京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20984号 / 医博第4330号 / 新制||医||1027(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 武藤 学, 教授 森田 智視, 教授 富樫 かおり / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21294号 / 医博第4383号 / 新制||医||1030(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 佐藤 俊哉, 教授 今中 雄一, 教授 増永 慎一郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

<p>This research addresses low dose ionizing radiation exposure and risk. While it is well understood that high doses of radiation lead to deleterious health effects, there is controversy surrounding the definitive level of risk associated with exposure to low doses of radiation. These types of low level exposures are relevant to patients undergoing medical imaging procedures. This thesis considers the health effects associated with nuclear medicine, specifically positron emission tomography (PET), with the radiopharmaceutical 2-deoxy-2-(¹⁸F)fluoro-D-glucose(¹⁸F-FDG). These effects were studied in mice to eliminate the high degree of variability among human patients.</p> <p>The early response to various injection activities of ¹⁸F-FDG was first considered in terms of the DNA damage response in the haematopoietic cells of wild-type <em>Trp53+/+</em> mice. The late effects of PET scans with clinically relevant doses of ¹⁸F-FDG, such as carcinogenesis, were evaluated in cancer prone <em>Trp53+/-</em> mice. The role of p53 in the response to low dose radiation was also investigated to explore how short term responses correlate with p53-mediated cancer risk. This work has helped to advance the understanding of low dose radiation biology and the health risks associated with medical imaging procedures.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie fonctionnelle, utilisée en particulier lors du développement de nouveaux médicaments et pour imager les tumeurs. En TEP, l’estimation de la concentration plasmatique artérielle d’activité du traceur non métabolisé (nommée « fonction d’entrée ») est nécessaire pour l’extraction des paramètres pharmacocinétiques. Ceux-ci permettent de quantifier le comportement du traceur dans les tissus, ou plus précisément le traitement du traceur par les tissus. Cette thèse constitue une contribution à l’étude de la fonction d’entrée, par l’élaboration d’une méthode d’estimation de la fonction d’entrée peu invasive à partir des images TEP et de prélèvements veineux. L’exemple du traceur FDG (analogue du glucose) dans le cerveau humain a été choisi. La méthode proposée repose sur la modélisation compartimentale de l’organisme : elle déconvolue le modèle à trois compartiments utilisé pour le FDG. L’originalité de la méthode repose sur trois points : l’utilisation d’un grand nombre de régions d’intérêt ; l’utilisation d’un grand nombre de jeux de trois régions d’intérêt différentes; une estimation itérative. Pour la validation de la méthode, un soin particulier a été porté à la simulation d’images TEP (simulation d’acquisition, reconstruction, corrections) de plus en plus réalistes, depuis une image simple simulée avec un simulateur analytique jusqu’à une image la plus proche possible de la réalité, simulée avec simulateur Monte-Carlo. Une chaîne de pré-traitement (segmentation des IRM associés, recalage entre images TEP et IRM et correction de l’effet de volume partiel par une variante de la méthode de Rousset) a ensuite été appliquée à ces images afin d’extraire les cinétiques des régions d’intérêt, données d’entrée de la méthode d’estimation de la fonction d’entrée. L’évaluation de la méthode sur différentes données, simulées et réelles, est présentée, ainsi que l’étude de la sensibilité de la méthode à différents facteurs tels que les erreurs de segmentation, de recalage, de mesure de l’activité des prélèvements sanguins. / Positron Emission Tomography (PET) is a method of functional imaging, used in particular for drug development and tumor imaging. In PET, the estimation of the arterial plasmatic activity concentration of the non-metabolized compound (the "input function") is necessary for the extraction of the pharmacokinetic parameters. These parameters enable the quantification of the compound dynamics in the tissues. This PhD thesis contributes to the study of the input function by the development of a minimally invasive method to estimate the input function. This method uses the PET image and a few blood samples. In this work, the example of the FDG tracer is chosen. The proposed method relies on compartmental modeling: it deconvoluates the three-compartment-model. The originality of the method consists in using a large number of regions of interest (ROIs), a large number of sets of three ROIs, and an iterative process. To validate the method, simulations of PET images of increasing complexity have been performed, from a simple image simulated with an analytic simulator to a complex image simulated with a Monte-Carlo simulator. After simulation of the acquisition, reconstruction and corrections, the images were segmented (through segmentation of an IRM image and registration between PET and IRM images) and corrected for partial volume effect by a variant of Rousset’s method, to obtain the kinetics in the ROIs, which are the input data of the estimation method. The evaluation of the method on simulated and real data is presented, as well as a study of the method robustness to different error sources, for example in the segmentation, in the registration or in the activity of the used blood samples.

