être traités du fait d’une progression de la maladie et 8 ont été traités, incluant 1 patiente ayant pu recevoir une 2ème injection de RPT du fait d’une stabilisation de la maladie. Les effets secondaires ont été principalement hématologiques. Les réponses au traitement ont été des stabilisations transitoires. Face à ces résultats modestes, nous avons réalisé une étude dosimétrique plus approfondie pour mieux les comprendre. Nous discuterons des voies possibles pour optimiser ce traitement en s’appuyant notamment sur les études de RIV ayant montré de réels bénéfices pour les patients / Vectorized Radionuclide Therapy allows a more elective systemic irradiation of metastatic cancer lesions. We are reporting a first in human phase I study set up at the Léon Bérard Cancer Centre for the treatment of patients with synovialosarcoma metastases. Following a theranostic scheme, an imaging and dosimetry step was performed to study the biodistribution of the diagnostic radiopharmaceutical (DRP) companion of the therapeutic radiopharmaceutical (TRP). In case of favorable biodistribution (tumor uptake greater that surrounding healthy organs tracer uptake) allowing IVR to be considered with a tumoricidal effect while limiting the side effects of irradiated healthy tissues, patients received the TRP. A total of 20 patients were included. Ten of them were eligible for the therapeutic phase: 2 could not be treated due to disease progression and 8 were treated, including 1 patient who received a 2nd injection after disease stabilization. The side effects were mainly hematological. Treatment responses were transient stabilizations. In response to these modest results, we conducted a more in-depth dosimetric study to better understand them. We will discuss possible ways to optimize this treatment, based in particular on RIV studies that have shown real benefits for patients

Une nouvelle stratégie oncologique, basée sur l’intégration de la radiothérapie nanovectorisée et l’administration loco-régionale, a été évaluée pour le traitement et l’imagerie du glioblastome, le type le plus commun des tumeurs cérébrales primaires. Les dendrimères Gallic Acid-Triethylène Glycol (GATG) sont des nanovecteurs de choix pour délivrer simultanément l’agent thérapeutique (le radioisotope 188Re par son rayonnement béta a été retenu) et l’agent diagnostique (le gadolinium est un agent paramagnétique utilisé en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)). Leur évaluation a été réalisée par administration locorégionale par stéréotaxie sur un modèle de rat F 98. Les données pharmaco-cinétiques ont été également obtenues après injection intraveineuse permettant d’apprécier les propriétés des différents dendrimères synthétisés. Leur apport en terme de confinement au site d’injection représente un avantage majeur de ce nouveau type de radiopharmaceutiques. / A new oncologic strategy, based on the integration of nanovectorized radiotherapy and locoregional delivery, was evaluated for the treatment and imaging of glioblastomas, the most common and lethal type of primary brain tumors. Gallic acidtriethylene glycol (GATG) dendrimers were the nanovectors of choice to deliver the radiotherapeutic 188Re and paramagnetic nuclei Gd3+, with a minimally invasive stereotactic injection, directly depositing the radiotherapeutic dose to the tumor site in a F98 rat glioma model. Intravenous injection was used to further investigate the pharmacokinetics, throughout body distribution and clearance profiles of these dendrimers. Molecular weight and architecture had an important role on the in vivo behavior of the dendrimers. Their use as nanovectors prevented the fast brain clearance of the radionuclide alone, and prolonged the confinement of the internal radiation at the tumor site.

