Malignant melanoma (MM) is the deadliest skin cancer with an ever-increasing incidence. New treatments have improved the prognosis for patients with advanced MM. Still, most patients do not respond, and the side effects can be severe, underlining the need for better therapies. The overall aim of this thesis was to evaluate new means to improve the treatment for patients with advanced MM. Immunostimulatory gene therapy (AdCD40L) was evaluated in a clinical study and BRAF-inhibitory treatment in rare cases of BRAF-mutated MM. Due to its immunogenicity, MM is an attractive target for immunostimulatory gene therapy. AdCD40L is an adenovirus carrying the human gene for CD40 ligand, which in different ways can stimulate the immune system to combat cancer. We conducted a Phase I/IIa study with AdCD40L in patients with metastatic MM having received established treatments. In cohort 1 (n=6), four weekly, intratumoural AdCD40L injections were given. In cohort 2 (n=9), low dose cyclophosphamide was added to increase the immune response. Since irradiation may act synergistically with immunotherapy, patients in cohort 3 (n=9) also received a single fraction of radiotherapy (8 Gy). This fraction was given towards the lesion selected for injections. The primary objectives were to assess the feasibility and safety of AdCD40L-treatment and secondarily its anti-tumour effects. Patients were thoroughly assessed for toxicity. The anti-tumour response was evaluated by imaging techniques (FDG-PET/CT, DW-MRI scans), tumour biopsies and blood tests. Plasma protein markers were measured with a multiplex platform. Another objective was to evaluate the potential of DW-MRI and FDG-PET/CT for prediction of AdCD40L treatment response, in terms of overall survival (OS). AdCD40L was well tolerated with mild transient reactions. Local and distant responses in PET/CT scans along with a significantly better 6-month survival in the cohorts that received cyclophosphamide conditioning were observed. Effector lymphocyte responses were elicited. All patients had an increased T effector/T regulatory-cell ratio and death receptors were significantly up-regulated post therapy. Inflammatory cytokines and other plasma proteins were altered in favourable ways by the AdCD40L treatment. The analyses support that the functional DWI parameters may be better early predictors of OS than the established metabolic and morphologic criteria of FDG-PET/CT and CT/MRI, respectively. In conclusion, the stimulation of the CD40 pathway to initiate anti-tumour immunity is a promising treatment alternative for MM patients. However, further studies with developed treatment schemes are warranted. In the first report ever on treatment of a pregnant patient with a BRAF-inhibitor, the therapy was initiated in the second trimester. The treatment with vemurafenib enabled prolonged gestation, hence reducing the risk of immaturity-related complications. Further, we report the first case worldwide of a patient with metastatic conjunctival melanoma who benefitted from treatment with vemurafenib. Additional studies are needed to assess the efficacy of BRAF -inhibitors in the different subtypes of ocular melanoma.

1 Abstract Aim: To evaluate the diagnostic performance of FDG PET/CT in the detection of stent graft infection (SGI) with the use of visual and semiquantitative interpretation, to compare it with standalone CT analysis, to verify the transferability of the experience with FDG PET/CT in surgical prosthesis infection and to define the role of the method in the diagnostic algorithm of SGI. Subjects and Methods: In this retrospective study, two nuclear medicine physicians have independently analyzed 21 FDG PET/CT examinations performed in 20 subjects (16 men, 66 ± 8 years) between 2010 and 2019 for clinical suspicion of SGI. Six subjects examined from other reasons without signs of infection constituted a control group. The images were evaluated for the uptake pattern and intensity, and by the maximum standard uptake value (SUVmax), the target-to-background ratio with blood pool (TBRBP) and liver uptake (TBRhep) as a reference. The SGI was defined as the presence of focal hyperactivity with an intensity exceeding hepatic uptake. CT images were independently assessed for signs of SGI. Clinical review of all further patients' data served as the standard of reference. Results: Twelve cases were established as SGI by the clinical review. PET/CT correctly diagnosed SGI in eight and yielded a sensitivity of 92 % and...

