Les nanoparticules seront sans doute les outils diagnostiques et thérapeutiques de demain. Si ellessont magnétiques, elles sont promises à des applications telles que le renforcement du contraste enIRM, la thermothérapie et la libération contrôlée de médicaments. Les nanomatériaux La1-xSrxMnO3ont été sélectionnés car leur température de Curie (TC) peut être ajustée dans la gamme detempérature thérapeutique. Des particules calibrées en taille et désagrégées ont été élaborées par leprocédé glycine-nitrate (GNP). Les caractérisations chimiques et structurales ont permis de mieuxcomprendre les résultats contradictoires de la littérature concernant la soi-disant dépendance de TCavec la taille des nanoparticules. L’adaptabilité de ces nanoparticules pour des applications enhyperthermie ou en IRM a été confirmée. Enfin, la capacité des nanoparticules à s’échauffer a étéutilisée pour réticuler autour d’elles une couronne de macromolécules thermosensibles selon leconcept nouveau de chimie localement stimulée. / Nanoparticles may be the next generation of diagnostic and therapeutic tools. If they are magnetic,they are dedicated to applications such as MRI contrast agent, thermotherapy and controlled drugrelease. La1-xSrxMnO3 nanoparticles were selected because their Curie temperature (TC) may be tunedwithin the range of therapeutic temperature. Size sorted and disaggregated particles weresynthesized by the Glycine-Nitrate Process. Chemical and structural characterizations allowed abetter understanding of conflicting results found in the literature about the particle size-dependenceof TC. The possibility to use these nanoparticles for hyperthermia and MRI applications has beenconfirmed. Finally, their ability to heat has been used to crosslink thermosensitive macromoleculesall around them according to the new concept of locally stimulated chemistry.

Les produits de contraste ultrasonore constituent un véritable apport pour l’imagerie échographique et sont aujourd’hui utilisés en clinique pour l’évaluation de la perfusion cardiaque ou encore la détection de tumeurs. Depuis quelques années, les transducteurs capacitifs micro-usinés (cMUTs) se présentent comme une alternative intéressante aux transducteurs piézoélectriques classiques et offrent certains avantages comme une large bande passante. Nous proposons dans cette thèse d’évaluer le potentiel de cette technologie pour l’imagerie de contraste. Dans un premier temps, notre étude s’est orientée vers l’adaptation des cMUTs à l’imagerie non linéaire. Ensuite, de nouvelles méthodes de détection de contraste, basées sur le comportement spécifique des microbulles, ont été développées pour exploiter les avantages de la technologie cMUT. Comparés aux méthodes conventionnelles, les résultats obtenus montrent une meilleure visualisation des agents de contraste par rapport aux tissus environnants. L’utilisation de cMUTs améliore l’efficacité de ces méthodes démontrant, ainsi, leur intérêt pour l’imagerie de contraste. / Using ultrasound contrast agents, many clinical diagnoses have now been improved thanks to new contrast dedicated imaging techniques. Contrast agents are now used routinely in cardiology and in radiology to improve the detection and visualization of blood perfusion in various organs (e.g. tumors). Since a few years, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (cMUTs) have emerged as a good alternative to traditional piezoelectric transducer. cMUTs provide several advantages such as wide frequency bandwidth which could be further developed for nonlinear imaging. In this dissertation, we propose to exploit cMUT for contrast agent imaging. Firstly, the excitation signal was adapted to suppress the inherent nonlinear behavior of cMUT. Then, new detection methods based on specific acoustic properties of microbubbles have been developed and evaluated with a cMUT probe. Results show a good suppression from tissue responses whereas echoes from microbubbles are enhanced. Furthermore, the efficiency of each method is improved by the use of cMUT revealing the potential of this new transducer technology for contrast agent detection.

