Parmi les différents isotopes du Scandium qui peuvent être utilisés en médecine nucléaire, on peut citer le ⁴⁷Sc et le ⁴⁴Sc. Le premier se désintègre en émettant un électron associé à un gamma de 159 keV et peut donc être utilisé soit pour faire de la radiothérapie, soit de l’imagerie TEMP. Le ⁴⁴Sc (3.97 h) se désintègre dans 94.27 % des cas en émettant un positron, accompagné d’un photon γ d’énergie égale à 1.157 MeV. Cet isotope est alors un candidat idéal pour des applications en imagerie TEP. Actuellement, le Cyclotron de haute énergie et haute intensité Arronax produit le ⁴⁴Sc et coproduit son état isomérique le ⁴⁴mSc (2.44 j). Le ⁴⁴mSc a des propriétés (Eᵧ=270 keV, 98.8 %) qui permet d’envisager son utilisation comme potentiel générateur in vivo. Les travaux précédents ont permis de montrer que le ligand DOTA est le plus adapté et le plus stable pour le Sc. Ce travail de thèse a pour but de mettre en évidence la faisabilité du générateur in vivo ⁴⁴m/⁴⁴Sc. Dans un premier temps une procédure a été optimisée et validée pour la production du ⁴⁴m/⁴⁴Sc avec une haute activité spécifique et pureté chimique. Le radiomarquage sur des peptides contenant du DOTA a été ensuite développé et optimisé. Des études théoriques et expérimentales ont été réalisées dans le but de démontrer la faisabilité du ⁴⁴m/⁴⁴Sc comme potentiel générateur in vivo. En fin des études de stabilité in vitro sur des complexes radiomarqués du ⁴⁴m/⁴⁴Sc suivi d’études de biodistribution et d’imagerie TEP ont été réalisées. / Among the different isotopes of Scandium that can be used in nuclear medicine may be mentioned the ⁴⁷Sc and ⁴⁴Sc. The first decays by emitting an electron associated with a 159 keV gamma can thus be used either for radiotherapy or TEMP imaging. The ⁴⁴Sc (3.97 h) decays in 94.27% in case by emitting a positron, with a γ photon energy equal to 1.157 MeV. This isotope is then an ideal candidate for applications in PET imaging. Currently, the Cyclotron of high energy and high intensity ARRONAX produce ⁴⁴Sc and co-produces the isomeric state the ⁴⁴mSc(2.44 d). The ⁴⁴mSc has properties (Eᵧ = 270 keV, 98.8%), which allows to consider its use as a potential in vivo generator. Previous work had demonstrated that the DOTA ligand is most suitable and stable for Sc. This thesis aims; make in evidence the feasibility of the in vivo ⁴⁴m/⁴⁴Sc generator. Initially a procedure was optimized and validated for the production of ⁴⁴m/⁴⁴Sc with a high specific activity and chemical purity. Radiolabeling of DOTA conjugated peptides was then developed and optimized. Theoretical and experimental studies have been performed in order to demonstrate the feasibility of ⁴⁴m/⁴⁴Sc as a potential in vivo generator. Finally, in vitro stability studies on radiolabeled ⁴⁴m / ⁴⁴Sc complexes were performed, followed by biodistribution studies and PET imaging.