Einleitung: Die Untersuchung des regionalen zerebralen Glucosestoffwechsels mittels [18F]-2-Fluor-2-desoxy-D-glucose Positronen-Emissions-Tomographie ([18F]FDG-PET) ist ein etabliertes Verfahren der molekularen Bildgebung in der Diagnostik kognitiver und affektiver Störungen. Zwischen verschiedenen Untersuchungen kann es zu intra- und interindividuellen Unterschieden im Vigilanzniveau kommen. Das Ziel dieser ersten Machbarkeitsstudie war die Untersuchung des Zusammenhangs von aktuellem Vigilanzniveau und regionalem Glucosestoffwechsel während der [18F]FDG-PET. Methoden: 14 ältere Patientinnen und Patienten mit depressiver Episode oder leichter kognitiver Beeinträchtigung (MCI, mild cognitive impairment) wurden mit simultaner Elektroenzephalographie und [18F]FDG-PET unter Ruhebedingungen untersucht. Der Zusammenhang von Vigilanzniveau und regionalem Glucosestoffwechsel wurde mittels voxelweiser einfacher linearer Regression analysiert. Ergebnisse: Der Hauptbefund war eine Zunahme des regionalen zerebralen Glucosestoffwechsels mit abnehmendem Vigilanzniveau während der [18F]FDG-PET-Untersuchung in räumlich ausgedehnten frontalen und temporalen Kortizes. Diskussion: Vigilanzbezogene Veränderungen des Glucosestoffwechsels finden sich in vergleichbaren Hirnregionen und Effektstärken wie Veränderungen des Glucosestoffwechsels bei Patientinnen und Patienten mit depressiver Störung oder MCI gegenüber Gesunden. Der Einfluss des Vigilanzniveaus auf den Glucosestoffwechsel während der [18F]FDG-PET-Untersuchung sollte in kontrollierten Studien gesunder Personen validiert werden.

Le cancer est chaque année responsable de 7,6 millions de décès dans le monde. L'amélioration des traitements constitue donc un enjeu majeur de santé publique. Il a été démontré que l'association d'un diagnostic précoce et d'un traitement efficace était associée à un impact significatif sur la survie des patients. De nombreux facteurs pronostics de la survie ont été identités et sont actuellement utilisés en routine clinique. Ce diagnostic est souvent réalisé en partieà l'aide de l'imagerie de Tomographie par Emission de Positons (TEP), cette dernière s'étantavérée être un outil très performant pour l'identification des tumeurs et métastases dans uncertain nombre de modèles de cancer. La TEP fait partie des modalités d'imagerie fonctionnelleet a donc le potentiel de fournir des informations liées à la biologie sous-jacente des cancers.Toutefois, du fait de sa faible résolution spatiale, elle n'avait que très peu été utilisée avec cet objectif.Ce travail de thèse a consisté à étudier des paramètres quantitatifs pouvant être extraitsde ces images, plus spécifiquement ceux permettant la caractérisation de l'hétérogénéité intratumorale. Nous avons pu identifier un ensemble de paramètres issus de l'analyse de texture quisont reproductibles, robustes aux effets de volume partiel et à la méthode de segmentation, etvraisemblablement liés à la physiologie tumorale. Nous avons également pu mettre en évidencele potentiel de ces paramètres extraits d'images de diagnostic, pour contribuer à la prédiction dela réponse thérapeutique ainsi que comme facteur pronostic. Ces nouveaux indices quantitatifspourraient à relativement court terme venir compléter les facteurs de référence courammentutilisés aujourd'hui en oncologie pour la prise en charge thérapeutique des patients. / Cancer is responsible every year for the death of 7.6 million people. Treatments improvement is thus of the greatest importance regarding public health. The association of an early diagnosis with an efficient treatment was shown to lead to a significant impact on patients survival rates. Numerous prognostic factors have been identified and are now being used in clinical routine. Nowadays, Positron Emission Tomography (PET) imaging is often used for tumor and metastasis identification because of its established accuracy in numerous cancer models. PET belongs to the functional imaging techniques and may potentially therefore provide information relative to cancer biology. Nevertheless, because of its low spatial resolution, this technique has not been extensively considered for such a purpose. This thesis work aimed at studying quantitative parameters that could be extracted from PET images through texture analysis, in order to characterize tumor heterogeneity. We identified a set of reproducible parameters, robust with respect to partial volume effects as well as segmentation methods that are probably related to the tumor physiology. We have also demonstrated the power of these parameters obtained from diagnostic images for contributing in predicting the therapeutic response as prognostic factors. These new quantitative parameters could in the relatively short term be utilized complementarily to standard oncology factors for patient management purposes.