Abstract Osteoarthritis (OA) is a heterogenic joint disease significantly affecting the quality of life of a patient, causing pain and disability. OA causes degenerative changes to the structure and composition of articular cartilage and subchondral bone. Currently, effective treatments for OA are limited, partly due to limitations in defining the imaging biomarkers of early OA. Improvement of imaging modalities in OA research and clinical setup is a requirement for quantitating early OA-related tissue features. In the clinical and preclinical setup, computed tomography (CT) enables imaging of bone and, using specific contrast agents, articular cartilage. The aim of this study is to create and validate novel micro-computed tomography (μCT) methods to quantify OA-related features and modifications in articular cartilage and subchondral bone. Contrast-enhanced μCT methods for imaging the collagen (phosphotungstic acid (PTA) and phosphomolybdic acid (PMA)) and GAG (CA4+) content of the articular cartilage in vitro were validated against various reference methods measuring the biochemical composition of articular cartilage. To improve the μCT imaging of subchondral bone, grey-level co-occurrence matrix (GLCM) based analysis of sub-resolution features of subchondral bone was introduced. In addition, to test the translatability of the GLCM-based analysis to clinical resolution, sub-resolution features extracted from clinical cone-beam CT were validated against the subchondral bone morphometrics from the μCT. PTA showed stronger association with the collagen content of the articular cartilage compared to PMA. PTA was also associated with collagen content even in degraded articular cartilage. CA4+ distribution was found to accumulate in chondrons and surrounding areas, suggesting that it is a prominent contrast agent for high-resolution μCT studies of chondrocytes. The GLCM-based analysis of subchondral bone provided information on cellular structure from μCT images and trabecular bone micro-structures from clinical CT images. In conclusion, μCT imaging can provide quantitative information on the collagen content and chondrons of articular cartilage, as well as on osteocytes in subchondral bone. The methods presented here extend the tools for researchers to quantify osteochondral tissue modifications in OA. Furthermore, the developed image processing tools could be translatable to the clinical CT. / Tiivistelmä Nivelrikko on heterogeeninen niveltauti, joka huonontaa yksilön elämän laatua aiheuttaen kipua ja liikuntakyvyttömyyttä. Nivelrikko aiheuttaa nivelkudosten rappeumaa vaikuttaen mm. ruston ja rustonalaisen luun rakenteeseen ja koostumukseen. Nivelrikon kudosmuutosten kuvantamisen kehittäminen ja määrällinen tutkiminen taudin alkuvaiheissa tukisivat nykyisten nivelrikon hoitomenetelmien kehittämistä. Kliinisessä käytössä ja perustutkimuksessa, tietokonetomografia (TT) mahdollistaa luukuvantamisen ja varjoaineita käytettäessä myös rustokuvantamisen. Tämän väitöskirjan tavoitteena on esitellä ja validoida uusia mikrotietokonetomografia-menetelmiä (μTT) nivelrikon rusto- ja luumuutosten määrälliseen tutkimukseen. Varjoaineavusteisia μTT in vitro menetelmiä ruston kollageenin (fosfovolframihappoa (PTA) ja fosfomolybdeenihappoa (PMA)) ja GAG (CA4+) jakauman määrälliseen tutkimukseen validoitiin useilla eri ruston biokemiallista koostumusta mittaavilla vertailumenetelmillä. Rustonalaisen luun kuvantamista kehitettiin soveltamalla harmaasävyjen tekstuurianalyysiä, jolla pyrittiin tunnistamaan kuva-alkiota pienempiä luurakenteita. Rustonalaisen luun μTT-kuvien analyysien tulokset validoitiin synkrotronisäteilyyn perustuvan μTT:n avulla. Lisäksi tekstuurianalyysin soveltuvuutta testattiin kliinisen resoluution kartiokeilan TT-kuville. Kuvista analysoituja tekstuuriparametrejä verrattiin μTT:lla mitattuun todelliseen rustonalaisen luun rakenteeseen. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että PTA on spesifimpi kollageenille testatuista varjoaineista ja sen jakauma on verrannollinen kollageenijakaumaan jopa rappeutuneessa nivelrustossa. GAG-spesifisen varjoaineen CA4+:n todettiin kerääntyvän myös kondroneihin, mikä viittaa siihen, että kyseinen varjoaine soveltuisi potentiaalisesti rustosolujen korkean resoluution μTT-tutkimuksiin. Rustonalaisen luun μTT-kuvista analysoitujen tekstuuriparametrien havaittiin olevan verrannollisia osteosyyttien tilavuusfraktion kanssa. Väitöskirjassa esitettyjen tulosten perusteella μTT-kuvantaminen tarjoaa kvantitatiivisen menetelmän nivelruston kollageenijakauman ja rustosolujen sekä rustonalaisen luun osteosyyttien tutkimuksiin. Väitöskirjassa esitetyt menetelmät laajentavat jo olemassa olevaa tutkimusmenetelmien kirjoa nivelrikon aiheuttamien nivelrusto- ja luumuutosten tutkimuksessa. Lisäksi kehitetyt kuva-analyysimenetelmät voivat tarjota tarkempaa tietoa kliinisestä TT:sta.