Cette étude concerne l'optimisation, la conception et la caractérisation de microréacteurs, de type multicanaux, appliqués à l'électrosynthèse organique de composés fluorés à intérêt médical tels que le 2-Fluoro- 2-Deoxy-D-Glucose (18FDG). Les microsystèmes ont connu un développement important ces dernières années dans le domaine de la chimie fine où la volonté est de développer des outils toujours plus compétitifs. Les microréacteurs appliqués à la synthèse offrent l’avantage d’un rapport surface sur volume de la zone réactionnelle élevé (> 100 cm-1), ce qui améliore nettement les transferts de masse et d’énergie et permet de traiter de très faibles quantités dans des conditions plus sûres et plus respectueuses de l’environnement. L’élément de base du microréacteur est souvent constitué d’un simple microcanal qu’il est nécessaire de dupliquer pour fournir le débit de production adapté à une application donnée. Ainsi, un microréacteur sera souvent composé d’une série de microcanaux disposés en parallèle et connectant un canal distributeur et un canal collecteur. Cette configuration peut entraîner une faible uniformité de la distribution de l’écoulement dans les différents microcanaux de réaction et il est particulièrement important d’optimiser la géométrie du microréacteur complet pour tendre vers une distribution uniforme des temps de séjour (DTS). Dans le cas de la synthèse électrochimique, les microcanaux sont directement gravés dans deux électrodes placées en vis-à-vis et séparées par une membrane échangeuse d’ions. Une optimisation préliminaire de la DTS au sein d’une électrode composée de microcanaux parallèles de section rectangulaire est réalisée. L’arrivée et la sortie du fluide s’effectue par l’intermédiaire de deux canaux distributeur et collecteur de section également rectangulaire, mais non constante. L’optimisation vise à déterminer une évolution linéaire optimale de la largeur de ces canaux distributeur et collecteur. Un modèle analytique basé sur des hypothèses simplificatrices permet de calculer les différentes pertes de charge ainsi que les débits dans chaque microcanal, dans le cas d’un écoulement laminaire de liquide. Les résultats obtenus sont ensuite confirmés par des simulations numériques 3-D, plus précises. Un modèle hybride combinant les simulations numériques pour les canaux distributeur et collecteur et le modèle analytique pour les microcanaux parallèles est également développé. Il permet d’augmenter la finesse du maillage dans les zones sensibles de l’écoulement, sans nécessité d’accroître les ressources informatiques (mémoire et temps de simulation). Les résultats obtenus montrent un très bon accord entre les simulations numériques 3-D, le modèle hybride et le modèle analytique. Sur un exemple de 10 microcanaux parallèles, il est montré que dans le cas de la géométrie initiale, pour laquelle les canaux collecteur et distributeur sont de section constante, des écarts de l’ordre de 50 % existent entre les débits traversant les microcanaux latéraux et centraux. Après optimisation, cet écart est réduit à moins de 0,1 %. Le modèle analytique est ensuite étendu au cas d’écoulements gazeux en prenant en compte les effets non linéaires et antagonistes de la raréfaction et de la compressibilité de l’écoulement. La raréfaction est ici caractérisée par un nombre de Knudsen compris entre 0 et 0,1 et se traduit pas des sauts de vitesse à la paroi ; les écoulements dans ce régime modérément raréfié sont alors correctement modélisés par les équations compressibles de Navier Stokes associées à des conditions de glissement du second ordre en Knudsen, en prenant en compte la géométrie tridimensionnelle des microcanaux de réaction et des canaux collecteur et distributeur. / This study focuses on the optimisation, design and characterization of microreactors, of multichannel type, applied to the organic electrosyntheses of fluorinated compounds of medical interest such as the 2-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose (18FDG). Microsystems have known an important development these last years in the field of fine chemicals where the aim is to develop increasingly competitive tools. The microreactors applied to synthesis offer a reaction zone with high surface to volume ratio (> 100 cm-1), which significantly improves mass and energy transfers and allows treating small quantities in safer conditions and a better respect of environment. The basic element of the microreactor is often composed of a single microchannel, which is necessary to duplicate in order to provide the suitable production rate for a given application. Thus, a microreactor is often composed of a series of microchannels arranged in parallel and connecting a distributing channel to a collecting one. This configuration can result in poor uniformity of flow distribution among the reaction microchannels and it is particularly important to optimize the geometry of the microreactor in order to obtain a uniform residence time distribution (RTD). In the case of electrochemical synthesis, microchannels are directly etched into two electrodes facing each other and separated by an ion exchange membrane. A preliminary optimisation of the RTD in an electrode composed of parallel microchannels with rectangular cross-section is performed. The fluid inlet and outlet are connected to a distributing and a collecting channel with non constant rectangular cross-section. The aim of the optimisation is to determine an optimal linear evolution of the width of the distributing and collecting channels. An analytical model based on simplifying assumptions allows calculating the various pressure drops and the flowrate in each microchannel, in the case of a laminar liquid flow. The obtained results are then confirmed by more accurate 3-D numerical simulations. A hybrid model combining numerical simulations for the distributing and collecting channels and the analytical model for the parallel microchannels is also developed. This model allows a more refined mesh in the sensitive areas of the flow, without requiring additional numerical effort (memory and simulation time). The results show a good agreement between the 3-D numerical simulations, the hybrid model and the analytical model. On an example of 10 parallel microchannels, it is shown that in the case of the initial geometry (with a constant cross-section of collecting and distributing channels), the flowrate difference through the lateral and the central microchannels is in the order of 50%. After optimization, this difference is reduced to less than 0.1%. The analytical model is then extended to the case of gas flows, taking into account nonlinear and antagonist effects of rarefaction and compressibility. Rarefaction is characterized by the value of the Knudsen number which remains lower than 0.1; the flow in this moderately rarefied regime is accurately modelled by the compressible Navier-Stokes equations associated with second-order slip boundary conditions, taking into account the three-dimensional geometry of the reaction microchannels and of the collecting and distributing channels.

