Les tumeurs de la fosse postérieure (PFT) représentent les deux tiers des tumeurs cérébrales pédiatriques. Les PFT malignes les plus fréquentes sont le médulloblastome (40%), suivie de l'épendymome (10%). La chirurgie, la radiothérapie et/ou la chimiothérapie sont les approches thérapeutiques utilisées à l’heure actuelle. En raison de l'amélioration des traitements, la survie a augmenté de façon significative. Cependant, ces enfants souffrent de déficiences cognitives variées en partie attribuées à la radiothérapie et ce d’autant plus qu’ils sont jeunes. Atténuer les séquelles neurocognitives est devenu ces dernières années un des enjeux majeurs de l'oncologie pédiatrique. Dans cette optique, ce travail examine chez des enfants traités pour une PFT, les relations entre doses de radiothérapie reçues et performances neuropsychologiques en fonction de l’âge, au moyen d’une approche associant la neuroimagerie et la neuropsychologie. La contribution expérimentale s’articule autour de deux principaux axes. Le 1er axe utilise une approche exploratoire pour rendre compte des relations entre l’irradiation des régions cérébrales et le déclin cognitif chez les enfants traités pour une PFT. L’analyse des données met en relation des patterns spatiaux de répartition des doses dans le cerveau avec la variation des scores neuropsychologiques dans le temps (Mémoire de travail, vitesse de traitement, QI). Nos principaux résultats suggèrent une association entre la diminution des capacités en mémoire de travail et l’augmentation des doses (Dose uniforme équivalente, EUD) délivrées aux régions orbitofrontales ; alors qu’un ralentissement de la vitesse de traitement semble être lié à une dose élevée dans les lobes temporaux et la fosse postérieure. Le 2nd axe utilise une approche a priori pour déterminer l’impact de la maladie et des traitements sur le développement de la mémoire épisodique (ME) et des hippocampes, chez de jeunes enfants (2-13 ans). Cette partie se structure autour d’une part de l’analyse des performances des patients lors d’une tâche expérimentale mesurant la ME et d’autre part, d’une analyse longitudinale des volumes hippocampiques de ces enfants pendant le traitement. Nous avons a mis en évidence chez les enfants avec PFT une altération de la ME dépendant de l’âge : Chez les patients plus jeunes (<7 ans), l'altération était globale tandis que chez les plus âgés, elle ne concernait que la reconnaissance à long terme des détails temporels (c'est-à-dire «quand»). L’analyse des données volumiques hippocampiques n’a pas pu être achevée dans le temps de cette thèse, compte tenu de plusieurs difficultés méthodologiques liées notamment au recalage longitudinal des cerveaux en croissance. Ce travail apporte des connaissances nouvelles sur le rôle de certains facteurs dans l’émergence de difficultés cognitives spécifiques. La prévention des séquelles à long terme de ces enfants reste un défi pour les années à venir. / Pediatric posterior fossa tumors (PFT) account for two-thirds of all pediatric brain tumors. The most common malignant PFT is medulloblastoma (40%), followed by ependymoma (10%). Surgery, radiotherapy and/or chemotherapy are the current therapeutic approaches. As a result of the progress of treatment, event-free survival has significantly improved. Unfortunately, these children suffer from many cognitive impairments partly attributed to radiotherapy, especially in young children. Alleviating neurocognitive impairments has become one of the major challenges of pediatric oncology. Using an approach combining neuroimaging and neuropsychology, this work examines the relationship between treatments and neuropsychological performances as a function of age in children treated for PFT. The experimental contribution is based on two main axes. The first axis uses an exploratory approach to investigate the relationship between the decline of intellectual functioning and radiation dose distribution. For this purpose, we analyze, with a whole brain analysis, the relation between regional biological dose and changes over time of different cognitive scores (IQ, processing speed and working memory). Our results suggest a positive association between working memory decline and high dose (Equivalent Uniform Dose, EUD) delivered to the orbitofrontal regions, whereas decline of processing speed seems more related to EUD in the temporal lobes and posterior fossa. The 2nd axis uses a hypothesis-driven approach to determine the susceptibility of episodic memory (EM) impairment and hippocampal alteration in young child PFT patients (2-13yo). This part is structured around two aims: First, the assessment of PFT EM performances, thanks to an EM task, in comparison to Controls; second, the exploration of longitudinal patterns of hippocampal volume as a potential neural substrate underlying EM performance. The main results support the evidence of EM impairment in the PFT condition, which varied according to age: in the younger patients (<7yo) impairment was global while in the older it involved only the long term recognition of temporal details (i.e. ‘When’). However, at this stage of the work, several methodological difficulties mainly related to the registration parameters of the segmentation algorithm prevent us from achieving hippocampal volume analysis. This work brings new knowledge about the role of some risk factors on specific cognitive difficulties. Preventing long-term impairments of these children remains a challenge for years to come.