As doenças cardiovasculares são a principal causa de mortalidade no mundo. A aterosclerose é a base fisiopatológica dessas doenças, sendo definida como um processo crônico-inflamatório multifatorial, resultando da interação de diferentes células como linfócitos, macrófagos, células endoteliais e células musculares lisas na parede arterial. A lipoproteína de baixa densidade eletronegativa [LDL(-)], uma subfração modificada da LDL nativa, desempenha um papel-chave na aterosclerose, uma vez que as modificações sofridas por esta partícula são capazes de induzir o acúmulo de ésteres de colesterol em macrófagos e a subsequente formação de células espumosas. O sistema imunológico é crucial no processo aterogênico e estratégias terapêuticas direcionadas à imunoregulação deste processo têm sido utilizadas como novas alternativas tanto na prevenção do desenvolvimento quanto da progressão desta doença. Dentre essas estratégias, destaca-se o uso de fragmentos de anticorpos como o scFv (do inglês, single chain fragment variable), que podem ainda estar conjugados a nanopartículas com o intuito de aumentar sua eficiência de ação no organismo. Diante do papel da LDL(-) na aterosclerose, este projeto objetivou avaliar os efeitos in vitro e in vivo de um sistema nanoestruturado contendo fragmentos scFv anti-LDL(-) derivatizados na superfície de nanocápsulas sobre macrófagos murinos e humanos primários e em camundongos knockout para o gene do receptor da LDL (Ldlr-/-) no desenvolvimento e na progressão dessa doença. Demonstrou-se que o tratamento de macrófagos com a formulação scFv anti-LDL(-)-MCMN-Zn diminuiu de forma significativa a captação de LDL(-), assim como a expressão de IL-1&#946; (mRNA e proteína) e MCP-1 (mRNA). Foi demonstrada a internalização da nanoformulação pelos macrófagos via diferentes mecanismos de endocitose, demonstrando seu potencial uso como carreador de fármacos. In vivo, a nanoformulação diminuiu de forma significativa a área da lesão aterosclerótica em camundongos Ldlr-/- submetidos à avaliação pela técnica de tomografia por emissão de pósitrons (do inglês, PET), utilizando o radiotraçador 18F-FDG (18F-desoxiglicose), associada à tomografia computadorizada (CT) com agente de contraste iodado, além da análise morfométrica das lesões no arco aórtico. O conjunto dos resultados obtidos evidenciou a ação ateroprotetora da formulação scFv anti-LDL(-)-MCMN-Zn, reforçando seu potencial como estratégia terapêutica na aterosclerose. / Cardiovascular diseases are the leading cause of mortality worldwide. Atherosclerosis is the pathophysiological basis of these diseases, defined as a chronic inflammatory multifactorial process, resulting from the interaction of several cells such as lymphocytes macrophages, endothelial cells and smooth muscle cells within the arterial wall. The electronegative low-density lipoprotein [LDL(-)], a modified subfraction of native LDL, plays a key role in atherosclerosis, since its modifications are capable of inducing the accumulation of cholesteryl esters in macrophages and the subsequent foam cells formation. The immune system is crucial in atherogenic process and therapeutic strategies directed to the immunoregulation of this process have been used as a new alternative in the prevention of the development as well as the progression of this disease. Among these strategies, it is the use of antibody fragments such as scFv (single chain fragment variable), which may be also conjugated to nanoparticles in order to increase their efficiency in the body. Given the role of LDL(-) in atherosclerosis, the aim of this project was to evaluate the in vitro and in vivo effects of a nanostructured system containing scFv anti-LDL(-) fragments derivatized on the surface of nanocapsules on murine and human primary macrophages and in the development and progression of the disease in LDL receptor knockout mice (Ldlr-/-). It was demonstrated that the treatment of macrophages with scFv anti-LDL(-)-MCMN-Zn formulation significantly decreases the uptake of LDL(-) and the expression IL-1&#946; (mRNA and protein) and MCP-1 (mRNA). Moreover, the internalization of the nanoformulation by macrophages through different endocytosis mechanisms was shown, demonstrating its potential use as a nanocarrier. In vivo, the nanoformulation decreased the area of atherosclerotic lesions in Ldlr-/- mice evaluated by positron emission tomography with 18F-FDG associated with computed tomography with iodinated contrast agent (PET/CT), besides the lesion morphometric analysis at the aortic arch Thus, these data provide evidence of the atheroprotection action of the ateroprotection action of the scFv anti-LDL(-)-MCMN-Zn formulation, suggesting its promising use as a therapeutic strategy for atherosclerosis.