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) est une technique d’imagerie médicale utilisée largement dans le traitement du cancer et dans la recherche neurobiologique, afin d’imager l’activité biologique des organes. Il s’agit de détecter deux photons de 511 keV produits par l’annihilation d’un positron dans les tissus, ce qui permet d’en reconstruire la carte 3D. En mesurant avec une très bonne précision la différence de temps de détection des deux photons, il sera possible d’améliorer la qualité d’image (technique du temps de vol). Dans ce manuscrit, nous présentons le développement de deux détecteurs innovants, rapides et efficaces, pour la détection de la lumière Cherenkov produite par la conversion des photons de 511 keV. Le premier, destiné à un scanner clinique (cerveau) et pré-clinique à haute précision spatiale, utilise comme milieu de détection du TriMéthylBismuth. Le second, pouvant être utilisé pour construire un scanner corps entier, met en œuvre un cristal de PbF₂ comme radiateur Cherenkov. Dans les deux configurations, un photomultiplicateur à micro-canaux (MCP-PMT) est utilisé pour détecter les photons Cherenkov. Notre électronique de détection montre une résolution temporelle limitée à 5 ps (RMS). La chaîne de détection est limitée par les performances du MCP-PMT. Après étalonnage, nous avons mesuré une efficacité de 25 % (grande pour un détecteur Cherenkov), et de résolution temporelle de 200 ps (FWHM).Nous exposons les facteurs limitant la résolution temporelle des détecteurs et proposons des développements qui permettront d’en améliorer les performances. / Positron Emission Tomography (PET) is a nuclear imaging technique widely used in oncology and neuroscience to observe biological activity in the body. Detection of two gamma quanta with the energy 511 keV emitted by positron annihilation in tissues allows one to reconstruct the tracer activity distribution in the body of the patient. Additional measurement of the difference in time detection between the two photons lets us to improve significantly the quality of the reconstructed image (time-of-flight method).In this manuscript, we present the development of two innovative detectors, fast and efficient, used to detect Cherenkov light produced by electrons from the photo-ionization conversions of 511 keV gamma quanta. The first one, intended for use in a brain PET scanner of a high spatial resolution, uses TriMethylBismuth for the detection medium. The second one, planned to be used to construct a whole-body PET scanner, enforces a PbF₂ crystal as Cherenkov radiator. In both configurations a micro-channel photo-multiplier (MCP-PMT) is used to detect Cherenkov photons. We commissioned an electronic detection chain with a time resolution limited to 5 ps (RMS). Using precise MCP-PMT calibration, we were able to develop simultaneously detectors with high efficiency, up to 25 %, and time resolution as good as 200 ps (FWHM).We highlight the limitations of detectors time resolution and suggest several developments in order to improve performances of Cherenkov light detectors.

L’hypoxie est connue pour être responsable d’une propagation tumorale accrue. En conséquence, les tumeurs hypoxiques nécessitent un diagnostic rapide et précis. L’accès à toutes les localisations tumorales par l’imagerie nucléaire est devenu un intérêt majeur pour l’orientation thérapeutique. Dans la première partie de ce manuscrit, un nouveau traceur de l’hypoxie tumorale marqué au technétium 99m a été développé avec succès. De nouveaux traceurs organosilylés marqués au fluor 18 ont également été étudiés. Un second travail a porté sur le développement d’une nouvelle stratégie de fluoration nucléophile pour la préparation de traceurs TEP. Des essais synthèse du Fluorodésoxyglucose ont été réalisés. L’élaboration de cette stratégie a également conduit au développement d’une nouvelle méthodologie de synthèse de dérivés d’acides sulfoniques par déprotection de thiols au moyen d’hypochlorite de tert-butyle. / It has been recognized that hypoxia plays a major negative role in overall tumor progression. The identification and quantitative estimation of tumor hypoxia by means of nuclear imaging is an important factor in planning the therapeutic strategy for a better clinical outcome. In the present work, a new 99mTc tracer for imaging tumor hypoxia has been successfully developed. New organosilicon fluorinated derivatives were also studied. Every synthesized compounds incorporated a nitroimidazole moiety, which is selectively trapped in hypoxic cells. The second part of this work, led to the development of a new nucleophilic fluorination strategy for the preparation of PET tracers. The new strategy was attempted for the preparation of Fluorodeoxyglucose. In the course of this study, a novel oxidative deprotection method of thiols was developed. Herein was described, the synthesis of sulfonic acid derivatives by oxidative deprotection of thiols using tert-butyl hypochlorite.

