La v-ATPase est une pompe à protons. Elle permet l’acidification d’organelles, ce qui est indispensable à de nombreux processus cellulaires. Cette enzyme est composée de 14 sous-unités différentes, organisées en deux domaines, le domaine catalytique V1 et le domaine membranaire V0. La sous-unité a du domaine V0 est essentielle au transport des protons. Il en existe 4 isoformes (a1 à a4) et des variants d’épissage (a1-I à a1-IV pour a1) permettant à la v-ATPase d’être adressée vers différents compartiments et donc d’être impliquée dans différents processus. Deux projets visant à étudier cette sous-unité ont été réalisés.En plus de son rôle dans le transport des protons, il a été montré que le domaine V0 de la v-ATPase est impliqué dans des évènements de trafic membranaire, tel que l’exocytose de vésicules de sécrétion. Ce rôle semble nécessiter des interactions avec les protéines SNAREs. J’ai montré, pendant la première partie de ma thèse, que les sous-unités flag-a1-I et flag-a1-IV sont toutes deux adressées aux granules de sécrétion de cellules neurosécrétrices et interagissent avec les protéines SNAREs VAMP2 et syntaxine-1. De façon intéressante la syntaxine-1 semble interagir préférentiellement avec la sous-unité a1-I qui dans les neurones est l’isoforme adressée aux terminaisons nerveuses. Les sous-unités a1-IV ne diffèrent d’a1-I que par l’ajout de 7 acides aminés dans sa moitié N-terminale. Le domaine d’interaction de la sous-unité a avec la syntaxine-1 semble donc être localisé dans cette région.Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai mis en évidence et étudié l’expression de la sous-unité rénale a4 dans des gliomes humains. Ces tumeurs sont les tumeurs cérébrales les plus fréquentes et sont en général associées à un mauvais pronostic. L’OMS distingue, en fonction de paramètres histologiques, les astrocytomes (de grade I à IV), les oligodendrogliomes et les gliomes mixtes (chacun de grade II ou III). Cette classification est controversée, notamment à cause de son manque de reproductibilité, et la prise en compte de marqueurs moléculaires semble s’imposer comme une solution pour la renforcer.J’ai quantifié par RT-PCR quantitative l’expression du gène ATP6V0A4 (codant la sous-unité a4) dans 188 prélèvements de gliomes humains. Nous avons ainsi montré que l’expression de la sous-unité a4 peut être utilisée comme marqueur diagnostique des oligodendrogliomes anaplasiques (35 % l’expriment). Dans un prélèvement, la présence de la codélétion 1p/19q et l’expression de a4, tout deux marqueurs indépendants des oligodendrogliomes, permettra le renforcement du diagnostique oligodendrogliome anaplasique. De plus a4 est fréquemment exprimée par les astrocytomes pilocytiques (70%), où elle est associée à la duplication en tandem de la région chromosomique 7q34 située à proximité directe du gène ATP6V0A4. Enfin une observation prometteuse est que l’expression de a4 pourrait être un marqueur de mauvais pronostic pour les patients atteints d’oligodendrogliome anaplasique ne présentant pas la co-délétion 1p/19q, observation qui devra être confirmée sur une plus grande cohorte de patients. / Vacuolar type H+-ATPase is a proton pump, which acidifies numerous organelles, crucial for many cellular processes. This enzyme is composed of 14 different subunits organized in two domains, a catalytic V1 domain and a V0 membrane domain. The a-subunit of V0 is essential for proton transport. There are 4 isoforms of a (a1 to a4) and splicing variants (a1-I to a1-IV for the a1 subunit). v-ATPases containing different a-subunit isoforms are localized in different compartments allowing v-ATPase to participate in different processes. The a-subunits were studied in this work in two distinct projects.Besides its role in proton pumping, V0 domain of v-ATPase is implicated in organelles trafficking events, like vesicles exocytosis. This role seems to require interactions of V0 with SNARE proteins. During my thesis work, I showed that flag-a1-I and flag-a1-IV are both targeted to secretion granules in PC12 neurosecretory cells. These subunits interact with the SNARE proteins VAMP2 and syntaxin-1. Interestingly, syntaxin-1 seems to preferentially interact with the a1-I subunit, isoform which in neurons is sorted to nerve terminals. The only difference between a1-I and a1-IV subunits is the addition of 7 amino acids in the N-terminal half of a1-IV. So syntaxin-1 probably interacts with a1-I at this location. In a second project, I studied the expression of the renal a4-subunit in human gliomas. These tumors are the most frequent brain tumors and are generally associated with a poor prognosis. Based on histological parameters,WHO distinguishes, astrocytomas (grade I to IV), oligodendrogliomas and oligoastrogliomas (each of grade II or III). This classification suffers of a lack of reproducibility, which could be overcome by the identification of specific molecular markers.In the present work, by real time quantitative PCR, ATP6V0A4 gene (encoding the renal a4) expression was quantified in 188 human glioma biopsies. We established a4 expression as a new marker of grade III oligodendrogliomas (35 % express it), independent of the 1p/19q codeletion, an established marker of oligodendrogliomas. Moreover, a4 is expressed in 70% of pilocytic astrocytomas, in which it is associated with the tandem duplication of 7q34, localized at direct proximity of the ATP6V0A4 gene. Of promising interest is the observation that a4 expression could be considered as a bad prognostic marker for patients with 1p/19q non-deleted oligodendrogliomas, an observation that should be confirmed on larger cohorts of patients.