Le traitement initial des cancers différenciés de la thyroïde (CTD) consiste en une thyroïdectomie totale suivie, dans de nombreux cas par l’administration d’iode 131. Après thyroïdectomie totale, un traitement par iode 131 est indiqué en fonction des caractéristiques tumorales initiales. Chez les patients à risque élevé de rechute il est recommandé d’administrer une forte activité d’iode 131. Chez les patients à très faible risque il est recommandé de ne pas administrer d’iode 131. Dans le groupe intermédiaire, il a été montré par deux études prospectives multicentriques randomisées (ESTIMABL et HILO) qu’une activité de 1,1 GBq (30 mCi) administrée après TSHrh (Thyroid Stimulating Hormon recombinante humaine) était adaptée. La désescalade thérapeutique se poursuit dans le cadre d’un autre essai prospectif randomisé (ESTIMABL 2) comparant une activité de 30 mCi après injection de TSHrh à une simple surveillance. Chez les patients avec maladie résiduelle la tomographie par émission de positon couplée à un scanner (TEP/TDM) au fluorodesoxyglucose (FDG) est un examen clé avec une valeur à la fois diagnostique et thérapeutique. Les fixations de FDG permettent de localiser la maladie résiduelle, surtout lorsqu’elle ne capte pas l’iode. Chez les patients dont le site de récidive n’est pas déterminé par l’échographie cervicale, la TEP/TDM au FDG est plus sensible que la scintigraphie post-thérapeutique réalisée après administration d’une forte activité d’iode 131 (dite activité empirique) et est considéré comme l’examen de première intention. La réalisation d’une stimulation par TSHrh avant la TEP au FDG augmente le nombre de lésions détectées et donc sa sensibilité sans que les modifications thérapeutiques qui en découlent soient néanmoins significatives. Le rôle de la TEP FDG dans la sélection des patients nécessitant un traitement par inhibiteur de tyrosine kinase et dans l’évaluation antitumorale des inhibiteurs de tyrosine kinase reste à démontrer. L’utilisation d’ITK pour ré-induire les fixations d’iode 131 sont une voie majeure de développement pour les patients ayant une maladie réfractaire à l’iode 131. / Initial treatment of differentiated thyroid cancer is based on a total thyroidectomy and in many cases on the administration of radioactive iodine. Following total thyroidectomy, radioactive iodine is given, based on the primary tumor characteristics. In case of a very low risk of recurrence it is recommended not to give radioactive treatment. In case of high risk patients, a high activity of radioactive iodine is given after TSH stimulation. In case of intermediate risk patients, two randomized prospective studies (ESTIMABL and HILO) have shown that an activity of 1,1 GBq (30 mCi) given after rhTSH (recombinant human Thyroid Stimulating Hormon) was adequate. A further step is taken towards less treatment has now been undertaken with the ESTIMABL2 study, a prospective randomized study comparing a treatment with 1,1 GBq (30 mCi) of radioactive iodine treatment to follow-up without ablation. In patients with persistent disease, positron emission tomography with computed tomography (PET/CT) is a key examination used for its diagnostic and prognostic value. Foci of FDG uptake can localize residual disease, especially when it does not take up radioactive iodine. In patients in whom the site of recurrence remains unknown after a neck ultrasonography PET/CT with FDG is more sensitive than a post-therapeutic whole body scan performed after the administration of a high activity of radioactive iodine (empiric iodine) and should be considered as the first examination to perform. Injections of rhTSH before doing FDG PET/CT allow to increase the number of lesions detected, however the treatment changes linked to this preparation remains minor. The role of FDG PET/CT in the selection of patients to tyrosine kinase inhibitors (TKI) and to assess metabolic tumor response remains to be explored. The use of TKI to reinduce radioactive iodine uptake is a major research subject for patients with radioactive iodine refractory disease.