A 28-year-old female patient with active and difficult-to-treat systemic lupus erythematosus (SLE) was diagnosed with liver-dominant diffused large B-cell lymphoma. Repeated response 18F-FDG-PET studies showed persistently high, and, despite intensified immunochemotherapy, further increasing metabolic activity of one of the hepatic lymphoma residuals, whereas all other initial lymphoma manifestations had achieved complete metabolic remission. As biopsy of the 18F-FDG-PET-positive liver residual turned out to be inconclusive, complete resection was performed. Subsequent histopathological examination, however, revealed only necrotic tissue. Thus, no further lymphoma treatment was scheduled. The patient undergoes regular surveillance and is disease-free 13 months after resection. Similarly, treatment of SLE is no longer required due to lack of activity already after the first two cycles of lymphoma treatment. The case shows how closely SLE and diffused large B-cell lymphoma can be connected and stresses the importance of interdisciplinary treatment approaches. In the future, artificial intelligence may help to further classify 18F-FDG-PET-positive lymphoma residuals. This could lead to an increase of the positive predictive value of interim- and end-of-treatment 18F-FDG-PET. The patient’s point of view enables another instructive perspective on the course of treatment, which often remains hidden to treating physicians due to lack of time in clinical routine.

La maladie d’Alzheimer (AD) est la principale cause de démence neurodégénérative, caractérisée à 95% par des formes tardives (LOAD) qui présentent des troubles mnésiques et progressent lentement. Cependant, environ 5% des patients atteints d’AD présentent une forme précoce de la maladie (EOAD) débutant avant 65 ans. Bien que le substratum lésionnel soit identique à la LOAD, l’EOAD est caractérisée par une plus grande sévérité des dépôts de plaques amyloïdes, des enchevêtrements neurofibrillaires et de l’atrophie cérébrale. De plus, l’EOAD est plus hétérogène que la LOAD, car même si la majorité des troubles sont mnésiques il existe une proportion importante de formes atypiques affectées par des troubles du langage, visuospatiaux ou exécutifs. Bien que de nombreuses études en imagerie TEP 18F-FDG aient permis de caractériser métaboliquement l’EOAD par rapport à la LOAD ou à un groupe de contrôles sains, très peu différentiaient pas les formes typiques (mnésiques) des formes atypiques. Dans ce travail de thèse, nous avons examiné les données d’imagerie TEP 18F-FDG, complémentées par l’IRM structurelle, afin d’améliorer la caractérisation et la compréhension des formes typiques et atypiques d’EOAD. Suite à un premier travail d’harmonisation des reconstructions TEP 18F-FDG entre deux machines GE et Siemens ayant toutes deux servies à l’acquisition des données patients, notre second objectif a été d’étudier à l’inclusion sur le cerveau entier les patterns hypométaboliques caractéristiques des différentes formes d’EOAD et leurs corrélations potentielles avec la performance neuropsychologique. Cette étude a montré que chaque forme clinique d’EOAD était caractérisée par des patterns hypométaboliques spécifiques fortement corrélés aux symptômes cliniques et aux scores neuropsychologiques du domaine cognitif associé. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la progression sur 3 ans de l’hypométabolisme sur la surface corticale en fonction des formes typiques ou atypiques d’EOAD. Bien que des patterns similaires d’évolution de l’hypométabolisme entre les formes typiques et atypiques aient été observés au niveau du cortex pariétal, seules les formes atypiques ont présenté une réduction du métabolisme bilatérale plus importante au niveau du cortex orbito-frontal latéral associée à des déclins cognitifs plus sévères. Temporellement, les résultats suggèrent que l’hypométabolisme chez les formes typiques progresserait selon un axe antérieur-vers-postérieur en cohérence avec les stades de Braak et Braak, alors que l’hypométabolisme chez les formes atypiques progresserait selon un axe postérieur-vers-antérieur. Pris ensemble, ces résultats confortent l’hypothèse d’une distribution différente de la pathologie tau en termes de charge et d’évolution temporelle entre ces deux formes d’EOAD. Notre dernier objectif a été de déterminer les capacités discriminatives des données TEP 18F-FDG, seules ou combinées aux données de l’IRM structurelle, afin de classifier de manière automatique et supervisée des patients atteints d’EOAD en forme typique ou atypique. Nous avons mis en application des algorithmes de machine learning combinés à des méthodes de validation croisée afin d’évaluer les influences de diverses composantes sur les performances de classification. Des précisions équilibrées maximales égales à 80,8% en imagerie monomodale TEP 18F-FDG et 92,4% en imagerie multimodale TEP 18F-FDG/IRM T1 ont été obtenues, validant ainsi la TEP 18F-FDG comme un biomarqueur sensible de l’EOAD et soulignant l’apport incontestable de la multimodalité. En conclusion, nos travaux ont permis une meilleure caractérisation et compréhension des formes cliniques d’EOAD, ouvrant la voie à un management personnalisé du patient et des traitements plus efficaces pour ces formes distinctes. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of neurodegenerative dementia, characterized at 95% by late-onset forms (LOAD) which present episodic memory impairments and progress slowly. However, 5% of AD patients have an early-onset form (EOAD) of the disease whose onset begins before 65. Although the lesion substratum is similar between EOAD and LOAD, EOAD has more severe neuritic plaque deposits, neurofibrillary tangles and brain atrophy. Moreover, EOAD is more heterogeneous than LOAD, because even if most of the impairments are about episodic memory there is a high proportion of atypical forms impaired in language, visuospatial or executive functions. Although many 18F-FDG PET studies allowed to metabolically characterize EOAD compared to LOAD or healthy controls group, very few differentiated typical from atypical forms. In this thesis, we examined 18F-FDG PET data, complemented by structural MRI, in order to improve characterization and comprehension of typical and atypical forms of EOAD. Following a first harmonization work between 18F-FDG PET reconstructions from both GE and Siemens scanners used for the acquisition of patient data, our second aim was to study at baseline on the whole brain hypometabolic patterns characterizing the clinical forms of EOAD and their correlations with neuropsychological performance. This work showed that each clinical form of EOAD was characterized by specific hypometabolic patterns highly correlated with clinical symptoms and neuropsychological performance of the associated cognitive domain. Then, we focused on the 3-year hypometabolism progression on the cortical surface according typical or atypical forms of EOAD. Although similar patterns of hypometabolism evolution between typical and atypical forms were observed in parietal cortices, atypical only showed a more severe reduction of metabolism in lateral orbitofrontal cortices associated with more severe cognitive declines. Temporally, the results suggest that hypometabolism in typical forms would progress according to an anterior-to-posterior axis coherently with Braak and Braak stages, whereas in atypical forms hypometabolism would progress according a posterior-to-anterior axis. Taken together, results consolidate the hypothesis of a different tau distribution in terms of burden and temporal evolution between both forms of EOAD. Our last goal was to determine the discriminative power of 18F-FDG PET data, alone or combined to structural MRI data, in order to automatically classify in a supervised manner EOAD patients into typical or atypical form. We applied machine learning algorithms combined to cross-validation methods to assess influence of some components on classification performances. Maximum balanced accuracies equal to 80.8% in monomodal 18F-FDG PET and 92.4% in multimodal 18F-FDG PET/T1 MRI were obtained, validating 18F-FDG PET as a sensible biomarker of EOAD and highlighting the incontestable contribution of multimodality. In conclusion, our works allowed a better characterization and comprehension of clinical forms of EOAD, paving the way to personalized patient management and more effective treatments for these distinct clinical forms.