Les limitations rencontrées aujourd'hui dans le traitement du glioblastome (GBM) concernent notamment la qualité de l'exérèse dont dépend le pronostic et le manque de contrôle local de la croissance tumorale, sachant que les récidives apparaissent dans plus de 80% des cas dans le volume cible de radiothérapie. Dans ce contexte, la thérapie photodynamique interstitielle (iPDT) se présente comme un outil complémentaire prometteur qui permettrait d'améliorer le contrôle local de la tumeur. La première partie de ce travail de thèse a porté sur le suivi longitudinal par Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de la réponse tumorale post-iPDT sur un modèle de rat nude xenogreffé en orthotopique par un modèle de GBM humain. Le suivi par IRM et Spectroscopie par Résonance Magnétique (SRM) a fourni des indicateurs précoces de l'efficacité du traitement, permettant de discriminer dès un jour post-iPDT les animaux répondeurs des non-répondeurs. Cependant, une des limitations de la PDT, demeure la faible profondeur de pénétration de la lumière visible utilisée pour activer le photosensibilisateur et induire les réactions de photo-oxydations. La seconde partie de ce travail a porté sur l'évaluation d'un nouveau concept appelé "PDTX" permettant de coupler l'effet photodynamique à celui de la radiothérapie pour une radiothérapie photodynamique, en jouant notamment sur la complémentarité des espèces réactives de l'oxygène générées et des effets RX-induits. Pour cela, nous avons validé l'intérêt d'une nanoparticule hybride de type AGuIX® composée de terbium et de porphyrine, le terbium étant le scintillateur capable d'être excité par les rayons X et d'émettre des photons à une longueur d'onde appropriée pour activer le photosensibilisateur. Le transfert d'énergie par FRET (Förster Resonance Energy Transfer) entre le terbium et la porphyrine a été mis en exergue. Les résultats in vitro démontrent le potentiel thérapeutique de ce nouveau nano-objet à basse énergie / The limitations encountered today in the treatment of glioblastoma (GBM) involve the quality of the resection on which depends prognosis and the lack of local control of the tumor, knowing that relapses occur in 80% of cases in the radiotherapy target tumor volume. In this context, interstitial photodynamic therapy (iPDT) is a promising additional tool that would allow to improve local control of the tumor. The first part of this thesis focused on the longitudinal follow-up by Magnetic Resonance Imaging (MRI) of the post-iPDT tumor response in a nude rat model of orthotopic xenograft of human GBM cell line. MRI and Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) monitoring provided early indicators of the effectiveness of treatment, for discriminate from one day post-IPDT non-responders from responders animals. However, one of the limitations of PDT remains the low penetration of visible light used to activate the photosensitizer and induce reactions of photo-oxidation. This is why the second part of this research focused on the evaluation of a new concept called "PDTX" for coupling the photodynamic effect with radiotherapy effect for a photodynamic radiotherapy, playing especially on the complementarity of reactive species of oxygen generated and RX-induced effects. For this, we validated the interest of an AGuIX®-type hybrid nanoparticle composed of terbium and porphyrin, terbium being the scintillator capable of being excited by X-rays and emits photons at an appropriate wavelength in order to activate the photosensitizer. The energy transfer FRET (Förster Resonance Energy Transfer) between terbium and porphyrin was highlighted. In vitro results demonstrate the therapeutic potential of this new nano-object at low-energy

Nous avons proposé dans cette thèse une nouvelle approche de modélisation des réponses cellulaire et tumorale durant la radiothérapie. Cette modélisation est fondée sur les chaînes de Markov. Elle se situe dans le cadre de la théorie de cible qui suppose qu'il existe dans la cellule des régions sensibles appelées cibles, qui doivent toutes être désactivées pour tuer la cellule. Un premier travail est consisté à proposer un modèle à temps discret en tenant compte non seulement des phases de réparations cellulaires entre les fractions de dose mais également de l'hétérogénéité des dommages cellulaires.Nous avons ensuite proposé un modèle stochastique de la durée de vie cellulaire. Cette modélisation fut également étendue à une population de cellules et a permis d'établir de nouvelles expressions des probabilités d'efficacité et de complication thérapeutique. Nos derniers travaux portent sur le développement d'un modèle de type chaîne de Markov à temps continu qui pourrait être appliqué aux réponses des tumeurs traitées par la thérapie photodynamique / In this thesis, we have proposed a Markov chain modeling of the cell and tumor behaviors during radiotherapy. Our approach is based on the target theory where it is assumed that the cell contains a number of sensitive sites called targets which must be all deactivated to produce the cell death. A first task was to provide a discrete-time model taking cell repair between dose fractions and the heterogeneity of cellular damage into account. Then, we proposed a stochastic model of the cell lifespan. This model was also extended to a cell population and allowed to derive new expressions of the efficiency and complication probabilities of the treatment. Finally, we focused on the development of a model based on Markov chain in continuous time which could be applied to the responses of tumors treated by photodynamic therapy