O sistema microPET/CT é um importante equipamento utilizado nas pesquisas de imagem diagnóstica em pequenos animais. O radiofármaco mais usado nesta tecnologia é o fluordeoxiglicose marcado com flúor-18. Este estudo tem como objetivo efetuar o controle radiológico no laboratório de pesquisa microPET/CT do Centro de Radiofarmácia do IPEN-CNEN/SP, de forma a satisfazer tanto as normas nacionais como as recomendações internacionais. O laboratório está classificado pela equipe de radioproteção da instalação como área supervisionada, nas quais embora não seja obrigatória a adoção de medidas específicas de proteção e segurança, devem ser submetidas reavaliações regulares das condições do ambiente de trabalho. Visando assegurar a proteção radiológica dos trabalhadores diretamente envolvidos no manuseio do equipamento, realizou-se o monitoramento do local de trabalho e a avaliação do controle de dose individual. Inicialmente foi feito o monitoramento pré-operacional, isto é, o levantamento radiométrico no laboratório. Além disso, mediu-se nível de radiação externa nas instalações do laboratório e suas adjacências, por meio da colocação de nove dosímetros termoluminescentes (TL) de CaSO4:Dy, em locais previamente selecionados. Os indivíduos ocupacionalmente expostos foram avaliados mensalmente por meio do uso de dosímetros TL posicionados no tórax e por medidas de corpo inteiro, tomadas a cada seis meses. O período do estudo foi de dois anos, com início em abril de 2014. Para o controle do microPET/CT realizou-se testes de desempenho de acordo com o protocolo padrão do equipamento e em conformidade com a norma desenvolvida pela força tarefa para estudos com PET em animais Animal PET Standard Task Force. O presente estudo permitiu demonstrar que os níveis de radiação das áreas (estimativas de dose ambiente e dose efetiva), assim como a blindagem do equipamento estão adequados de acordo com os limites da exposição ocupacional. Ressalta-se a importância de se seguir rigorosamente os princípios de radioproteção, já que se trata de pesquisas com fontes radioativas não seladas. / Micro PET/CT scanner is an essential tool generally used for small animal molecular imaging. Fluorine-18-labeled fluorodeoxyglucose is the most widely used radioisotope in this technique. The present study aimed to evaluate the radiation levels in a micro PET/CT research laboratory of the Radiopharmacy Center at IPEN-CNEN / SP, in order to accomplish both national standards and international recommendations. The radioprotection team has classified the laboratory as supervised area; even this laboratory does not require the adoption of specific measures for protection and safety, should be done regular re-evaluation of the conditions of occupational exposures. Workplace monitoring and individual control assessment were carried out to ensure the radiological protection of all workers directly involved in handling the scanner. Initially, there was conducted a radiometric survey, as well as measurements of the external radiation level in the workplace and its surroundings. To achieve this goal, there were placed nine thermoluminescent dosimeters of CaSO4:Dy in preselected locations. Monthly evaluations of the occupationally exposed individuals were carried out through the use of TL dosimeters, ported in the workers´ chest. Moreover, whole body measurements were performed every six months. The study period was about two-years which started in April 2014. All tests to evaluate micro PET/CT performance were based on the standard protocol of the equipment in accordance with the standard developed by the Animal PET Standard Task Force. Present study\'s results demonstrated that the ambient radiation levels (ambient and effective estimated radiation dose), as well as the effective shielding equipment are both adequate. This study emphasizes that it is essential to strictly follow the principles of radioprotection in workplace, whenever researches involve radioactive unsealed sources.