Dans cette thèse, nous présentons la conception et l’étude de performance d’un tomographe par émission de positrons (TEP) corps entier utilisant la radiation Cherenkov avec capacité de temps-de-vol (projet PECHE). Nos résultats et les conclusions sont basés sur la simulation GATE pour la configuration du scanner suivante: cristal de fluorure de plomb attaché à un photomultiplicateur à micro-canaux. C’est un cristal de haute densité, transparent pour les photons ultraviolet, et possède la fraction photoélectrique la plus élevé de 46%. Le photomultiplicateur choisi est un détecteur de grande taille, rapide et pixélisé avec une efficacité quantique raisonnable, de 25% à une longueur d'onde de 400 nm. Grâce à ces propriétés, il est possible d’envisager un détecteur efficace de gamma de 511 keV avec une épaisseur de cristal de 10 mm (une longueur d'interaction) et donc de minimiser la longueur et dispersion des trajectoires de photons, résultant à une résolution temporelle optimisée. Nous avons étudié les configurations différentes de détecteur élémentaire tels que le cristal avec les épaisseurs de 10 et 20 mm, le diamètre de l'anneau de détection de 80 et 90 cm, diverses options de le revêtement de cristal (noir, blanc diffus et poli) et deux interfaces optiques (collage moléculaire et assemblage conventionnel avec un gel optique). Pour une configuration optimale, nous avons choisi un scanner TEP à trois anneaux avec un diamètre de l'anneau de 80 cm, cristal de 10 mm d'épaisseur, et un blindage en plomb. Le collage moléculaire donne une meilleure photo-collection comparée à configuration avec un gel optique. Nous avons estimé le potentiel du scanner envisagé en utilisant les tests recommandés par la norme NEMA NU 2-2012. En particulier, nous avons évalué le taux de comptage de bruit équivalent (NECR), la résolution spatiale, coefficients de recouvrement de contraste de l'image et la variabilité de bruit de fond pour le fantôme de qualité d’image. La reconstruction des images est faite en utilisant l'algorithme itératif temps-de-vol implémenté dans la plate-forme de reconstruction « open source » CASToR récemment développée. Nous avons conclu qu’un scanner corps entier utilisant la lumière Cherenkov pourrait atteindre des performances comparables à celles d'un tomographe classique à scintillation grâce à son excellente résolution temps-de-vol. L'utilisation du rayonnement Cherenkov permet d'atteindre une résolution en temps-de-vol encore meilleure. Il est limité actuellement par la dispersion de temps de transit des photomultiplicateurs existants, un faible nombre de photons optiques détectés et une efficacité de collecte de photons dans un cristal limitée. Les limitations physiques identifiées dans cette étude seront abordées dans le développement du futur photodétecteur amélioré utilisant le radiateur PbWO₄, qui permet de concevoir un scanner TEP corps entier avec une excellente performance temps-de-vols. / In this thesis we present the conception and performance studies of the foreseen Cherenkov whole-body positron emission scanner with time-of-flight potential (PECHE project). Our results and conclusions are based on the GATE simulation for following scanner configurations: lead fluoride crystal coupled with micro-channel-plate photomultiplier. This crystal is characterized by high density, transparency for photons in ultraviolet region, and one of the highest photoelectric fraction of about 46%. The chosen photomultiplier is fast, pixelized detector of a large size with a reasonable quantum efficiency, of 25% for 400 nm photon wavelength. Due to these properties, it is possible to create an efficient 511-keV gamma detector with a crystal thickness of the order of 10 mm(one interaction length) and hence minimize the length and dispersion of the photon trajectories, leading to better time resolution. We considered different configurations of the elementary detectors such as crystal thicknesses of 10 and 20 mm, the detector ring diameter of 80 and 90 cm, various options of the crystal coating (black, diffuse white and polished) and two optical interfaces (molecular bonding and conventional assembling with an optical gel). As an optimal configuration we chose a three-ring pet scanner with diameter of the ring 80 cm, 10 mm-thick crystal, protected with lead shielding. Molecular bonding gives better photo-collection if compare with configuration with optical gel. We estimated the potential of the foreseen scanner following the prescription of the NEMA NU 2-2012 standard. In particular, we evaluated the noise equivalent count rate (NECR), spatial resolution, image contrast recovery coefficients versus background variability for the NEMA image quality phantom. Reconstruction of images is done using iterative TOF algorithm implemented in the recently developed open source reconstruction platform CASToR. We concluded that due to an excellent TOF resolution a crystal-based Cherenkov whole-body scanner could achieve performances comparable with a conventional, scintillation-based tomograph. The use of the Cherenkov radiation allows to achieve even much better TOF resolution, but currently it is limited by the transit time spread of the existing photomultipliers, a low number of the detected optical photons, and a limited photon collection efficiency in a crystal. Limitations identified in this study will be addressed in the future development of the improved photodetector using the PbWO₄ radiator, which allows to conceive a whole-body PET scanner with an excellent TOF performance.

