L'objectif de ces travaux a été de mettre en pratique l'utilisation de nanoparticules multimodales (NPs) à base de lanthanides pour l'imagerie biomédicale en général et le suivi de cellules mésenchymateuses (MSCs) en particulier. Dans cette optique, deux types de NPs ont été utilisées, présentant toutes deux une matrice d'oxysulfure de gadolinium (Gd2O2S) permettant l'imagerie par résonnance magnétique (IRM) et la tomodensitométrie. L'ajout d'éléments dopants apporte des propriétés de fluorescence : l'europium (Gd2O2S :Eu3+), plus adapté à un examen in vitro et le couple ytterbium/thulium (Gd2O2S :Yb3+/Tm3+) à un examen in vivo grâce au phénomène de conversion ascendante de photons (up-conversion). Nous avons, dans un premier temps, démontré la possibilité de visualiser ces NPs au cours du temps au sein d'un organisme vivant par des méthodes complémentaires (IRM et fluorescence). L'étude complète de leur distribution et des voies d'élimination nous a permis de mettre en évidence une métabolisation hépatobiliaire associée à une lente excrétion dans les fèces. Le marquage d'un grand nombre de types cellulaires (lignées et cellules primaires d'espèces différentes) a également mis en avant leur potentiel en tant que traceur cellulaire universel. Nous avons par la suite concentré nos travaux sur le suivi de cellules mésenchymateuses dans un contexte de thérapie cellulaire. La biocompatibilité cellulaire à court, moyen et long terme a été validée par une série d'analyses (MTT, rouge neutre, wound healing, différenciation) et la fiabilité du traceur a été confirmée par l'étude approfondie du marquage cellulaire. Enfin, après mise au point d'un système personnalisé dédié à l'imagerie par up-conversion chez le petit animal, nous avons pu réaliser le suivi de ces cellules marquées, au cours du temps après injection dans un organe solide. Nous avons alors été en mesure de visualiser les MSCs par imagerie multimodale : IRM ; tomodensitométrie et fluorescence par up-conversion. L'ensemble de ces résultats met en avant le potentiel de ces nanoparticules pour l'imagerie à long terme dans des études précliniques et/ou cliniques. / The objective of these works was to put into practice the use of lanthanide-based multimodal nanoparticles (NPs) for biomedical imaging in general and mesenchymal cells (MSCs) tracking in particular. To that purpose, two types of NPs have been used, both presenting a gadolinium oxysulfide (Gd2O2S) matrix allowing magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography. The addition of dopant elements brings fluorescence properties: europium (Gd2O2S :Eu3+) is more appropriate for an in vitro examination whereas the combination ytterbium/thulium (Gd2O2S :Yb3+/Tm3+) is more appropriate for an in vivo examination through the up-conversion process. First, we have demonstrated the possibility of visualizing those NPs over-time in a living organism with complementary methods (MRI and fluorescence). The complete study of their biodistribution and ways of elimination allowed us to highlight a hepatobiliary metabolization associated with a slow feces excretion. The labeling of a wide variety of cell types (lines and primary cells from different species) has also pointed out their potential as a universal cell tracer. Thereafter, we focused our research on mesenchymal cells tracking in a cell therapy context. Short, medium and long term biocompatibility was validated via a series of analyses (MTT, neutral red, wound healing and differentiation) and the reliability of the tracer was confirmed by detailed study of the cell labeling. Finally, after developing a custom-made system dedicated to up-conversion imaging in small animals, we were able to perform over-time tracking of those labeled cells after injection in a solid organ. We achieved multimodal imaging of the MSCs with MRI, computed tomography and up-conversion. Altogether, these results underline the potential of these nanoparticles for long term imaging in preclinical and/or clinical studies.

Avancement dans l'acquisition d'image et le progrès dans les méthodes de traitement d'image ont apporté les mathématiciens et les informaticiens dans les domaines qui sont d'une importance énorme pour les médecins et les biologistes. Le diagnostic précoce de maladies (comme la cécité, le cancer et les problèmes digestifs) ont été des domaines d'intérêt en médecine. Développement des équipements comme microscope bi-photonique à balayage laser et microscope de fluorescence par réflexion totale interne fournit déjà une bonne idée des caractéristiques très intéressantes sur l'objet observé. Cependant, certaines images ne sont pas appropriés pour extraire suffisamment d'informations sur de cette image. Les méthodes de traitement d'image ont été fournit un bon soutien à extraire des informations utiles sur les objets d'intérêt dans ces images biologiques. Rapide méthodes de calcul permettent l'analyse complète, dans un temps très court, d'une série d'images, offrant une assez bonne idée sur les caractéristiques souhaitées. La thèse porte sur l'application de ces méthodes dans trois séries d'images destinées à trois différents types de diagnostic ou d'inférence. Tout d'abord, Images de RP-muté rétine ont été traités pour la détection des cônes, où il n'y avait pas de bâtonnets présents. Le logiciel a été capable de détecter et de compter le nombre de cônes dans chaque image. Deuxièmement, un processus de gastrulation chez la drosophile a été étudié pour observer toute la mitose et les résultats étaient cohérents avec les recherches récentes. Enfin, une autre série d'images ont été traités où la source était une vidéo à partir d'un microscopie photonique à balayage laser. Dans cette vidéo, des objets d'intérêt sont des cellules biologiques. L'idée était de suivre les cellules si elles subissent une mitose. La position de la cellule, la dispersion spatiale et parfois le contour de la membrane cellulaire sont globalement les facteurs limitant la précision dans cette vidéo. Des méthodes appropriées d'amélioration de l'image et de segmentation ont été choisies pour développer une méthode de calcul pour observer cette mitose. L'intervention humaine peut être requise pour éliminer toute inférence fausse. / Advancement in Image Acquisition Equipment and progress in Image Processing Methods have brought the mathematicians and computer scientists into areas which are of huge importance for physicians and biologists. Early diagnosis of diseases like blindness, cancer and digestive problems have been areas of interest in medicine. Development of Laser Photon Microscopy and other advanced equipment already provides a good idea of very interesting characteristics of the object being viewed. Still certain images are not suitable to extract sufficient information out of that image. Image Processing methods have been providing good support to provide useful information about the objects of interest in these biological images. Fast computational methods allow complete analysis, in a very short time, of a series of images, providing a reasonably good idea about the desired characteristics. The thesis covers application of these methods in 3 series of images intended for 3 different types of diagnosis or inference. Firstly, Images of RP-mutated retina were treated for detection of rods, where there were no cones present. The software was able to detect and count the number of cones in each frame. Secondly, a gastrulation process in drosophila was studied to observe any mitosis and results were consistent with recent research. Finally, another series of images were treated where biological cells were observed to undergo mitosis. The source was a video from a photon laser microscope. In this video, objects of interest were biological cells. The idea was to track the cells if they undergo mitosis. Cell position, spacing and sometimes contour of the cell membrane are broadly the factors limiting the accuracy in this video. Appropriate method of image enhancement and segmentation were chosen to develop a computational method to observe this mitosis. Cases where human intervention may be required have been proposed to eliminate any false inference.