Patients and methods: Malignant supratentorial glioma (anaplastic astrocytoma, oligoastrocytoma, oligodendroglioma and glioblastoma incl. gliosarcoma), age 16-70y, KPS 50-100. Postoperative randomization to chemotherapy with either BCNU (B) (80 mg/m2 x 3 every 6 weeks) alone or additional VM 26 (V) (50 mg/m2 x 3 every 6 weeks) starting concomitant with radiotherapy. Central histopathological review was required. Primary endpoints were survival time (ST) and progression free survival (PFS) . In addition confirmative analysis of prognostic factors and their interaction with therapy was performed. Results: Eligible: 501 of 522 randomized pts: 82% WHO grade IV gliomas, 18% grade III gliomas. 57% male, mean KPS 74, mean age 50.9 years. The high incidence of lung toxicity – with a cumulative risk of 19% during the first year - was alarming. Survival was not significantly different ( median 50.3 (B) versus 52.4 (V) (weeks), but an increase in long term survivors was observed (18 months: 29% B, 34% V, 5 years 5% B, 12% V) and PFS showed a significant difference with a median of 31.4 (B) versus 34.3 (V) weeks. Qualitative interaction between KPS and therapy (p < 0.01) was demonstrated: pts with a KPS ≥ 70 benefited from additional VM26, those with reduced KPS < 70 did better with BCNU-monotherapy. Conclusion: Adding VM26 to BCNU is effective in the chemotherapy of malignant gliomas. Because of the demonstrated interaction with therapy performance status, not tumor grade is the crucial factor to determine application and aggressiveness of chemotherapy. With risk adapted therapy a significant proportion of patients even with glioblastoma survive for years in good general condition. BCNU should be replaced by an equipotent alkylans to avoid the unacceptable high rate of lung toxicity.

La mentalisation, ou la capacité d’élaborer des hypothèses sur les états mentaux d’autrui, a fait l’objet de nombreuses études durant les 20 dernières années dans le champ des neurosciences sociales. Toutefois, les bases neurales de cette fonction particulièrement complexe restent mal comprises, notamment en termes de connectivité structurale. Récemment, une organisation anatomo-fonctionnelle en double voie a été proposée. Selon ce modèle, les aspects réflexifs, inférentiels, de la mentalisation seraient sous-tendus par le faisceau cingulaire. Les aspects préréflexifs, identificatoires, seraient médiés, quant à eux, par le complexe faisceau arqué/partie latérale du faisceau longitudinal supérieur (FLS). L’objectif général de ce travail est d’apporter des données originales sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du réseau neural impliqué dans la mentalisation basée sur les visages. Pour ce faire, nous avons utilisé comme modèle physiopathologique d’étude le gliome diffus de bas grade. Cette tumeur cérébrale primitive s’avère particulièrement intéressante pour l’étude du rôle de la substance blanche dans la cognition et ce pour deux raisons : (i) les cellules tumorales se propagent préférentiellement le long des fibres blanches ; (ii) l’exérèse chirurgicale est souvent réalisée en condition éveillée avec cartographie fonctionnelle peropératoire pour permettre d’identifier, et ainsi de préserver, les structures fonctionnelles, notamment de substance blanche.Dans une première étude, grâce aux stimulations électriques peropératoires, nous avons pu identifier un vaste réseau cortico-sous-cortical impliqué dans la mentalisation. L’analyse des déconnexions induites par les stimulations de la substance blanche nous a permis de mettre clairement en évidence, et ce pour la première fois, le rôle du faisceau occipito-frontal inférieur (FOFI) tout en confirmant celui du FLS. Dans une deuxième étude, en utilisant des techniques de cartographie lésionnelle chez des patients ayant été opérés, nous avons démontré que les troubles permanents, non compensables, de la mentalisation étaient expliqués par l’atteinte du faisceau arqué. Enfin, dans une dernière étude, en combinant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle de repos (IRMfr) et les sites corticaux démasqués pendant la chirurgie, nous avons pu générer de véritables cartographies fonctionnelles du réseau cortical de la mentalisation, très similaires à celles observées en imagerie fonctionnelle classique.De façon générale, nos découvertes suggèrent que la mentalisation basée sur les visages reposerait sur l’intégrité d’au moins deux faisceaux associatifs de substance blanche. Elles permettent également de valider l’utilisation combinée de l’IRMfr et des stimulations corticales en tant qu’approche originale pour cartographier les réseaux neurocognitifs.En plus de ces considérations fondamentales, nos résultats ont des implications cliniques, notamment pour la cartographie fonctionnelle peropératoire. Ils permettent en outre de mieux comprendre les pathologies cérébrales caractérisées par un trouble de la mentalisation et une atteinte des voies de substance blanche. / Mentalizing, or the ability of human beings to make assumptions about other people’s mental states, has been the subject of many studies over the last 20 years. The neural bases and especially