De récents résultats d’études cliniques ont démontré l’efficacité de l’immunothérapie chez des patients atteints de cancer. Ce type de thérapie consiste à traiter les cellules cancéreuses en stimulant les défenses immunitaires du patient. Le but de ce projet de thèse est de mettre au point un biomarqueur d’efficacité de cette thérapie, afin d’une part de mieux comprendre les mécanismes biologiques mis en jeu, et d’autre part d’avoir un indicateur précoce et non-invasif de réponse du patient à l’immunothérapie. Pour ce faire, deux techniques d’imagerie (IRM et TEP) ont été utilisées comme outils de suivi in vivo de la biodistribution de différentes populations de cellules immunitaires. La première étape de ce travail a été d’établir différents protocoles de marquage des cellules immunitaires. Pour l’approche TEP, les cellules immunitaires ont été marquées avec du Zirconium 89 ; quant à l’IRM, deux techniques de marquage ont été étudiées : la première utilise des nanoparticules de fer, l’autre des micelles chargées en Fluor 19. Après validation de leur non-toxicité, la sensibilité de chaque marquage a été évaluée in vitro dans un premier temps, puis in vivo dans un deuxième temps, permettant ainsi d’étudier la biodistribution des cellules immunitaires après différents types d’injections. Le marquage au Zirconium 89 a ensuite été testé sur différents modèles animaux d’immunothérapies (par exemple PD1/PDL1). Enfin, les marquages directs ne permettant pas un suivi optimal des cellules à long terme, une approche de marquage cellulaire utilisant des gènes rapporteurs a été envisagée. Il s’agissait de modifier le génome des cellules immunitaires afin qu’elles puissent exprimer une enzyme (par exemple la thymidine kinase virale HSV1-TK) ou un transporteur (tel que le transporteur d’iode NIS) permettant l’internalisation d’un traceur radioactif in vivo, et de pouvoir ainsi réaliser un marquage indirect des cellules. / Recent clinical trial results have demonstrated the efficacy of immunotherapy in cancer patients. This type of therapy involves treating cancer cells by stimulating the patient's immune defenses. The aim of this thesis project is to develop a biomarker of efficacy for this therapy, in order to better understand the biological mechanisms involved, and to have an early and non-invasive indicator of the patient’s response to immunotherapy. To do this, two imaging techniques (MRI and PET) were used as in vivo monitoring tools for the biodistribution of different populations of immune cells. The first step of this work was to establish different protocols for labeling immune cells. For the PET approach, the immune cells were labeled with Zirconium 89; and for MRI, two labeling techniques were studied: the first uses iron nanoparticles, and the other uses micelles loaded with Fluorine 19. After validation of their non-toxicity, the sensitivity of each labeling was evaluated in vitro, then in vivo in a second step, thus making it possible to study the biodistribution of the immune cells after different types of injections. The labeling with Zirconium 89 was then tested on different animal models of immunotherapies (PD1/PDL1 for example). Finally, since direct markings do not allow optimal cellular monitoring in the long term, a cell labeling approach using reporter genes has been considered. It involved modifying the genome of the immune cells so that they could express an enzyme (for example the viral thymidine kinase HSV1-TK) or a transporter (such as the NIS iodine transporter) allowing the internalization of a radioactive tracer in vivo, and thus be able to carry out indirect labeling of the cells.