Nous avons synthétisé différentes dyades donneurs-accepteurs (D-A) π-conjuguées à base de fullerène pour des applications photovoltaïques dans lesquelles les unités D étaient soit des oligophenylenevinylenes (OPV) soit des oligophenyleneethynylene (OPE) et les unités A étaient le C60 ou un endofullerène du type Y3N@C80. Il y avait une exigence supplémentaire pour nos matériaux, à savoir qu’ils devaient s’auto-organiser en phases liquides-cristallines. Pour ce faire, toutes les unités D contenaient un promoteur mésogène afin d'induire le mésomorphisme de la dyade D- et donc de contrôler la morphologie des couches minces nécessaires à l’élaboraiton des cellules photovoltaïques grâce à une organisation supramoléculaire. En dehors de cela, nous avons étudié l’influence de la nature chimique du donneur (par exemple lyophile ou amphiphile), de la longueur des oligomères et de la multiaddition sur les propriétés photophysiques et sur l'auto-assemblage. Nous avons synthétisé une dyade OPE-Y3N@C80 qui est le premier dérive mésomorphe et photosensible de ce type de métallofullerène endohédral. / We have synthesized different π-conjugated system-fullerene dyads for photovoltaic applications, where the donor units were either oligophenylenevinylene (OPV) or oligophenyleneethynylene (OPE) derivatives and for the acceptor, C60 or Y3N@C80 was used. There was an additional requirement for our materials: liquid crystallinity. All the donor units contained a mesogenic promoter in order to induce mesomorphism in the D-A dyad and to control the morphology of the prepared film through supramolecular organization. Apart from that, we investigated the effect of the chemical nature of the donor moiety (ie. lyophilic or amphiphilic), the oligomeric length and multiaddition on the photophysical properties and on the self-assembly. We have synthesized an OPE-Y3N@C80 dyad which is the first trimetallic nitride template endohedral metallofullerene derivative with mesomorphic and photoactive properties.