Le cancer est la seconde cause de mortalité dans le monde et les cancers de localisation muqueuse (poumon, estomac, colorectal, du col de l’utérus, …) représentent la première cause de mortalité due au cancer dans le monde. La majorité des vaccins contre les cancers muqueux n’ont à ce jour, pas montré de résultats cliniques significatifs. Au cours de ce travail, nous avons développé une immunothérapie efficace basée sur la sous-unité B non toxique de la toxine de Shiga et montré pour la première fois dans le domaine de la cancérologie que la localisation de l’immunisation était cruciale pour induire des réponses immunitaires anti-tumorales. En effet, dans un modèle préclinique, une immunisation systémique intramusculaire n’a pas permis d’induire de protection thérapeutique efficace contre le développement de tumeurs muqueuses de la langue, alors que la voie d’immunisation intranasale a induit une réponse clinique complète. Nous avons identifié les lymphocytes T CD8+ comme les cellules nécessaires à cette protection et plus précisément la population de lymphocytes T résidents mémoires (Trm). Ces Trm présentent le phénotype classique CD103+ mais expriment également l’intégrine CD49a qui joue un rôle dans la migration/rétention au sein des tumeurs mais également dans la survie à long terme des Trm. Par ailleurs nous avons montré que les cellules dendritiques muqueuses pulmonaires permettaient d’induire ce phénotype CD49a sur les lymphocytes T CD8+ alors que les cellules dendritiques de la rate non. Notre travail montre que l’aspect quantitatif de ces Trm joue un rôle dans la protection anti-tumorale, en effet nous avons pu pour la première fois moduler in vivo le nombre de Trm en traitant les souris par un anticorps anti-TGF-β. La diminution du nombre des Trm est corrélée à la diminution de la protection anti-tumorale. Les patients atteints de cancers des voies aérodigestives supérieures sont majoritairement traités par radiothérapie. Dans l’optique d’essais cliniques à court terme, nous avons montré que la radiothérapie localisée associée à notre immunothérapie permet une protection plus efficace que le traitement seul de l’un ou de l’autre notamment en provoquant un remodelage du microenvironnement tumoral associé à une normalisation vasculaire. Nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans le développement d’immunothérapies thérapeutiques efficaces contre les cancers muqueux et pourront mener rapidement à des essais cliniques. / Cancer is the second mortality cause worldwide while mucosal cancers (lung, stomac, …) is the first mortality cause from. The majority of cancer vaccines against mucosal tumors have not given rise yet to significant clinical results. In this work we developed a strong immunotherapy based on the nontoxic subunit B from shiga toxin and showed for the first time that the localization of the immunization is crucial to induce potent and effective anti-tumoral responses. In a preclinical model a systemic immunization failed to induce a therapeutical protection against mucosal tumor challenge while intranasal immunization completely succeed. We identified a CD8 T lymphocyte population as a required cells in this protection and more precisely the T resident memory (Trm) cells. This Trm showed the classical CD103 phenotype as well as the CD49a which can play a specific role in the retention or the migration of this cells in the tumor tissue and might play a role in the survival. We also demonstrate that dendritic cells from the mucosal parenchyma was required to induce the CD49a expression on CD8 T cells while dendritic cells from the spleen was not. Our work shows that the Trm number as an impact in the anti-tumoral protection. We were able to reduce the Trm number in vivo using an anti-TGF-β antibody. This number diminution was correlated with a less efficient anti-tumoral protection. Patients with head and neck cancers are treated with radiotherapy. In this situation we showed that the combination of radiotherapy and our immunotherapy was associated with a better protection than radiotherapy alone or immunotherapy alone thanks to a vascular normalization. These results might rapidly lead to clinical trials and might open new ways to work with immunotherapies.