Humans are modifying animal populations, indirectly accelerating or reducing the geomorphic alterations caused by animals. Species have been monitored and studied with focus on domesticated animals but little research has been undertaken on wild animals. This study analyses the geomorphic impact of elephants on Tembe Elephant Park, so that the changes they cause to the landscape may be quantified. To conduct this research four sites were chosen: an area where elephants had been excluded for twenty-five years, where excluded for five years, where elephants exist at present and where elephants mud wallow. Three of the four study sites were classed as sand forest (twenty-five-years exclusion, five-years exclusion and where elephants exist) and were analysed and compared to determine the similarities and differences in climate, microclimate, vegetation and the soil’s physical and chemical properties. The wallow site was not compared to any other study site, but was observed and mapped to quantify the geomorphic impact of elephants wallowing. When the sand forest sites were compared the climate, vegetation type and soil were found to be similar. Where elephants were present: the vegetation was inconsistent in basil cover, canopy height, structure and class. Soils were more compacted with a low infiltration rate, higher temperature, lower soil moisture, higher pH and a lower electric conductivity and air relative humidity was the highest. Where elephants have been excluded for twenty-five years, the opposite trends arose from the data analysis. The vegetation was consistent in basil cover, canopy height, structure and class, and the soils were less compacted with a high infiltration rate, low temperature, higher soil moisture, lower pH and a higher electric conductivity. The microclimate showed a trend where the air relative humidity was the lowest. At the elephant wallow site data showed that the wallows were in general circular in shape, 52.5m3 of soil was removed per month for the last nine months and the surface area of the wallows increased by 165.5m2 per month for nine months from April to December 2008. All the results from this study show that the elephant activity in Tembe Elephant Park has geomorphic consequences. From the results, it is possible to conclude that the geomorphic impacts of elephants on Tembe Elephant Park are contributing to a nutrient cycle shift in the sand forest biome, as they change aspects of the vegetation, microclimate, soil and landscape, which are the foundation of the cycle. / Dissertation (MA)--University of Pretoria, 2011. / Geography, Geoinformatics and Meteorology / MA / Unrestricted

Ces dernières années, le ciblage des RCPG avec des ligands radiomarqués est devenu très important en imagerie nucléaire, notamment avec le remplacement progressif d’analogues peptidiques de la somatostatine marqués à l’111In pour la TEMP par d’autres marqués au 68Ga pour l'imagerie TEP qui présente une meilleure efficacité diagnostique. Les récepteurs de haute affinité de la bombésine (GRPR) ou de la neurotensine (NTR1) sont eux aussi des RCPG surexprimés par les cellules tumorales par rapport au tissu sain. Le GRPR est surexprimé dans 83% des carcinomes mammaires canalaires estrogènes dépendants. Dans la première partie de ce travail, nous avons démontré qu’un agoniste du GRPR, l’AMBA marqué au 68Ga, permettait la détection en TEP d’un modèle murin de cancer du sein humain estrogène-dépendant et qu’il permettait de prédire la réponse tumorale à une hormonothérapie de manière plus sensible que le 18F-FDG.L’équipe du Dr. Gruaz-Guyon a développé de nouveaux radioligands analogues de la neurotensine pour le ciblage des tumeurs exprimant le NTR1 et a étudié les propriétés de ces peptides marqués à l'111In dans un modèle de tumeurs d’adénocarcinome colique surexprimant le NTR1. L’obtention d’images TEMP de contraste élevé, permettant une détection des greffes tumorales dans des temps courts après injection, a conduit cette équipe à envisager ce traceur peptidique pour l’imagerie TEP. Dans la seconde partie de ce travail, nous avons réalisé le radiomarquage au 68Ga du meilleur de ces dérivés (DOTA NT20.3) et évalué son potentiel pour l'imagerie TEP et la détection de tumeurs d’adénocarcinome colique. La surexpression de NTR1 a été démontrée dans plusieurs autres cancers comme l’adénocarcinome pancréatique (PDAC) (75-88%). Nous avons donc voulu étudier l'expression du NTR1 dans une tumorothèque locale de PDAC. Nous avons ensuite démontré le potentiel du 68Ga-DOTA-NT20.3 pour l’imagerie TEP dans deux modèles murins de PDAC humains. Nous avons caractérisé sa biodistribution, évalué sa spécificité in vivo et l’avons comparé au 18F-FDG, notamment pour valider sa capacité à discriminer in vivo la pancréatite de l’adénocarcinome pancréatique. / In recent years, the targeting of G protein-coupled membrane receptors (GPCRs) with radiolabeled ligands has become very important in nuclear imaging, particularly with the progressive replacement of somatostatin analogues labelled with 111In for SPECT by others labelled with 68Ga for PET imaging, which improves diagnostic efficacy. High-affinity bombesin receptors (GRPR) or neurotensin receptors (NTR1) are also GPCRs overexpressed in many cancers as compared with normal tissue. GRPR is overexpressed in 83% of estrogen-dependent ductal carcinomas. In the first part of this work, we demonstrated that 