Le suivi continu des substituts tissulaires en développement est crucial afin de comprendre leur évolution au fil du temps. Par contre, la tâche représente tout un défi quand vient le temps d'évaluer des échantillons de grande taille avec les techniques de microscopie. De plus, les méthodes de caractérisation les plus courantes sont fastidieuses et entraînent le sacrifice des cultures. Le développement d'approches de suivi in situ en temps réel, non invasives et non destructives, adaptées aux échantillons non transparents et de grandes tailles, est essentiel dans le domaine du génie tissulaire. Les techniques d'imagerie médicale peuvent répondre à ces besoins sans perturber ni interrompre les cultures en cours. L'hypoThèse de travail de cette Thèse était de démontrer la possibilité d'établir des méthodes d'imagerie in situ, non invasives, non destructives et en temps réel pour le suivi de la viabilité et du métabolisme de cultures tridimensionnelles (3D) de cellules endothéliales dans un gel de fibrine perfusé. Afin d'y arriver, une chambre de culture à perfusion munie de fibres creuses pour la croissance de cellules endothéliales à l'intérieur d'un gel de fibrine a d'abord été conçue. Ensuite, un bioréacteur pulsatif à perfusion apte à assurer la survie et la croissance de cultures 3D in vitro pour le génie tissulaire a été développé et validé. Dans un second temps, les protocoles d'imagerie par tomographie d'émission par positrons (TEP) n'étant pas adaptés aux systèmes de bioréacteurs, il a fallu en développer et valider un en utilisant un radiotraceur bien connu : le [indice supérieur 18]F-fluorodésoxyglucose ([indice supérieur 18]FDG) qui est un marqueur capable de détecter le métabolisme cellulaire. L'imagerie au [indice supérieur 18]FDG d'un bioréacteur permet d'évaluer la perfusion de la culture, de contrôler sa viabilité ainsi que d'estimer la densité cellulaire et le positionnement des structures tissulaires émergentes. Ainsi, les conditions optimales favorisant sa capture par les cellules ont été déterminées au préalable sur des monocouches afin d'optimiser le signal TEP correspondant. Enfin, les paramètres actifs identifiés précédemment ont été mis en application pour le suivi de cultures 3D où les densités cellulaires ont pu être estimées après seulement 12 heures de culture et des structures émergentes décelées dans les gels de fibrine au bout d'une à deux semaines. L'imagerie TEP au FDG est une approche très prometteuse pour effectuer le suivi non destructif de cultures tridimensionnelles en génie tissulaire et pour comprendre l'évolution des tissus en croissance in vitro.