the white matter connectivity of this complex cognitive function is still poorly understood. Recently, an anatomo-functional organization into two neural pathways has been proposed. According to this model, it is assumed that the reflective, inferential aspects of mentalizing is underpinned by the cingulum. The reflexive, identificatory aspects of mentalizing are thought to be mediated, for their part, by the arcuate fascicle and the lateral part of the superior longitudinal fascicle. The main purpose of this scientific work is to provide original data on the anatomo-functional organization of the neural network involved in the face-based mentalizing. We used as a pathophysiological study model diffuse low-grade gliomas. These primary brain tumors are particularly interesting for the study of the functional role of the white matter for two reasons: (i) the tumor cells propagate preferentially along the white matter fibers; (ii) the surgical resection is often performed in awake condition with intraoperative functional mapping to identify, and thus to preserve functional structures, including the white matter.In our first study, using intraoperative electrical stimulation, we were able to identify a large cortico-subcortical mentalizing network. The analysis of the disconnections induced by the stimulation of the white matter allowed us to clearly highlight, for the first time, the role of the inferior fronto-occipital fascicle. We also confirmed the already established role of the superior longitudinal fascicle in mentalizing. In a second study, using lesion mapping analyses in patients operated on for a diffuse low-grade glioma, we demonstrated that the long-term, non-compensatory mentalizing deficit was explained by the involvement of the arcuate fascicle. Finally, in a third study combining resting-state functional MRI and the cortical sites unmasked during surgery, we were able to identify a large cortical mentalizing networks, which were very similar to those identified by classical task-based functional imaging.In general, our findings suggest that the face-based mentalizing would require the integrity of at least two associative white matter fascicles. They also validate the combined use of resting-state functional MRI and direct cortical stimulations as an original approach to map neurocognitive networks.In addition to these fundamental considerations, our results have also clinical implications, especially regarding the intraoperative functional mapping. They also provide a better understanding of brain pathologies characterized by both mentalizing deficit and white matter impairment.

Les travaux présentés dans le cadre de cette thèse traitent de la modélisation mathématique de la croissance tumorale. La première partie de cette thèse traite de l’estimation des paramètres. Plus précisément, il s’agit de déterminer la vascularisation d’une tumeur à partir de sa dynamique. Pour cela, nous générons à partir d’un modèle d’équations aux dérivées partielles l’évolution en temps de la densité de cellules tumorales. Ensuite, nous résolvons des problèmes inverses afin de retrouver la densité de vascularisation correspondante. Nous montrons que la vascularisation estimée permet de prédire efficacement la croissance future de la tumeur. Dans un second temps, nous introduisons une classe de modèles pour la croissance de gliomes qui sont adaptés à la fois aux gliomes de bas grades et aux glioblastomes multiformes. Afin de tenir compte des spécificités des gliomes, le modèle prend en considération le caractère infiltrant de ce type de tumeur ainsi que l’hétérogénéité, l’anisotropie et la géométrie du cerveau. Nos modèles permettent d’étudier l’efficacité des traitements anti-angiogéniques et de la comparer à celle d’un traitement qui inhiberait la capacité d’invasion de gliomes. Les modèles ont été implémentés en 2D et en 3D dans des géométries réalistes obtenues grâce à un atlas. / This thesis deals with mathematical modeling of tumor growth. Firstly, we present a parameter estimation method. More precisely, it consists in recovering the position of the tumor blood vessel, starting from imaging. The first step is to design a particular vascularization, then we compute the tumor growth with this blood-vessel network by using a model based on partial differential equations and hence we try to recover the initial vascularization solving the inverse problem. We show that the estimated vasculature could be used to efficiently predict the future tumor growth. In the second part of this thesis, we introduce a class of models dedicated to glioma, adapted both to low grade and multiform glioblastoma. In order to take into account their specificities, we include mainly two effects in the model : on the one hand, the infiltrate behaviors of gliomas, and on the other hand, the impact of brain heterogeneity, of brain anisotropy and of brain geometry on the tumor growth. Our models allow us to evaluate the efficiency of anti-angiogenic drugs and to compare it with the effect of drugs inhibiting the invasion ability of glioma. The models have been implemented in 2D and 3D in actual geometry provided by an atlas.