Ce travail expose deux stratégies pour le développement de nouveaux agents de contraste pour le diagnostic par IRM rehaussée par l’effet Overhauser.Le premier thème de ce travail est consacré au développement d’une sonde radicalaire, de type nitroxyde, capable de modifier sa signature RPE (Résonance Paramagnétique Electronique) en fonction d’une activité enzymatique. Cette modification, due à un changement conformationnel, a permis une irradiation microonde sélective de la sonde libérée par protéolyse. Cette particularité a pu être appliquée à l’IRM rehaussée par l’effet Overhauser et une amélioration du contraste de l’image de 1200% in vitro a été observée après hydrolyse enzymatique. Du fait de contraintes techniques, une amélioration du contraste de 600% a été obtenue in vivo alors que de nos jours,les agents de contraste les plus courants en clinique, basés sur des complexes de GdIII, améliorent le contraste de l’image d’environ 50 %. Le second thème aborde la synthèse et l’étude physico-chimique d’alcoxyamines, précurseurs de nitroxydes, pour le diagnostic par IRM rehaussée par l’effet Overhauser. Le point clé de cette approche repose sur l’activation de ces molécules afin de libérer rapidement le nitroxyde in situ. Les résultats de monoactivation chimique étant encourageants, la double activation chimique de ces nouvelles alcoxyamines a permis d’abaisser drastiquement le temps de demi-vie de l’une d’entre elles pour obtenir des valeurs compatibles avec des applications en diagnostic. Un pseudo-peptide sélectif de la chymotrypsine a également été greffé,ce qui a permis d’aboutir à une alcoxyamine modèle qui permettra de valider le concept de diagnostic recherché. / This work promotes two strategies for the development of new contrast agents for the diagnosis by Overhauser enhanced MRI. Two approaches have therefore been addressed.The first approach is devoted to the development of a nitroxide-type spin label, which is capable to change its EPR (Electron Paramagnetic Resonance) signature upon a non-radical enzymatic activity. This modification, due to a conformational change, allowed us to perform a selective microwave irradiation of the probe released by proteolysis. This feature was applied to Overhauser enhanced MRI and of the image after enzymatic hydrolysis of 1200% in vitro has been obtained. Due to technical hindrances, a contrast enhancement of 600% has been obtained in vivo, while nowadays, the most common clinical contrast agent, based on GdIII complex, improve image contrast around a value of 50%.The second topic deals with the synthesies and the physico-chemical study of alkoxyamines, as nitroxide precursors, for the diagnosis by MRI enhanced by the Overhauser effect. The key point of this approach is based on the activation of these molecules to quickly release the nitroxide in situ. Encouraged by the results of chemical monoactivation, we performed the double chemical activation of these new alkoxyamines to drastically reduce the half-life time of one of them to obtain values compatible with diagnostic applications. A selective pseudo-peptide of chymotrypsin has also been grafted, which allowed us to achieve an alkoxyamine model that will validate our concept of diagnosis.

L'objectif de cette étude était de préparer et de caractériser les particules submicroniques multifonctionnelles utilisables simultanément pour le diagnostic et le traitement de plusieurs maladies mortelles telles que le cancer. Pour ce faire, une étude systématique a été réalisée afin de comprendre les mécanismes impliqués et d'optimiser les paramètres du procédé de double émulsion-évaporation de solvant pour la préparation de ces particules. Pour l’imagerie in vitro, des nanoparticules polymériques fluorescentes (FluoSpheres®) ont été encapsulées dans une matrice polycaprolactone dégradable en utilisant le procédé de l’émulsion double-évaporation de solvant. Pour l’imagerie invivo, des nanoparticules d'or colloïdal ont été préparées et encapsulées via le même procédé et parfaitement caractérisées. Enfin, pour application theranostic, les nanoparticules d'or (comme agent de contraste) et