La Tomographie par Emission de Positons (TEP) au Fluoro-déoxyglucose marqué au Fluor 18 (¹⁸F-FDG), analogue du glucose, permet d'obtenir une image de la consommation de glucose dans l'organisme. La plupart des foyers tumoraux présentant une consommation excessive de glucose, son utilisation en oncologie permet d'améliorer la prise en charge des patients en diminuant le temps nécessaire pour évaluer l'efficacité des traitements tels que la chimiothérapie et la radiothérapie. Mon projet de recherche visait à proposer et améliorer des méthodes de quantification en TEP au ¹⁸F-FDG afin de caractériser au mieux l'évolution métabolique des volumes tumoraux.De nombreux facteurs biaisent la quantification en TEP. Parmi eux, l'Effet de Volume Partiel (EVP) reste difficile à corriger, notamment à cause de la faible résolution spatiale des images TEP. Afin de déterminer l'impact de la correction de l'EVP sur l'évaluation des réponses des tumeurs, une étude sur données simulées par Monte Carlo a tout d'abord été effectuée. Cette étude a été complétée par l'analyse de données TEP/TDM (Tomodensitométrie) acquises chez 40 patients atteints de cancers colorectaux métastatiques (CCM), traités par chimiothérapie à l'Institut Jules Bordet (Bruxelles). L'analyse de 101 tumeurs a montré que les critères tels que le SUV, n'incluant pas de correction de l'EVP, et qui reflètent alors le volume tumoral et son activité, prédisaient mieux l'évolution tumorale que les critères corrigés de l'EVP. Compte tenus des résultats prometteurs récents de méthodes de caractérisation de l'hétérogénéité de la fixation du FDG dans les tumeurs, un second volet de notre travail a consisté à étudier l'intérêt de la prise en compte de la texture dans le cadre du suivi thérapeutique. L'application de l'analyse de texture aux cas de CCM étudiés précédemment n'a pas permis de démontrer une valeur ajoutée des indices de texture par rapport aux index quantitatifs couramment employés en clinique. Nous avons montré que cette conclusion s'expliquait en partie par la non-robustesse des indices de texture vis-à-vis des paramètres impliqués dans leur mesure. Nous avons enfin cherché à évaluer une méthode d'Analyse Factorielle de Séquences d'Images Médicales (AFSIM), appliquée au contexte du suivi thérapeutique, pour caractériser l'évolution tumorale tout au long du traitement. Cette étude a porté sur 9 séries de 4 à 6 examens TEP/TDM de patients traités par radiothérapie au Centre Hospitalier Universitaire Henri Becquerel de Rouen. Outre l'information visuelle globale apportée par cette méthode, l'analyse quantitative des résultats obtenus a permis de caractériser l'hétérogénéité de la réponse vue par l'AFSIM. L'échec des index classiques, provenant entre autres de leur incapacité à distinguer les processus inflammatoires de l'activité métabolique tumorale, a permis de monter la valeur ajoutée de l'AFSIM par rapport aux index tels que le SUV maximal ou moyen.