L’optimisation des traitements en radiothérapie vise à améliorer la précision de l’irradiation des cellules cancéreuses pour épargner le plus possible les organes environnants. Or la dose périphérique déposée dans les tissus les plus éloignés de la tumeur n’est actuellement pas calculée par les logiciels de planification de traitement, alors qu’elle peut être responsable de l’induction de cancers secondaires radio-induits. Parmi les différentes composantes, les neutrons produits par processus photo-nucléaires sont les particules secondaires pour lesquelles il y a un manque important de données dosimétriques. Une étude expérimentale et par simulation Monte Carlo de la production des neutrons secondaires en radiothérapie nous a conduit à développer un algorithme qui utilise la précision du calcul Monte Carlo pour l’estimation de la distribution 3D de la dose neutron délivrée au patient. Un tel outil permettra la création de bases de données dosimétriques pouvant être utilisées pour l’amélioration des modèles mathématiques « dose-risque » spécifiques à l’irradiation des organes périphériques à de faibles doses en radiothérapie. / Treatment optimization in radiotherapy aims at increasing the accuracy of cancer cell irradiation while saving the surrounding healthy organs. However, the peripheral dose deposited in healthy tissues far away from the tumour are currently not calculated by the treatment planning systems even if it can be responsible for radiation induced secondary cancers. Among the different components, neutrons produced through photo-nuclear processes are suffering from an important lack of dosimetric data. An experimental and Monte Carlo simulation study of the secondary neutron production in radiotherapy led us to develop an algorithm using the Monte Carlo calculation precision to estimate the 3D neutron dose delivered to the patient. Such a tool will allow the generation of dosimetric data bases ready to be used for the improvement of “dose-risk” mathematical models specific to the low dose irradiation to peripheral organs occurring in radiotherapy.

La protonthérapie est une technique innovante de traitement des cancers dans les zones critiques, telles que les yeux ou la base du crâne. Même si le phénomène physique d’interactions des protons dans les tissus est bien connu et présente des avantages pour la protonthérapie, il existe des incertitudes sur le parcours des protons liées aux hétérogénéités des tissus traversés en situation clinique et liées au calcul des paramètres du faisceau dans le planning de traitement qui contrebalancent les avantages théoriques des protons pour la délivrance de la dose. Des méthodes de contrôle de qualité de l’irradiation ont donc été proposées. La plupart reposent sur l’exploitation de la cartographie des émetteurs de positons générés lors de l’irradiation. Ceux-ci peuvent être détectés et quantifiés à l’aide de la tomographie par émission de positons (TEP), une technique d’imagerie médicale utilisée principalement pour établir le bilan d’extension des cancers par imagerie. Des acquisitions TEP ont donc été proposées et validées sur des fantômes et chez des patients après protonthérapie pour le contrôle du parcours des protons. Le contrôle s’effectue en comparant la distribution radioactive mesurée en TEP et la distribution β+ simulée. La simulation de l’activité positronique générée par les protons dans le milieu traversé peut être décomposée en plusieurs étapes : une étape de simulation du faisceau de protons, une étape de modélisation des interactions des protons dans l’objet irradié et une étape d’acquisition TEP. Différentes modélisations de ces étapes sont possibles. Au cours de cette thèse, nous avons proposé plusieurs modélisations pour les 3 étapes et nous avons évalué l’apport pour la qualité du contrôle de l’irradiation. Nous avons restreint notre évaluation à la vérification du parcours des protons. Ce travail de thèse s’appuie sur des irradiations en milieu homogène et inhomogène (dans un modèle de tête) réalisé au centre de protonthérapie d’Orsay. Les objets irradiés ont été transportés dans le Service Hospitalier Frédéric Joliot pour l’acquisition TEP. Nous avons comparé l’incertitude sur le parcours des protons à partir des modélisations de la distribution β+ obtenues : 1) En modélisant l’irradiation par un faisceau de protons sous une forme simplifiée et par simulation Monte Carlo. En modélisant la production des émetteurs β+ dans les tissus par simulation Monte Carlo avec le logiciel GEANT4 en incluant les modèles de physiques des versions 9.2 et 9.4 et en utilisant des sections efficaces ; 2) En modélisant