Nous avons initialement réalisé une étude prospective évaluant l’intérêt de la TEP-TDM au FDG pour le diagnostic de récidive infra-clinique des carcinomes épidermoïdes des voies aéro-digestives supérieures. Nos résultats ont montré d’excellentes performances de l’examen en surveillance systématique, permettant notamment le diagnostic de récidive chez environ 1/3 des patients cliniquement asymptomatiques 1 an après la fin du traitement. Nous avons ensuite étudié le bénéfice d’une évaluation thérapeutique précoce par TEP-TDM au FDG à 2 cures d’une chimiothérapie néoadjuvante par TPF précédant une radiochimiothérapie sur une cohorte de sujets porteurs d’un cancer localement avancé (stade IIIIVA). Nos résultats ont montré une corrélation statistiquement significative entre la réponse métabolique et la survie sans récidive, suggérant l’intérêt d’un examen intermédiaire pour cibler de façon précoce les patients réfractaires au traitement. Nous avons ensuite analysé prospectivement l’impact pronostique de la TEP-TDM au FDG réalisée en situation préthérapeutique dans le but de sélectionner encore plus précocement cette population à risque de récidive. Les résultats de nos 2 études ont prouvé que l’utilisation de paramètres volumétriques ou cinétiques de la captation intra-tumorale du FDG était prédictive de la survie globale, avec une valeur pronostique indépendante et supérieure à celle du SUVmax. Cette thèse ouvre ainsi des perspectives de nouvelles indications de la TEP-TDM au FDG dans la prise en charge des carcinomes épidermoïdes des VADS, soulève des problématiques de recherche avec notamment l’émergence des nouveaux traceurs permettant de caractériser au mieux la cellule tumorale et s’inscrit dans une volonté actuelle d’une médecine préventive et prédictive personnalisée. / We initially conducted a prospective study evaluating diagnostic interest of FDG PET-CT for head and neck squamous cell carcinomas subclinical recurrence. Our results showed FDG PET-CT high performance in systematic monitoring, especially for the diagnosis of recurrence in about one third of clinically asymptomatic patients 1 year after the end of treatment. Secondly, we studied the benefits of early treatment evaluation by FDG PET-CT after 2 cycles of neoadjuvant chemotherapy by DCF (docetaxel, cysplatin, 5-fluorouracil) before chemoradiotherapy in a cohort of patients with locally advanced cancer (stage III-IVA). Our results showed a statistically significant correlation between metabolic tumor response and recurrence-free survival, suggesting the interest of an interim PETscan to early target patients refractory to treatment. Then, we prospectively analyzed the prognostic impact of FDG PET-CT performed at initial staging in order to select earlier this population at risk for recurrence. The results of our two studies proved that the use of volumetric or kinetic parameters of intratumoral FDG uptake was predictive of overall survival, with an independent prognostic value and a higher performance to SUVmax. Thus, this thesis opens new perspectives indications of FDG PET-CT in the management of head and neck squamous cell carcinoma, raises research issues such as the emergence of new tracers to characterize at best the tumor cell and falls within a current commitment to move towards a personalized preventive and predictive medicine.