Ce travail de thèse nous a mené à apporter de nouveaux développements au code Monte-Carlo de simulation détaillée Geant4-DNA pour étudier les interactions des électrons de basse énergie dans l'eau liquide, principal constituant des organismes biologiques. La précision des résultats obtenus avec les codes Monte-Carlo repose sur le réalisme de leurs modèles physiques : les sections efficaces. CPA100 est un autre code Monte-Carlo de structure de trace. Il dispose de sections efficaces d'ionisation, d'excitation électronique et de diffusion élastique dont les méthodes de calculs sont indépendantes de celles utilisées pour les sections efficaces de Geant4-DNA (modèles physique " option 2 " et son amélioration " option 4 "). De plus, les sections efficaces de CPA100 sont en meilleur accord avec certaines données expérimentales. Nous avons implémenté les sections efficaces de CPA100 dans Geant4-DNA pour offrir aux utilisateurs l'opportunité d'utiliser des modèles physiques alternatifs désignés Geant4-DNA-CPA100. Ils sont disponibles en libre accès dans la plateforme Geant4 depuis juillet 2017. La vérification de l'implémentation correcte de ces modèles physiques dans Geant4-DNA a consisté à comparer la simulation de plusieurs grandeurs de base obtenues avec Geant4-DNA-CPA100 et CPA100 et des résultats très similaires ont été obtenus. Par exemple, un excellent accord entre les longueurs de trajectoire et les nombres d'interactions a été mis en évidence. Puis, nous avons évalué l'impact des sections efficaces en utilisant les modèles physiques originaux de Geant4-DNA (" option 2 " et " option 4 "), Geant4-DNA-CPA100 et le code PENELOPE, pour obtenir des grandeurs d'intérêt pour des calculs dosimétriques : les " dose-point kernels " (DPK, pour des électrons monoénergétiques) et les facteurs S (pour des électrons monoénergétiques et des émetteurs d'électrons Auger). Les calculs de DPK de Geant4-DNA avec les modèles physiques " option 2 " et " option 4 " sont similaires et une différence systématique a été mise en évidence avec Geant4-DNA-CPA100. Les DPK calculés par ce dernier ont montré un bon accord avec le code PENELOPE. Les facteurs S obtenus avec Geant4-DNA " option 2 " sont globalement proches de Geant4-DNA-CPA100. Enfin, nous avons cartographié les dépôts d'énergie dans un contexte de radioimmunothérapie. De telles simulations sont habituellement réalisées en considérant des tumeurs sphériques et des biodistributions uniformes d'anticorps monoclonaux. Nous avons extrait des données plus réalistes d'un modèle 3D innovant de lymphome folliculaire, incubé avec des anticorps. Les dépôts d'énergie ont été calculés pour différents émetteurs d'électrons Auger (111In et 125I) et de particules ß- (90Y, 131I et 177Lu). Ces calculs ont montré que les émetteurs de particules ß- délivrent plus d'énergie et irradient une plus grande fraction du volume que les émetteurs d'électrons Auger. L'émetteur de particule ß- le plus efficace dépend de la taille du modèle qui est utilisé. / During this PhD thesis, new developments have been brought to Geant4-DNA step-by-step Monte Carlo code. They were used to study low-energy electron interactions in liquid water - the major component of living organisms. The accuracy of results obtained through Monte Carlo code is limited by the validity of their cross sections. CPA100 is another step-by-step Monte Carlo code. It is equipped with ionization, electronic excitation and elastic scattering cross sections. However, these cross sections are calculated according to methods independent of those used for Geant4-DNA cross section calculations, which consisted of two original physics models: "option 2" and its improvement, "option 4". Moreover, in some cases CPA100 cross sections are in better agreement with experimental data. Therefore, the first objective of this research was to implement CPA100 cross sections into Geant4-DNA in order to give users the choice of alternative physics models, known as Geant4-DNA-CPA100. They have been available to users since July 2017. The verification of the correct implementation of these physics models within Geant4-DNA involved a comparison of different basic quantities between Geant4-DNA-CPA100 and CPA100 and extremely similar results were obtained. For instance, a very good agreement was highlighted between the calculations of the track length and the number of interactions. Consequently, the impact of cross sections was assessed using the original Geant4-DNA physics models ("option 2" and "option 4"), the alternative Geant4-DNA-CPA100 physics models and PENELOPE code for calculations of useful quantities in nuclear medicine, such as dose-point kernels (DPKs for monoenergetic electrons) and S values (for monoenergetic electrons and Auger electron emitters). With regards to DPK calculations, Geant4-DNA with "option 2" and "option 4" physics models were in close agreement, showing a systematic difference with Geant4-DNA-CPA100, which in turn were close to those calculated with PENELOPE code. For S value calculations, however, Geant4-DNA results were in good agreement with Geant4-DNA-CPA100. Finally, in the context of radioimmunotherapy, energy depositions were mapped. Such simulations are usually performed assuming spherical tumor geometries and uniform monoclonal antibody distributions. Realistic data was extracted from an innovative 3D follicular lymphoma model incubated with antibodies. Energy depositions were calculated for Auger electron (111In and 125I) and ß- particle (90Y, 131I and 177Lu) emitters. It was demonstrated that ß- particle emitters delivered more energy and irradiated greater volume than Auger electron emitters. The most effective ß- particle emitter depends on the size of the model that is used.