l’acquisition TEP avec une modélisation simplifiée et une modélisation Monte Carlo de l’acquisition par la caméra TEP ; 3) Les résultats montrent qu’une modélisation simplifiée du faisceau n’affecte pas l’estimation du parcours des protons. La modélisation Monte-Carlo de la caméra permet de mieux modéliser le bruit présent dans le signal TEP mesuré en milieu homogène. Des résultats préliminaires de la modélisation de la caméra TEP sont présentés dans un modèle de tête (inhomogène). En conclusion, une modélisation simplifiée de la caméra TEP permet d’évaluer le parcours des protons en milieu homogène à 1 mm près, qui est équivalent à la reproductibilité de la mesure TEP post-irradiation telle qu’elle est mesurée par Knopf et al. (2008). / The protontherapy is an innovative technique for cancer treatment in critical areas, such as the eye or the head. Even though the interaction of protons with human tissues is a well-known physical phenomenon which gives rise to the protontherapy, there are uncertainties on the proton trajectory due to heterogeneities in the irradiated tissue, the calculation of the beam parameters in the planning treatment affects the theoretical benefits of the protons and the chosen dose delivery process. Thus, methods for irradiation quality control have been suggested. Most of them rely on utilizing the mapping of the positron emitters generated during the irradiation. They are detectable and quantifiable thanks to the use of the PET (positron emitter tomography), a medical imaging technique mainly used for the cancer expansion assessment. PET acquisitions were proposed and then realized on phantoms and patients after protontherapy. The quality control relies on comparing the measured radioactive distribution to the simulated β+ distribution. The modeling of the positronic activity generated by protons in the irradiated area can be divided into three steps: the simulation of the proton beam, the modeling of the proton interactions in the irradiated object and the modeling of the PET acquisition. Different ways of simulating these steps are possible. This PhD work suggests different ways of modeling the three steps and evaluates theirs benefits for the irradiation quality control. We have restrained our evaluation to the verification of the proton range and to the uncertainties related to the proton range. This research work utilizes on irradiations in homogenous and inhomogeneous areas in a head model. We have compared the uncertainties on the proton range measured thanks to the following β+ distributions: 1) A β+ distribution obtained by modeling the irradiation with a proton beam simulated analytically and simulated using the complete Monte Carlo method; 2) A Monte Carlo modeling of the proton range using the GEANT4 software (versions 9.2 and 9.4) relying and using cross-sections; 3) A simulation of the PET acquisition using a simplified modeling and a Monte Carlo modeling. Our results show that a simplified modeling of the beam does not affect the estimation of the proton range. Besides, the Monte Carlo modeling of the PET camera enables modeling the noise present in the PET signal measured in a homogeneous area. Preliminary results of the PET camera modeling are presented in a head model (inhomogeneous). Finally, a simplified modeling of the PET camera enables evaluate the proton range in a homogeneous area with a 1mm-precision, which is equivalent to the reproducibility of the PET offline measure as described in (Knopf et al., 2008).

La Radiothérapie occupe la deuxième place dans la liste de traitement du cancer le plus important après chirurgie. Le progrès technique récent, comme la radiothérapie avec modulation d'intensité (IMRT) ou la radiothérapie guidée par l'image (IGRT), en combinaison avec de nouveaux médicaments à action spécifique tels que les anticorps monoclonaux, sont une garantie d'augmentation de l'index thérapeutique. Cependant, la radiothérapie peut provoquer un’ altération du processus normal de réparation et d'induire le développement d'un cadre de fibrose dans un sous-ensemble de patients sensibles et dans les survivants à long terme au cancer. La principale caractéristique de la fibrose radio-induit est l'accumulation excessive et anormale de collagène composé principalement des éléments fibrillaire et immatures de la matrice extracellulaire (ECM).Les organes qui peuvent être touchés par ce phénomène sont le foie, la peau, les intestins, les reins et les poumons. D'un point de vue clinique, la fibrose peut être considérée comme une condition irréversible, sans solution. Nous et d'autres ont récemment montré que, outre l'activation