68Ga-AMBA, an agonist ligand of GRPR, allowed the PET detection of a mouse model of estrogen-dependent breast cancer and could be more sensitive than 18F-FDG to predict and monitor tumour response to hormone therapy.Dr. Gruaz-Guyon's team has developed new neurotensin radioanalogues for targeting NTR1-positive tumours. They studied the properties of these 111In-labeled peptides in a model of colon adenocarcinoma overexpressing NTR1. Obtaining high-contrast images allowing the detection of cancer within a short time after injection, this team subsequently developed this peptide radiotracer for PET imaging. In the second part of this work, we carried out the 68Ga radiolabeling of the best-performing of these derivatives and evaluated its potential for PET imaging of colon adenocarcinoma in a tumor model. Overexpression of NTR1 has been demonstrated in several human cancers such as PDAC (75-88%). We characterized the expression of NTR1 using specimens of human pancreatic cancer and then demonstrated the potential of this PET radiotracer to image two mouse models of human PDAC. We characterized its biodistribution, assessed its specificity in vivo in comparison with 18F-FDG, in particular its ability to discriminate in vivo pancreatitis from pancreatic adenocarcinoma.

Au-delà des techniques conventionnelles de diagnostic et de suivi du cancer, l’analyse radiomique a pour objectif de permettre une médecine plus personnalisée dans le domaine de la radiothérapie, en proposant une caractérisation non invasive de l’hétérogénéité tumorale. Basée sur l’extraction de paramètres quantitatifs avancés (histogrammes des intensités, texture, forme) issus de l’imagerie multimodale, cette technique a notamment prouvé son intérêt pour définir des signatures prédictives de la réponse aux traitements. Dans le cadre de cette thèse, des signatures de la récidive des cancers du col utérin ont notamment été développées, à partir de l’analyse radiomique seule ou en combinaison avec des biomarqueurs conventionnels, apportant des perspectives majeures dans la stratification des patients pouvant aboutir à une adaptation spécifique de la dosimétrie.En parallèle de ces études cliniques, différentes barrières méthodologiques ont été soulevées, notamment liées à la grande variabilité des protocoles et technologies d’acquisition des images, qui entraîne un biais majeur dans les études radiomiques multicentriques. Ces biais ont été évalués grâce à des images de fantômes et des images multicentriques de patients pour l’imagerie TEP, et deux méthodes de correction de l’effet de stratification ont été proposées. En IRM, une méthode de standardisation des images par harmonisation des histogrammes a été évaluée dans les tumeurs cérébrales.Pour aller plus loin dans la caractérisation de l’hétérogénéité intra-tumorale et permettre la mise en œuvre d’une radiothérapie personnalisée, une méthode d’analyse locale de la texture a été développée. Adaptée particulièrement aux images IRM de tumeurs cérébrales, ses capacités à différencier des sous-régions de radionécrose ou de récidive tumorale ont été évaluées. Dans ce but, les cartes paramétriques d’hétérogénéité ont été proposées à des experts comme des séquences IRM additionnelles.À l’issue de ce travail, une validation dans des centres extérieurs des modèles développés, ainsi que la mise en place d’essais cliniques intégrant ces méthodes pour personnaliser les traitements seront des étapes majeures dans l’intégration de l’analyse radiomique en routine clinique. / Beyond the conventional techniques of diagnosis and follow-up of cancer, radiomic analysis allows to personalize radiotherapy treatments, by proposing a non-invasive characterization of tumor heterogeneity. Based on the extraction of advanced quantitative parameters (histograms of intensities, texture, shape) from multimodal imaging, this technique has notably proved its interest in determining predictive signatures of treatment response. During this thesis, signatures of cervical cancer recurrence have been developed, based on radiomic analysis alone or in combination with conventional biomarkers, providing major perspectives in the stratification of patients that can lead to dosimetric treatment plan adaptation.However, various methodological barriers were raised, notably related to the great variability of the protocols and technologies of image acquisition, which leads to major biases in multicentric radiomic studies. These biases were assessed using phantom acquisitions and multicenter patient images for PET imaging, and two methods enabling a correction of the stratification effect were proposed. In MRI, a method of standardization of images by harmonization of histograms has been evaluated in brain tumors.To go further in the characterization of intra-tumor heterogeneity and to allow the implementation of a personalized radiotherapy, a method for local texture analysis has been developed. Specifically adapted to brain MRI, its ability to differentiate sub-regions of radionecrosis or tumor recurrence was evaluated. For this purpose, parametric heterogeneity maps have been proposed to experts as additional MRI sequences.In the future, validation of the predictive models in external centers, as well as the establishment of clinical trials integrating these methods to personalize radiotherapy treatments, will be mandatory steps for the integration of radiomic in the clinical routine.

