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.

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

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.

La Radiothérapie Interne Vectorisée (RIV) consiste à détruire des cibles tumorales en utilisant des vecteurs radiomarqués (radiopharmaceutiques) qui se lient sélectivement à des cellules tumorales. Dans un contexte d'optimisation de la RIV, une meilleure détermination du dépôt d'énergie dans les tissues biologiques est primordiale pour la définition d'une relation dose absorbée - effet biologique et pour l'optimisation des traitement du cancer. Cela nécessite une évaluation quantitative de la distribution de l'activité (avec la technique d'imagerie moléculaire la plus appropriée) et d'effectuer le transport du rayonnement à l'échelle à laquelle se produisent les phénomènes biologiques pertinents. Les méthodologies à appliquer et les problématiques à établir dépendent strictement de l'échelle (cellule, tissu, organe) de l'application considérée, et du type de rayonnement en cause (photons, électrons, particules alpha). Mon travail de recherche a consisté à développer des techniques dosimétriques dédiées (dosimétrie mono-échelle) et innovantes, capables de prendre en compte la particularité de différents scénarios expérimentaux (cellulaire, pré-clinique, RIV clinique). / Targeted Radionuclide Therapy (TRT) consists in killing tumour targets by using radiolabeled vectors (radiopharmaceuticals) that selectively bind to tumour cells. In a context of TRT optimization, a better determination of energy deposition within biologic material is a prerequisite to the definition of the absorbed dose-effect relationship and the improvement of future cancer treatment. This requires being able to quantitatively assess activity distribution (with the most appropriate molecular imaging technique) and perform radiation transport at the scale at which biologically relevant phenomena occur. The methodologies that should be applied and the problematic to be faced strictly depend on the scale (cell, tissue, body) of the application considered, and on the type of radiation involved (photons, electrons, alpha). This research work consisted in developing dedicated dosimetric techniques (single-scale dosimetry) capable of taking into account the peculiarity of different experimental scenarios (cellular, pre-clinical, clinical TRT).