La néoangiogenèse tumorale est un élément pronostique de l’évolution de nombreux cancers. L’intégrine alphaVbeta3 ainsi que la métalloprotéase matricielle 9 (MMP-9), sont des marqueurs de ce processus. Leur ciblage offre la perspective d’une information diagnostique pour la détection précoce, l’évaluation de l’agressivité de pathologies et la sélection de patients répondeurs aux nouvelles thérapies anti-angiogéniques. Dans ce contexte, notre travail s’attèle à mettre au point les techniques nécessaires à la caractérisation de radiotraceurs. Des modèles de tumeurs richement néovascularisées ont été sélectionnés : le mélanome malin et le gliome malin. Nous nous sommes dans un premier temps intéressés à la détection de l’intégrine alphaVbeta3. Un traceur technétié, le 99mTc-DTPA-bis-c(RGDfK) a servi de support à la validation de nos techniques d’analyse. Cette méthodologie d’évaluation a ensuite été adaptée à des projets collaboratifs. L’étude du 18F-ribofuranose-RGD est réalisée avec le Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (INSERM UMR 1037) et l’Institut des Sciences Moléculaires (CNRS UMR 5255). Un radioligand de la MMP-9, l’111In- DOTA-F3B, fait l’objet d’un partenariat avec l’ARNA (ARN : Régulations Naturelle et Artificielle, INSERM UMR 869) et l’Institut Lumière Matière (CNRS UMR 5306). Le composé technétié a démontré une bonne affinité et spécificité pour alphaVbeta3. In vivo, chez l’animal, les radioligands technétiés et fluorés ont permis l’identification de tumeurs alphaVbeta3 positives. L’111In-DOTA-F3B a, quant à lui, permis la visualisation de tumeurs chez l’animal et sur coupes tissulaires. Ces traceurs constituent une piste intéressante pour l’imagerie de la néoangiogenèse tumorale. / Tumor neoangiogenesis is a predictive element of the evolution of numerous cancers. AlphaVbeta3 integrin and matrix metalloprotease 9 (MMP-9) are markers of tumor neoangiogenesis. Their targeting appears of great interest either for early detection, aggressiveness staging of the disease or for selection of responders to new-targeted therapies. In this context, our objective is to develop methodologies needed for radiotracers characterization. Tracers have been investigated in different tumor models for which vascularization is very important: melanoma and glioma. First of all 99mTc-DTPA-bis-c(RGDfK) has been assessed in our laboratory and helped us to develop analytical methods. These methodologies were used in different partnership, the evaluation of 18F-ribofuranose-RGD targeting alphaVbeta3 with INSERM UMR 1037 and CNRS UMR 5255, and 111In-DOTA-F3B for molecular imaging of MMP-9 with INSERM UMR 869 and CNRS UMR 5306.The technetium peptide has demonstrated good affinity and specificity for alphaVbeta3. In vivo analysis in mice showed that both tracers were able to identify some alphaVbeta3-positive tumors. 111In-DOTA-F3B allowed us to detect hMMP-9 positive tumors in mice and in tumor tissue sections. In conclusion, these tracers still require to be investigated but represent promising tracers for tumor neoangiogenesis.