L'imagerie fonctionnelle par Tomographie d'Émission de Positons (TEP) multi-traceurs pourrait avoir un rôle essentiel dans le traitement du cancer par radiothérapie externe. Les images TEP aux traceurs 18Fluoro-Déoxy-Glucose (18 FDG), 18F-Fluoro-L Thymidine (18 FLT) et 18Fluoro-Misonidazole (18 FMiso) sont respectivement témoins du métabolisme glucidique, de la prolifération cellulaire et de l'hypoxie (manque d'oxygénation des cellules). L'utilisation conjointe de ces trois traceurs pourrait permettre de définir des sous-volumes donnant lieu à un traitement particulier. À cet effet, il est impératif de mettre à la disposition du corps médical un outil de segmentation et de fusion de ces images. Les images TEP ont pour caractéristique d'être très bruitées et d'avoir une faible résolution spatiale. Ces imperfections ont pour conséquence respective d'induire la présence d'informations incertaines et imprécises dans les images. Notre contribution réside dans la proposition d'une méthode, nommée EVEII pour Evidential Voxel-based Estimation of Imperfect Information, basée sur la théorie des fonctions de croyance, offrant une segmentation fiable et précise dans le contexte d'images imparfaites. Elle réside également dans la proposition d'une méthode de fusion d'images TEP multi-traceur. L'étude d'EVEII sur des images simulées a révélé qu'elle est la mieux adaptée comparée à d'autres méthodes basées sur la théorie des fonctions de croyance, en donnant un taux de bonne reconnaissance des pixels de près de 100 % lorsque le rapport signal-sur-bruit dépasse 2, 5. Sur les fantômes TEP physiques, simulant les caractéristiques des images TEP au 18 FDG, à la 18 FLT et au 18 FMiso, les résultats ont montré que notre méthode estime le mieux les volumes des sphères à segmenter comparé à des méthodes de la littérature proposées à cet effet. Sur les deux fantômes faiblement et fortement bruités respectivement, les biais moyens d'erreur d'estimation des volumes sont seulement de -0,27 et 3,89 mL, témoignant de sa pertinence à visée de segmentation d'images TEP. Enfin, notre méthode a été appliquée à la segmentation d'images TEP multi-traceurs chez trois patients. Les résultats ont montré que notre méthode est adaptée à la fusion d'images TEP multi-traceurs, offrant à cet effet un ensemble d'images paramétriques permettant de différencier les différents tissus biologiques.

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.

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.

Introduction: In Positron Emission Tomography (PET), the use of resolution modelling (RM) in iterative image reconstruction enables the modelling of aspects of detection which result in mispositioning of measured data and the subsequent blurring of reconstructed images. RM reconstruction can result in significant improvements in spatial resolution, voxel variance and count rate bias and could be a software alternative to detection hardware that is able to achieve higher resolution. Such hardware typically consists of small scintillation crystals, small bore diameters and depth of interaction discrimination, such as for the High Resolution Research Tomograph (HRRT, Siemens), which used a double crystal layer phoswich detector system. However, RM implementation comes with penalties such as slower rates of convergence, potentially higher region of interest variance and Gibbs artefacts. Methods: Assessment of the benefits and drawbacks of RM was done in the first part of this thesis together with the measurement and modelling of spatially varying resolution kernels for different scanner configurations and PET isotopes for the HRRT. It is also unclear as to whether high resolution scanning offers significant advantages over clinical PET-CT scanners for applications in the head. Through direct comparison to our HRRT, we explore whether there are significant advantages of high resolution scanning for an application in the head over clinical PET-CT. For this comparison our Biograph TruePoint TrueV (Siemens) optimised for whole body imaging was used and a novel clinical study using both scanners was set where we scanned Neurofibromatosis 2 (NF2) patients with vestibular schwannomas (VS) using [18F]fluorodeoxyglucose (FDG) and [18F]fluorothymidine (FLT). The clinical objective was to assess if uptake within VS of FLT and FDG could be measured and whether this uptake was predictive of tumour growth. Finally an assessment of the feasibility and impact of reducing the original injected activities in our clinical study was performed using bootstrapping resampling. Conclusions: RM provides greater but additive improvements in image resolution compared to DOI on the HRRT. Isotope specific image based RM could be estimated from published positron range distributions and measurements using fluorine-18. With the clinical project, uptake of FDG and FLT within the VS lesions was observed, these uptake values were correlated to each other, and high uptake was predictive of tumour growth with little differences in predictive power between FLT and FDG. Although there were benefits of the HRRT for imaging small lesions, in our clinical application there was little difference between the two scanners to discriminate lesion growth. Using the PET-CT scanner data and knowledge of lesion location, doses could be reduced to 5-10% without any significant loss of ability to discriminate lesion growth.