de la TGF-β/Smad canonique, d'autres voies sont activées dans les tissus fibreux tels que la cascade de signalisation intracellulaire Rho/ROCK. Fait intéressant, la façon dont Rho/ROCK semble spécifiquement activé dans la fibrose intestinale radio-induite, fournis une justification pour un stratégie anti-fibrotique ciblé. L’ inhibition pharmacologique de Rho avec les statines, en fait, est en mesure de prévenir et même inverser les phénomènes de fibrose post-actinique intestinale.Avec ces prémisses, dans nos études, nous avons montré le rôle des statines (Simvastatine et Pravastatine) et d'un inhibiteur spécifique de ROCK (Y-27632) dans un modèle murin de fibrose pulmonaire obtenue avec une approche pharmacologique (Bléomycine - BLM) . Par la suite, nous avons développé un modèle de fibrose pulmonaire induite par l'irradiation complet du thorax et évalué la réponse à l'administration de la Pravastatine. La confirmation de la participation de la voie Rho/ROCK/CTGF dans la fibrose pulmonaire a été montré par immunohistochimie: le traitement à la Pravastatine normalise l'expression de trois marqueurs: RhoB, TGFβ-RII et CTGF.Après, dans deux modèles de fibrose radio-induite (intestinal et pulmonaire), nous avons analysé, grâce à l’immunohistochimie, les mécanismes sous-jacents l'action antifibrotique de la Pravastatine via l’axe MMP2-TIMP2. Très intéressant, quand la pravastatine a été administré à titre préventif ou curatif, nous avons trouvé un impact différent sur la fibrolyse.Enfin, in vitro, nous avons étudié par zymographie l'expression des gélatinases (MMP2 et MMP9) dans des cultures primaires des fibroblastes pulmonaire murins exposées à différentes doses de rayonnement et de Pravastatine. Le métalloprotéases semble être à son tour impliquée dans les mécanismes pro-fibrolytiques induits par les statines.Dans notre modèle animal de fibrose pulmonaire, la Pravastatine est capable d'inverser le processus fibrotique et les métalloprotéases semblent être impliqués à leur tour, in vivo et in vitro, dans les mécanismes pro-fibrolyse induits par le médicament.La multiplicité des acteurs impliqués dans la physiopathologie de lésions fibrotiques explique pourquoi la mise en place d'une stratégie thérapeutique efficace est si complexe. La recherche dans les processus mécaniques de dommages aux tissus normaux ont ouvert la voie à de nouvelles approches thérapeutiques. Ces nouvelles cibles comprennent la réduction de l’inflammation, de l'activation vasculaire et de la thrombose, ainsi que la découverte de nouvelles cibles moléculaires. Il existe une variété de modèles précliniques et des stratégies efficaces, mais de nombreux efforts doivent être déployés pour atteindre l'objectif difficile de protéger les tissus normaux des effets secondaires de la radiothérapie. / Radiotherapy is the second most important treatment modality after surgery in the treatment of cancer. Recent technical advancements, such as intensity-modulated radiation therapy (IMRT) or image-guided radiation therapy (IGRT), combined with new targeted drugs have significant promise for therapeutic outcome. However radiation treatment could result in disabling normal tissue injury and in the development of progressive fibrosis in a subset of sensitive patients and in long-term cancer survivors. The main feature of tissue fibrosis is excessive accumulation of abnormal and cross-linked collagen mainly composed of fibrillar and immature extracellular matrix (ECM) components.The organs that can be affected by this phenomenon are liver, skin, intestine, kidneys and lungs. From a clinical point of view, fibrosis can be seen as an irreversible condition, without solution. We and others recently showed that beside the activation of the canonical TGF-β/Smad pathway, other intracellular signaling cascades including the Rho/ROCK pathway are switched on in fibrotic tissues. Interestingly, the Rho/ROCK pathway seems differentially activated in radiation-induced intestinal fibrosis, thereby providing a rationale for a specific, targeted anti-fibrotic strategy. Pharmacological inhibition of Rho using statins indeed prevent and even reverse intestinal radiation fibrosis.In our studies, we showed the role of Statin (Pravastatin e Simvastatin) and a specific inhibitor ROCK inhibitors (Y-27632) in a mice model of pulmonary induced-fibrosis obtained by a pharmacological approach (Bleomycin – BLM). Indeed, we developed a model of lung fibrosis by complete irradiation of chest and tested Pravastatin action. Confirmation of the involvement of Rho/ROCK/CTGF pathway in lung fibrosis are shown by immunohistochemistry: Pravastatin-treament normalized