Cette thèse s'intéresse au développement de méthodes automatiques pour la segmentation et la synthèse d'images par résonance magnétique de tumeurs cérébrales. La principale perspective clinique de la segmentation des gliomes est le suivi de la vitesse d'expansion diamétrique dans le but d'adapter les solutions thérapeutiques. A cette fin, la thèse formalise au moyen de modèles graphiques probabilistes des approches de segmentation multi-atlas fondées sur l'appariement de blocs de voxels. Un premier modèle probabiliste prolonge à la segmentation automatique de régions cérébrales pathologiques les approches multi-atlas classiques de segmentation de structures anatomiques. Une approximation de l'étape de marginalisation remplace la notion de fenêtre de recherche locale par un tamisage par atlas et par étiquette. Un modèle de détection de gliomes fondé sur un a priori spatial et des critères de pré-sélection de blocs de voxels permettent d'obtenir des temps de calcul compétitifs malgré un appariement non local. Ce travail est validé et comparé à l'état de l'art sur des bases de données publiques. Un second modèle probabiliste, symétrique au modèle de segmentation, simule des images par résonance magnétique de cas pathologiques, à partir d'une unique segmentation. Une heuristique permet d'estimer le maximum a posteriori et l'incertitude du modèle de synthèse d'image. Un appariement itératif des blocs de voxels renforce la cohérence spatiale des images simulées. Le réalisme des images simulées est évalué avec de vraies IRM et des simulations de l'état de l'art. Le raccordement d'un modèle de croissance de tumeur permet de créer des bases d'images annotées synthétiques. / This thesis focuses on the development of automatic methods for the segmentation and synthesis of brain tumor Magnetic Resonance images. The main clinical perspective of glioma segmentation is growth velocity monitoring for patient therapy management. To this end, the thesis builds on the formalization of multi-atlas patch-based segmentation with probabilistic graphical models. A probabilistic model first extends classical multi-atlas approaches used for the segmentation of healthy brains structures to the automatic segmentation of pathological cerebral regions. An approximation of the marginalization step replaces the concept of local search windows with a stratification with respect to both atlases and labels. A glioma detection model based on a spatially-varying prior and patch pre-selection criteria are introduced to obtain competitive running times despite patch matching being non local. This work is validated and compared to state-of-the-art algorithms on publicly available datasets. A second probabilistic model mirrors the segmentation model in order to synthesize realistic MRI of pathological cases, based on a single label map. A heuristic method allows to solve for the maximum a posteriori and to estimate uncertainty of the image synthesis model. Iterating patch matching reinforces the spatial coherence of synthetic images. The realism of our synthetic images is assessed against real MRI, and against outputs of the state-of-the-art method. The junction of a tumor growth model to the proposed synthesis approach allows to generate databases of annotated synthetic cases.

Patients and methods: Malignant supratentorial glioma (anaplastic astrocytoma, oligoastrocytoma, oligodendroglioma and glioblastoma incl. gliosarcoma), age 16-70y, KPS 50-100. Postoperative randomization to chemotherapy with either BCNU (B) (80 mg/m2 x 3 every 6 weeks) alone or additional VM 26 (V) (50 mg/m2 x 3 every 6 weeks) starting concomitant with radiotherapy. Central histopathological review was required. Primary endpoints were survival time (ST) and progression free survival (PFS) . In addition confirmative analysis of prognostic factors and their interaction with therapy was performed. Results: Eligible: 501 of 522 randomized pts: 82% WHO grade IV gliomas, 18% grade III gliomas. 57% male, mean KPS 74, mean age 50.9 years. The high incidence of lung toxicity – with a cumulative risk of 19% during the first year - was alarming. Survival was not significantly different ( median 50.3 (B) versus 52.4 (V) (weeks), but an increase in long term survivors was observed (18 months: 29% B, 34% V, 5 years 5% B, 12% V) and PFS showed a significant difference with a median of 31.4 (B) versus 34.3 (V) weeks. Qualitative interaction between KPS and therapy (p < 0.01) was demonstrated: pts with a KPS ≥ 70 benefited from additional VM26, those with reduced KPS < 70 did better with BCNU-monotherapy. Conclusion: Adding VM26 to BCNU is effective in the chemotherapy of malignant gliomas. Because of the demonstrated interaction with therapy performance status, not tumor grade is the crucial factor to determine application and aggressiveness of chemotherapy. With risk adapted therapy a significant proportion of patients even with glioblastoma survive for years in good general condition. BCNU should be replaced by an equipotent alkylans to avoid the unacceptable high rate of lung toxicity.