un actif moléculaire (hydrophile Nefopam et hydrophobe benzoate de benzyle) ont été encapsulés simultanément dans des particules de polycaprolactone. Ces particules multifonctionnelles ont été caractérisées et évaluées in vitro comme model de pénétration cutané / The objective of this study was to prepare and characterize multifunctional submicron particles that can be used for diagnosis and therapy of several fatal diseases including cancer (i.e theranostic). For this purpose, a systematic study was performed in order to optimize the process parameters for preparation of polymeric particle that can be used as a platform for effective delivery of drugs and imaging labels. The imaging agent (FluoSpheres®) was encapsulated via double emulsion solvent evaporation technique to be used fluorescent contrast agent and their in vitro evaluation was performed. Then, gold nanoparticles were prepared by using NaBH4 reduction method, characterized and encapsulated by polycaprolactone polymer for in vitro applications. Finally, the gold nanoparticle were loaded into polycaprolactone particle along with a hydrophilic drug (Nefopam) and a hydrophobic drug (benzyl benzoate) simultaneously. The prepared particles were then characterized physicochemically and in vitro skin penetration study was performed

L’objectif de ce travail a été la préparation de nanoparticules pour l’administration intratumorale. Ladouble functionalisation de ces nanoparticules est rapidement approuve comme extrement intéressant, car ellespeuvent être utilisé pour le diagnostic in vivo et la thérapie (théranostics). Pour réaliser ce type desnanoparticules, l’oxyde de fer a été choisi comme agent de contraste pour une utilisation en imagerie parrésonance magnétique (IRM) pour le diagnostic de cellules cancéreuse. Les nanoparticules d’oxyde de fer ont étépréparées dans des milieux aqueux et organique. La méthode d’émulsification multiple suivie de l’évaporationde solvant a été utilisée pour l’encapsulation concomitante d’un principe actif et des nanoparticules de l’oxydede fer. Tous les paramètres affectant la taille des nanoparticules pendant le procédé ont été étudiés en utilisantune molécule active hydrophile modèle (une dérivative de la Stilbene) et le protocole standard a ensuite étéévalué. Dans une seconde étape, les particules d’oxyde de fer ont été encapsulées par la même méthoded’émulsion évaporation et entièrement caractérisées en termes de morphologie, taille, magnétisation, etcomposition chimique. La visualisation in vitro des particules modèles a été réalisée par IRM et comparée a unproduit commercial à base de Gadolinium (Gd). D’autre part, la quantité nécessaire d’oxyde de fer permettantune bonne visualisation par IRM a été déterminée par une étude in vivo menée sur des souris. Enfin la doubleencapsulation d’oxyde de fer avec une molécule anticancéreuse a été effectuée par la méthode développée, laformulation obtenue a été entièrement caractérisée. / The objective of this work was the preparation of nanoparticles for intratumoral administration.Important characteristic was dual functionality of these nanoparticles that they can be used for diagnosis andtherapy so the resulting nanoparticles will serve as theranostic agents. For this purpose iron oxide was chosen asa contrast agent to be used in Magnetic resonance imaging (MRI) for diagnosis of cancerous cells. Iron oxidenanoparticles (IONPs) were prepared in aqueous and organic medium. A multiple emulsion evaporation methodwas designed for the encapsulation of active ingredient (hydrophilic drug i-e Stilbene) and the IONPs. All theparameters affecting the colloidal properties final hybrid particles were studied and characterization was done forfinal particles. Then prepared particles were evaluated for in vitro MRI and also compared with commerciallyavailable products such as gadolinium (Gd). At same time, the minimum detectable quantity of iron oxide in vivowas determined using a commercialized iron oxide emulsion on rat models. Finally an anticancer agent wasencapsulated with IONPs using same multiple emulsion method and characterization was done.