the expression of three markers: RhoB, TGF-RII and CTGF.Then, in models of radiation induced gut and lung fibrosis, we analysed, from a immunohistological point of view, the underlying mechanisms of the antifibrotic action of Pravastatin via MMP2-TIMP2 axis. Interestingly we found a different impact on fibrolysis when Pravastatin was administered preventively or curatively.Finally, in vitro, we investigate by zymography the expression of Gelatinases (MMP2 and MMP9) in primary lung fibroblasts cultures exposure at the different radiation and Pravastatin doses. Metalloproteases would appear to be in turn involved in pro-fibrolytic mechanisms induced by statin.The multiplicity of actors involved in the pathogenesis of fibrotic lesions explains why the definition of an effective therapeutic strategy is so complex.Researches in mechanistic processes of normal tissue damage paved the way for new therapeutic approaches. These new targets include reduction of vascular activation, inflammation and thrombosis and new molecular targets definition. Effective strategies are multiple on preclinical models, but numerous efforts have to be made to achieve the complicated goal of protection of normal tissues from the side effects of radiation therapy. / La radioterapia è la seconda modalità di trattamento più importante dopo chirurgia neltrattamento delle neoplasie. I recenti progressi tecnici, come la terapia ad intensità modulata(IMRT) o l’image-guided radioterapia (IGRT), in combinazione con nuovi farmaci ad azionemirata come gli anticorpi monoclonali, costituiscono ulteriore garanzia di incrementodell’indice terapeutico. Tuttavia il trattamento radiante può causare un’alterazione delnormale processo di riparazione e indurre lo sviluppo di un quadro di fibrosi in unsottogruppo di pazienti sensibili e nei lungo-sopravviventi al cancro. La caratteristicacardinale della fibrosi radioindotta è l’eccessivo ed anomalo accumulo di collagene compostoprincipalmente di componenti fibrillari e immature della matrice extracellulare (ECM).Gli organi che possono essere interessati da questo fenomeno sono fegato, pelle,intestino, reni e polmoni. Da un punto di vista clinico, la fibrosi può essere vista come unacondizione irreversibile, senza soluzione. Noi ed altri recentemente abbiamo mostrato cheaccanto alla attivazione della via canonica TGF-β/Smad, altre vie vengono attivate nei tessutifibrotici come la cascata di segnalazione intracellulare della via Rho/ROCK. Interessantenotare che la via Rho/ROCK sembra specificatamente attivata nella radiazione indotta fibrosiintestinale, fornendo così una spiegazione razionale per una specifica, mirata strategia antifibrotica.L'inibizione farmacologica di Rho con le statine infatti è in grado di prevenire eaddirittura invertire i fenomeni di fibrosi intestinale post-attinica.Grazie a queste premesse, nei nostri studi, abbiamo mostrato il ruolo delle statine(Pravastatina e Simvastatina) e di uno specifico inibitore di ROCK (Y-27632) in un modellomurino di fibrosi polmonare indotta ottenuto con un approccio farmacologico (bleomicina -BLM). In seguito, abbiamo sviluppato un modello di fibrosi polmonare indottadall’irradiazione completa del torace e valutata la risposta alla somministrazione dellaPravastatina. In questo modello ed in un modello di fibrosi intestinale indotto da radiazioni,abbiamo analizzato, da un punto di vista immunoistologico, i meccanismi sottostanti l'azione9antifibrotica della pravastatina e il ruolo delle metalloproteasi (MMP2 e TIMP2). Infine, invitro, abbiamo indagato, mediante zimografia, l'espressione delle gelatinasi (MMP2 e MMP9)in culture primarie di fibroblasti polmonari murini esposti a differenti dosi di radiazione epravastatina.Nel nostro modello animale di fibrosi polmonare, la Pravastatina è in grado di renderereversibile il processo fibrotico e le metalloproteasi parrebbero essere a loro volta coinvolte,in vivo and in vitro, nei meccanismi pro-fibrolitici indotti dal farmaco.La molteplicità di attori coinvolti nella patogenesi delle lesioni fibrotiche spiegaperché la definizione di una strategia terapeutica efficace è così complessa. Ricerche neiprocessi meccanicistici di danno ai tessuti normali hanno aperto la strada a nuovi approcciterapeutici. Questi nuovi obiettivi comprendono la riduzione dell’ attivazione vascolare,dell'infiammazione e della trombosi, oltre alla definizione di nuovi target molecolari. Esistonomolteplici ed efficaci strategie su modelli preclinici, ma numerosi sforzi devono essere fattiper raggiungere il complicato obiettivo di proteggere i tessuti normali dagli effetti collateralidella radioterapia.