Das Glioblastom ist der häufigste hirneigene Tumor des Erwachsenen und mit einer 5-Jahres-Überlebensrate von weniger als 5 % eine der aggressivsten Hirntumorerkrankungen (Batash et al., 2017). Verbunden mit einer schlechten Prognose und geringen Remissionsraten ergibt sich die Notwendigkeit, bestehende Therapieoptionen zu optimieren und zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das vor einigen Jahren entwickelte und aktuell in klinischen Studien angewandte Konzept der Therapie von Malignomen mit elektrischen Wechselfeldern, den sog. Tumor Treating Fields (TTFields), aufgegriffen. Basis der anti-tumoralen Wirkung der im Rahmen von Glioblastom-Studien applizierten TTFields bildet eine Tumor-spezifische Frequenz von 200 kHz sowie geringe Intensitäten, die einen nebenwirkungsarmen anti-mitotischen Effekt erzielen (Kirson et al., 2004; Kirson et al., 2007; Clark et al., 2017; Porat et al., 2017). Dieser resultiert sowohl aus alternierenden elektrischen Feldern, die während der Metaphase über eine Irritation des Dipolmoments von Tubulin-Untereinheiten die Assemblierung des Spindelapparates inhibieren, als auch aus inhomogenen elektrischen Feldern, die während der Telophase die Trennung der Tochterzellen behindern. Mit dieser Behandlungsoption konnten schon einige gute Ergebnisse für die Behandlung von Glioblastomen in klinischen Studien erreicht werden (Stupp et al., 2017). Eine weitere anti-mitotische Therapieoption stellt die Inhibierung der Aurora B Kinase mittels AZD1152 dar. Die Aurora B Kinase ist Teil des Chromosomal Passenger Complex (CPC), der bei Inhibierung der Kinase seine Kontrollfunktionen während der Mitose und Zytokinese nicht wahrnehmen kann. Diese fehlende Kontrolle führt zu Polyploidie, die einen Zelltod verursachen kann (Wiedemuth et al., 2016). Aufgrund dieses ähnlichen biologischen Hintergrundes wurde zu Beginn dieser Arbeit die Hypothese aufgestellt, dass eine kombinierte Therapie mittels TTFields und AZD1152 einen additiven zytotoxischen Effekt im Vergleich zur Monotherapie mit TTFields erzielen kann. Es konnte zunächst für die etablierte Zelllinie U87-MG ein signifikanter additiver Effekt in der Kombinationstherapie der TTFields mit AZD1152 im Vergleich zur alleinigen Therapie mittels TTFields nachgewiesen werden. Die mediane Tumorzellzahl konnte hierbei in der Kombinationstherapie um 60 % reduziert werden. Dieser additive Effekt konnte ebenfalls an zwei Primärkulturen reproduziert werden. Hierbei konnte die relative mediane Tumorzellzahl der Primärkultur HT18584 ebenfalls um 60 % in der Kombinationstherapie gesenkt werden. Diese tetraploide Zellreihe zeigte außerdem einen außergewöhnlich großen zytotoxischen Effekt bei der Behandlung mit AZD1152. Signifikant zeigte ebenso die Primärkultur HT12347 einen medianen Verlust von 56 % der Tumorzellen nach einer kombinierten Behandlung. Qualitativ und zellmorphologisch konnte mittels konfokaler Laser-Scanning- sowie Lichtmikroskopie die Akkumulation von mitotischen Defekten detektiert werden, die auch in den Monotherapien aber vor allem in der Kombinationstherapie zu finden waren. Die in der quantitativen Analyse gezeigte additive Zytotoxizität der Kombinationstherapie konnte hier nochmals visualisiert und bestätigt werden. Für eine klinische Phase I-Studie zur Überprüfung der Effektivität sollten zunächst weitere zellkulturtechnische Daten erfasst werden, um die Universalität der kombinierten Behandlung zu überprüfen. Weiterhin wäre die Entwicklung einer selektiven/lokalen Therapie mittels AZD1152 wünschenswert, um die Nebenwirkungen des Medikamentes abzumildern. Es sollte außerdem das im Rahmen dieser Arbeit detektierte sensitivere Ansprechen der tetraploiden Zelllinie HT18584 genauer untersucht werden, um eine potentiell prognostisch günstige Verbindung zwischen der Behandlung mit AZD1152 und tetraploiden Zellen herstellen zu können.:1 EINLEITUNG 1 1.1 Glioblastoma multiforme – Definition, Inzidenz und Ätiologie 1 1.1.1 Symptomatik und Diagnostik des Glioblastoms 2 1.2 Molekulare Klassifizierung 3 1.2.1 Primäre und sekundäre Glioblastome und einige allgemeine Marker 3 1.2.2 Der MGMT-Status 5 1.3 Der eukaryotische Zellzyklus und sequentielle Kontrollpunkte 6 1.3.1 Der Chromosomal Passenger Complex (CPC) 8 1.3.2 Die