L’introduction en clinique de la bimodalité combinant la tomographie d’émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) a été un succès dans les années 2000. La multimodalité dans le contexte de l’imagerie médicale a souvent pour but de combiner une information physiologique à une information anatomique. Deux approches existent : la première étant d’acquérir séparément les modalités et de les combiner ultérieurement par fusion d’images sur ordinateur, la seconde s’affranchit des problèmes possibles du recalage en opérant une acquisition dans le même statif des deux modalités. Cependant, il existe des limites à l’imagerie TEP/TDM. L’idée de combiner l’imagerie par résonance (IRM) magnétique à la TEP offre des avantages par rapport à la TDM. Notamment, l’IRM offre un excellent contraste des tissus et offre l’accès à de l’information multidimensionnelle, fonctionnelle et morphologique grâce à la modularité offerte par l’acquisition IRM. Cette information pourrait permettre de mieux comprendre les processus physiopathologiques des maladies. De plus, l’IRM n’est pas ionisante, au contraire de l’imagerie TDM. L’introduction au début des années 2010 des premiers appareils d’acquisition simultanée TEP/IRM offre de nombreuses possibilités, mais il reste des défis à résoudre avant d’assister à la même diffusion en clinique que l’imagerie TEP/TDM de ces appareils. Notamment, l’atténuation photonique, qui doit être corrigée afin de permettre le caractère quantitatif de l’imagerie, est un problème. Dans ce travail, nous abordons cette question en proposant des solutions pour les différentes régions du corps. Une attention particulière est portée à la région pelvienne. L’état de l’art des méthodes disponibles expose un faible nombre de solutions pour cette région, pourtant riche en tissus osseux atténuants et zone d’occurrence du second cancer le plus commun chez l’homme : le cancer de la prostate. Nous évaluons l’impact de la solution proposée sur la correction des photons diffusés, toujours dans un objectif d’obtenir une imagerie quantitative. Les différentes méthodologies de correction et d’évaluation font intervenir des simulations numériques Monte Carlo. / The clinical introduction of the bimodality combining the positron emission tomography (PET) and the computed tomography (CT) has been a major success in the 2000s. Multimodality, in the context of medical imaging, often has the aim of associating a physiological information and an anatomical information. Two approaches exist : either the two modalities are acquired separately and then fused through computerized image fusion, or we discard the issues related to image registration by acquiring in the same system the two modalities. However, there remain limits to PET/CT imaging. The idea to combinemagnetic resonance imaging (MRI) to PET offers solutions and advantages compared to the use of TDM.MRI offers an excellent tissue contrast and offers an access to multidimensional functional and morphological information thanks to the modularity offered by MRI. This information could improve the understanding of the physiopathological processes involved in diseases. Moreover, MRI is non-ionizing modality, on the contrary to CT. The introduction in the early 2010s of the first simultaneous PET/MRI systems offers a lot of possibilities, but there remains challenged to solve before observing the same spread as the PET/CT in imaging facilities. In particular, the photon attenuation, which must be corrected to provide a quantitative imaging, remains an issue. In this work, we address this issue by proposing solutions for the different regions of the body. A special attention is drawn to the pelvic region. Indeed, the state of the art of available methods exposes a small number of solutions for this area ; even so it is rich in attenuation osseous tissues et area of occurrence of the second most common cancer in men : prostate cancer. We assess the impact of the proposed solution on the scattered photons correction, still in the aim of obtaining a quantitative imaging modality. The different methodologiesof correction and evaluation use Monte Carlo numerical simulations.