Les micro-irradiateurs pour la radiothérapie préclinique du petit animal permettent d’effectuer des irradiations au plus proche des techniques de traitement chez l’homme, facilitant la transposition de résultats d'études radiobiologiques à la clinique. La spécificité des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (< 300 keV) utilisés génère cependant des problématiques dosimétriques inédites. Ce travail de thèse a consisté à mettre en œuvre la dosimétrie par fibre scintillante plastique pour ce domaine d’utilisation, là où peu de détecteurs conviennent. Dans une première partie, les faisceaux d’un micro-irradiateur ont été caractérisés en dose d’une part et leur spectres en énergie obtenus par simulations Monte Carlo d’autre part, afin d’étudier les performances du dosimètre prototype. La deuxième partie a montré ses excellentes caractéristiques dosimétriques telles que la répétabilité, reproductibilité et linéarité de réponse. Un des enjeux majeurs a alors été de caractériser sa dépendance en énergie, problématique inhérente à la dosimétrie à moyenne énergie et intrinsèque au scintillateur plastique en dessous de 100 keV. Une méthode d’étalonnage a été proposée pour prendre en compte cette dépendance en conditions précliniques (mini-faisceaux et petit volume diffusant), à partir de spectres en énergie simulés. Le dosimètre a ensuite été utilisé pour la vérification de plans de traitement sur fantôme puis in vivo sur des rats, avec des résultats très concluants. Il a montré des performances prometteuses pour l’évaluation en temps réel de la dose délivrée aux tumeurs soumises aux mouvements respiratoires des animaux. / Small animal micro-irradiators designed for preclinical radiotherapy experiments mimic human clinical irradiation techniques thus facilitating the transposition of radiobiological research findings to clinical practice. These devices deliver millimetric x-ray beams of medium-energy (< 300 keV) which implies specific dosimetric issues. The objective of this thesis was the implementation of plastic scintillating fiber dosimetry in this specific field of use, for which few existing dosimeters are suitable. In a first part, beams from a micro-irradiator were characterized. Dosimetric measurements along with energy spectra Monte Carlo simulations allowed the study of the dosimeter prototype performances. In the second part of this work, excellent dosimetric properties of the detector such as repeatability, reproducibility and dose response linearity were shown. Then, a major issue was to determine the detector energy dependence, which is inherent to medium-energy dosimetry and also an intrinsic property of plastic scintillator, below 100 keV. A calibration method based on the simulated energy spectra was proposed to correct this dependence in preclinical conditions (mini-beams, small scattering volume). The dosimeter showed very conclusive results for treatment plan verification in a heterogene phantom and during rats in vivo experiments. The dosimeter also demonstrated promising performances for online control of the delivered dose to mobile tumors, subject to the animal respiratory movements.

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.

La radiothérapie externe représente une part importante du traitement conservateur du sein. Le calendrier classique consiste à délivrer une dose totale de 50 Gy en 25 fractions sur 5 semaines. Pour certaines catégories de femmes, une radiothérapie de 5 à 6 semaines, avec des transports longs et fréquents est parfois difficile à réaliser. La radiothérapie peropératoire (RIOP) permet de prévenir le risque de récidive locale dans le lit tumoral, et ne nécessite que quelques jours d’hospitalisation. Cette étude se concentre sur l’utilisation d'une source de rayons X miniaturisée de faible énergie (50kV). Après résection chirurgicale de la tumeur, un applicateur est inséré dans le lit tumoral et le système délivre une dose unique de 20 Gy à sa surface. Cependant, il n'y a pas de prescription personnalisée ni d'information sur la dose délivrée et ce point est contestable, car un texte officiel recommande une optimisation de la dose individuelle. Dans ce contexte, un calcul Monte Carlo permet d'évaluer avec précision la dose délivrée à la patiente en simulant le transport des particules. Cette thèse propose d'évaluer ce critère de dose absorbée le plus justement possible à partir d'une modélisation réaliste de la source de rayons X et de calculs de dose individuels à l'aide de simulations de Monte Carlo en prenant en compte les hétérogénéités tissulaires du sein. Des mesures dosimétriques in vivo viennent également confirmer les résultats de simulations. / External radiation therapy is an important part of breast conservative treatment. The conventional calendar is to deliver a total dose of 50 Gy in 25 fractions over 5 weeks. For certain categories of women, 5 to 6 weeks of radiotherapy, with long and frequent transport is sometimes difficult to achieve. Intra-operative radiotherapy (IORT) helps to prevent the risk of local recurrence in the tumor bed, and only requires a few days of hospitalization. This study focuses on the use of a miniaturized low energy X-ray source (50kV). After surgical resection of the tumor, an applicator is inserted into the tumor bed and the system delivers a single dose of 20 Gy on its surface. However, there is no custom prescription and this is questionable since an official text recommends optimizing the individual dose. In this context, a Monte Carlo calculation makes it possible to accurately assess the dose delivered to the patient by simulating the transport of particles. This thesis proposes to assess the absorbed dose criterion as accurately as possible from a realistic model of the X-ray source and individual dose calculations using Monte Carlo simulations taking into account the tissue heterogeneities of the breast. In vivo dosimetric measurements also confirm the results of simulations.