Familie der Aurorakinasen 9 1.4 Therapie maligner Gliome 10 1.4.1 Standardtherapie eines Glioblastoms 10 1.4.2 Tumor Treating Fields (TTFields) – Biologischer Effekt und Studienlage 11 1.4.3 Aurora Kinase-Inhibitoren 14 1.5 Zielstellung der Arbeit 15 2 METHODEN UND MATERIALIEN 17 2.1 Methoden 17 2.1.1 Zellkultivierung allgemein 17 2.1.2 Passagieren adhärenter Zellen 17 2.1.3 Kultivierung von primärem Patientenmaterial 18 2.1.4 Kryokonservierung und Rekultivierung eukaryotischer Zelllinien 18 2.1.5 Bestimmung der Lebendzellzahl mittels Neubauer-Zählkammer 19 2.1.6 Durchflusszytometrische Analyse 19 2.1.7 Bestimmung der Lebendzellzahl mittels Propidiumiodid (PI) 20 2.1.8 Durchflusszytometrische Immunphänotypisierung von Glioblastomzellen 20 2.1.9 In vitro-Applikation der Tumor Treating Fields (TTFields) 21 2.1.10 Titration der effektiven Aurora B Kinase-Inhibitorkonzentrationen mittels PI 22 2.1.11 Titration inhibitorischer Temozolomidkonzen-trationen mittels AlamarBlue-Assay 23 2.1.12 Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie 23 2.2. Materialien 25 2.2.1 Geräte 25 2.2.2 Chemikalien und Reagenzien 25 2.2.3 Lösungen 26 2.2.4 Medien 27 2.2.5 Kommerzielle Kits 28 2.2.6 Antikörper 28 2.2.7 Software 28 2.2.8 Statistik 29 2.2.9 Zelllinien 29 3 ERGEBNISSE 30 3.1 Wahl des Designs der Kontrollgruppen 30 3.2 Typisierung der verwendeten Primärkulturen 32 3.2.1 Befunde der Pathologie des Universitätsklinikums Dresden 33 3.2.2 Immunphänotypisierung der Primärkultur HT18584 34 3.2.3 Immunphänotypisierung der Primärkultur HT12347 35 3.3 Titrationen mit AZD1152 36 3.3.1 Titration mit AZD1152 für die Primärkultur HT18584 36 3.3.2 Titration mit AZD1152 für die Primärkultur HT12347 37 3.4 Kombinationstherapie mittels AZD1152 und TTFields 38 3.4.1 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie an U87-MG 39 3.4.2 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie an HT18584 40 3.4.3 Quantitativer Effekt der Kombinationstherapie an HT12347 41 3.4.4 Qualitativer Effekt der Kombinationstherapien 42 3.4.4.1 Die Kombinationstherapie mit U87-MG 43 3.4.4.2 Die Kombinationstherapie mit HT18584 44 3.4.5 Zytotoxischer Effekt der Kombinationstherapie an HT12347 45 3.5 Titrationen mit Temozolomid 47 3.5.1 Therapie mit Temozolomid an U87-MG 48 3.5.2 Therapie mit Temozolomid an Primärkulturen 48 4 DISKUSSION 52 4.1 Vorversuche 52 4.1.1 Wachstumsanalyse der Kontrollgruppen 52 4.1.2 Charakterisierung der Primärkulturen 53 4.2 Die neuen Behandlungsoptionen 54 4.2.1 Applikation der TTFields 54 4.2.2 Die Behandlung mit AZD1152 55 4.2.3 Die Kombinationstherapie 57 4.3. Die Behandlung mit Temozolomid (TMZ) 59 5 ZUSAMMENFASSUNG 62 LITERATURVERZEICHNIS 64 TABELLENVERZEICHNIS 73 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 74 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 75 ANHANG 77 Anhang 1: Einverständniserklärung der Patienten 77 Anhang 2: Erlaubnis zur Nutzung der Patientendaten der Pathologie 78 Anhang 3: Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 79 Anhang 4: Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben 81

Le cancer du cerveau est associé à une morbidité importante et à un fardeau économique considérable pour les systèmes de santé, les patients et leur famille. Malheureusement, on en sait toujours très peu sur l’étiologie de cette maladie. Les métaux, les métalloïdes et les fumées de soudures constituent une grande famille de cancérogènes professionnels potentiels à laquelle des millions de travailleurs sont exposés. La littérature scientifique fournit certains éléments de preuve que l’exposition professionnelle à quelques composés métalliques pourrait augmenter le risque de cancer du cerveau, mais la plupart des études publiées étaient limitées dans leur taille d’échantillons et en leurs capacités de mesurer efficacement l’exposition professionnelle à vie. Cette thèse a pour objectif de fournir de nouveaux éléments de preuve concernant l’association entre l’exposition professionnelle à certains composés métalliques et les deux principaux sous-types histologiques du cancer du cerveau, le gliome et le méningiome. Deux projets existants constituent la base de cette thèse: INTEROCC, une grande étude internationale cas-témoins sur l’association entre l’exposition professionnelle