Les médicaments radiopharmaceutiques ciblant les récepteurs peptidiques tels que les analogues de la somatostatine ont un réel potentiel et un fort intérêt pour à la fois le diagnostic et le traitement des tumeurs neuroendocrines (TNE) non-opérables, par radiothérapie interne vectorisée (RIV). La toxicité des traitements par radiopeptides analogues de la somatostatine limite leur développement clinique. Le développement de nouveaux peptides ciblant d'autres types de récepteurs tels que le ceux de la cholécystokinine (CCK) est une solution dont l'intérêt a été montré par les travaux de notre équipe, basés sur un analogue CCK novateur. Ce travail en trois volets décrit dans un premier temps le radiomarquage de l'analogue CCK, par des radionucléides émetteurs - tels que l'yttrium 90 et le lutétium 177 adaptés à la thérapie, en plus de l'indium 111 pour le diagnostic, les capacités de complexation et la stabilité de ce nouvel analogue peptidique CCK. Une étude in vivo préliminaire sur modèle murin a permis d'étudier la faisabilité d'un traitement de RIV. Une troisième étude a été réalisée in vitro sur deux lignées cellulaires tumorales par le traitement à l'aide d'une molécule antitumorale caractérisée dans notre équipe, à travers la réexpression d'une voie de signalisation cellulaire. Ce travail a permis de montrer l'intérêt potentiel de l'utilisation des analogues CCK en RIV en association thérapeutique pour la prise en charge de certaines TNE. / Les médicaments radiopharmaceutiques ciblant les récepteurs peptidiques tels que les analogues de la somatostatine ont un réel potentiel et un fort intérêt pour à la fois le diagnostic et le traitement des tumeurs neuroendocrines (TNE) non-opérables, par radiothérapie interne vectorisée (RIV). La toxicité des traitements par radiopeptides analogues de la somatostatine limite leur développement clinique. Le développement de nouveaux peptides ciblant d'autres types de récepteurs tels que le ceux de la cholécystokinine (CCK) est une solution dont l'intérêt a été montré par les travaux de notre équipe, basés sur un analogue CCK novateur. Ce travail en trois volets décrit dans un premier temps le radiomarquage de l'analogue CCK, par des radionucléides émetteurs - tels que l'yttrium 90 et le lutétium 177 adaptés à la thérapie, en plus de l'indium 111 pour le diagnostic, les capacités de complexation et la stabilité de ce nouvel analogue peptidique CCK. Une étude in vivo préliminaire sur modèle murin a permis d'étudier la faisabilité d'un traitement de RIV. Une troisième étude a été réalisée in vitro sur deux lignées cellulaires tumorales par le traitement à l'aide d'une molécule antitumorale caractérisée dans notre équipe, à travers la réexpression d'une voie de signalisation cellulaire. Ce travail a permis de montrer l'intérêt potentiel de l'utilisation des analogues CCK en RIV en association thérapeutique pour la prise en charge de certaines TNE.

Le RAFT-RGD radiomarqué avec un émetteur β- comme nouvel agent de radiothérapie interne vectorisée. L'intégrine αvβ3 est fortement impliquée en oncogenèse à travers son rôle dans la néoangiogenèse tumorale, dans la prolifération et la survie des cellules cancéreuses et dans le processus métastatique. L'intégrine αvβ3 est exprimée faiblement dans la plupart des tissus. Par contre, elle est fortement exprimée par les cellules endothéliales activées lors de l'angiogenèse et par les cellules de nombreux types de cancers invasifs. Ces caractéristiques font de l'intégrine αvβ3 une excellente cible pour l'imagerie et la thérapie de ces tumeurs. Le RAFT-RGD (Regioselectively Addressable Functionalized Template-(cyclo-[RGDfK])4) est un derivé polypeptidique constitué de quatre peptides cyclo-RGD (spécifiques de l'intégrine αvβ3) fixés sur un groupe porteur RAFT. Le RAFT-RGD cible spécifiquement l'intégrine αvβ3 in vitro et in vivo et permet la détection par imagerie nucléaire ou par fluorescence de tumeurs exprimant αvβ3 sur des modèles précliniques. Le RAFT-RGD un excellent vecteur potentiel pour cibler les tumeurs exprimant αvβ3 et pour y délivrer des traitements, que ce soit des molécules de chimiothérapie ou des radionucléides de thérapie. Cette étude est la première à évaluer le potentiel thérapeutique du RAFT-RGD radiomarqué avec un émetteur β- sur un modèle de souris Nude porteuses de tumeurs exprimant l'intégrine αvβ3. Une injection de 37 MBq de 90Y-RAFT-RGD ou de 177Lu-RAFT-RGD permet de ralentir significativement la croissance de tumeurs exprimant l'intégrine αvβ3 par rapport aux souris contrôles non traitées ou traitées avec la même activité de la molécule de contrôle non spécifique de la cible, le RAFT-RAD. En comparaison, une injection de 30 MBq de 90Y-RAFT-RGD ne permet pas de ralentir la croissance de tumeurs n'exprimant pas l'intégrine αvβ3. Le RAFT-RGD présente un bon potentiel pour le traitement de tumeurs exprimant l'intégrine αvβ3 lorsqu'il est radiomarqué avec des émetteurs β-. Mots clés : intégrine αvβ3, RAFT-RGD, ciblage tumoral, radiothérapie interne vectorisée.