Des bulles micrométriques sont utilisées dans divers domaines, notamment dans des applications médicales basées sur les ultrasons. Il est possible d’exploiter différents effets des bulles, comme par exemple leur résonance acoustique ou leur effet destructeur en cavitation inertielle. Un autre mécanisme exploitable est la génération de micro-écoulements, appelé microstreaming, induits autour d’une bulle. Ces écoulements sont relativement lents par rapport aux oscillations rapides de la bulle. Le microstreaming et les contraintes de cisaillement associées jouent un rôle important dans la perméabilisation d’une membrane cellulaire, mais il manque encore une compréhension détaillée de l’écoulement induit. Afin d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques, ce travail se concentre sur les écoulements induits autour d’une bulle d’air dans piégée et excitée acoustiquement dans de l’eau et oscillante en modes de surface. La partie expérimentale se décompose de deux étapes. Dans un premier temps, il est nécessaire de contrôler la dynamique de la bulle, en particulier ses modes de surface et son orientation. Ceci est réalisé par coalescence entre deux bulles. Dans un second temps, le microstreaming est généré et enregistré simultanément à la dynamique de bulle. De cette manière il est possible de corréler les motifs d'écoulement aux oscillations de la bulle. Le grand nombre de motifs obtenus peut être classé selon le mode dominant et la taille de la bulle. Une étude plus détaillée de la dynamique de bulle permet de déduire les paramètres importants qui mènent à une telle variété de motifs de microstreaming. Afin de confirmer les résultats expérimentaux, un modèle analytique a été développé. Il est basé sur les équations de la mécanique des fluides de deuxième ordre et moyennées en temps, la dynamique d'interface de la bulle obtenue expérimentalement sert de donnée d’entrée au modèle. Ce manuscrit contient en supplément une section sur la génération de microjets par l'implosion d'agents de contraste. Ces jets peuvent apparaître en cas d’excitation acoustique suffisamment élevée. L’impact de ces jets sur parois présente un autre mécanisme responsable de la perméabilisation de membranes cellulaires. / Microbubbles find use in several domains, one of them being medical ultrasound applications. Different characteristics of those bubbles such as their acoustic resonance or their destructive effect during inertial cavitation can be exploited. Another phenomenon induced around acoustically excited bubbles is microstreaming, that means a relatively slow mean flow with respect to the fast bubble oscillations. Microstreaming and its associated shear stresses are commonly agreed to play a role in the permeabilization of cell membranes, a detailed understanding of the induced flows is however missing. To acquire basic physical knowledge, this work focuses on the characterization of streaming induced around an air bubble in water, more precisely around a single acoustically trapped and excited, nonspherically oscillating bubble. The experimental part consists of two steps. First, the bubble dynamics, in particular the triggered shape mode and the orientation of the bubble have to be controlled. For this, the use of bubble coalescence proves to be an adequate method. In a second step, the microstreaming is recorded in parallel to bubble dynamics. This allows to correlate the obtained streaming patterns to the respective shape oscillations. The large number of obtained pattern types can be classified, in particular with respect to the mode number and bubble size. A close investigation of the bubble dynamics allows furthermore deducing the important physical mechanisms which lead to such a variety of streaming patterns. In order to confirm the experimental findings, an analytical model has been developed. It is based upon time-averaged second-order fluid mechanics equations and the experimentally obtained bubble dynamics serves as input parameters. Supplementary to the microstreaming work, this manuscript contains a short section on directed jetting of contrast agent microbubbles, which might appear at high acoustic driving. The impact of those microjets on cell membranes presents another mechanism made responsible for the permeabilization of cell membranes.

This master´s thesis is focused on the application of evolutionary algorithms for interleaving data obtained by ultrasound scanning of tissue. The interleaved curve serves to estimate perfusion parameters, thus allowing to detect possible pathophysiology in the scanned area. The theoretical introduction is devoted to perfusion and its parameters, contrast agents for ultrasonic application, ultrasonic modality scanning, optimization, evolutionary algorithms in general and two selected evolutionary algorithms - genetic algorithm and bee algorithm. These algorithms were tested on noisy data obtained from clinical images of mice with tumor. The final part summarizes the results of the practical part and provides suggestions and recommendations for further possible development.

Thirty-four patients with acute hemispheric ischemic strokes underwent both CT angiography and contrast-enhanced transcranial color-coded duplexsonography (TCCD) to study the effectiveness of the combined noninvasive techniques for evaluation of the circle of Willis. In 3/34 patients, CT angiography and contrast-enhanced TCCD demonstrated middle cerebral artery (MCA) occlusion, in 5 others MCA stenosis. A severe posterior cerebral artery stenosis was missed by CT angiography. In 8 patients, contrast-enhanced TCCD failed because of poor bone windows. In these patients, CT angiography was normal. CT angiography and contrast-enhanced TCCD are complementary noninvasive diagnostic tools. Disagreements between the diagnostic findings of these methods still need further evaluation by digital subtraction angiography. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.