et le cancer du cerveau, incluant 2 054 cas de gliome, 1 924 cas de méningiome et 5 601 témoins, ainsi que CANJEM, une nouvelle matrice emplois-exposition basée sur plus de 30 000 emplois. CANJEM est un tableau croisé de trois axes: un axe de codes professionnels, un axe de périodes de temps et un axe d’agents chimiques. CANJEM fournit diverses mesures d’exposition à des agents professionnels sélectionnés en fonction d’un titre occupationnel et d’une période de temps. CANJEM étant un outil complexe conçu pour offrir une flexibilité considérable à l’utilisateur, les deux premiers volets de cette thèse ont été consacrés à l’examen de certaines des considérations méthodologiques associées à l’utilisation de CANJEM dans le cadre d’une étude épidémiologique. Premièrement, nous avons examiné comment la modification de la résolution des axes de codes professionnels et de périodes de temps influençait la proportion d’emplois pouvant être liés à CANJEM dans l’étude INTEROCC. Nous avons ensuite comparé l’accord de paires de versions de CANJEM pour la probabilité d’exposition et la concentration pondérée par la fréquence d’exposition de 19 composés métalliques en utilisant le coefficient d’accord de Gwet (AC2). Nous avons observé que, selon la résolution utilisée, CANJEM pouvait lier entre 70,7% et 98,1% de l’ensemble des emplois disponibles dans l’étude INTEROCC. De plus, la modification de l’axe de code professionnel avait un impact plus important que la modification de l’axe de période de temps sur les mesures d’expositions. Deuxièmement, l’évaluation par des experts est généralement considérée comme l’étalon-or dans l’évaluation rétrospective de l’exposition professionnelle. Différents seuils peuvent être appliqués à la probabilité d’exposition fournie par CANJEM afin de distinguer «exposé» de «non exposé». Nous avons comparé les rapports de cotes (RC) obtenus à l’aide de plusieurs versions de variables d’exposition binaire et cumulative pour neuf cancérogènes potentiels du poumon avec des RC obtenus à l’aide de l’évaluation par des experts. Des modèles de régression logistique inconditionnels ont été utilisés pour examiner l’association entre chaque variable d’exposition et le cancer du poumon chez 1 200 cas de cancer du poumon et 1 505 témoin issus d’une étude cas-témoin basée à Montréal. La sensibilité de l’évaluation dérivée de CANJEM par rapport à l’évaluation par experts variait de 0,12 à 0,78, tandis que la spécificité variait de 0,84 à 0,99. Dans l’ensemble, CANJEM a été capable reproduire les associations obtenues avec l’évaluation par experts, l’utilisation de seuils de probabilité de 25% ou 50% fournissant généralement les meilleurs résultats. Finalement, nous avons examiné le lien entre l’exposition professionnelle à 21 composés métalliques et le gliome ainsi que le méningiome dans l’étude INTEROCC à l’aide de régressions logistiques conditionnelles. La stratégie analytique était basée sur les observations faites dans les deux premiers volets. Nous n’avons observé aucune preuve de la présence d’association entre les agents sélectionnés et le gliome, mais la présence d’associations positives entre ces agents et le méningiome a été suggérée. Des associations statistiquement significatives ont également été observées entre le méningiome et une exposition inférieure à 15 ans aux fumées de plomb (RC (intervalle de confiance de 95%)) (1,67 (1,02-2,74)), aux composés du zinc (2,14 (1,02-3,89)), aux fumées de soudure (1,80 (1,17-2,77)), aux fumées d’oxydes métalliques (1,51 (1,03-2,21)) et entre une faible exposition cumulée au chrome VI (1,99 (1,03-3,84)) et aux fumées de brasage (1,83 (1,17-2,87)). L’évaluation rétrospective de l’exposition constitue l’un des principaux défis de l’épidémiologie professionnelle. Dans cette thèse, nous avons constaté que CANJEM, bien qu’imparfaite, était une approche appropriée pour l’évaluation de l’exposition professionnelle dans les études épidémiologiques. Bien qu’il soit difficile de déterminer le rôle exact joué par chacun des agents examinés, nos résultats supportent la présence d’une association positive entre les composés métalliques et plus particulièrement les fumées métalliques et le méningiome. / Brain cancer is associated with substantial lifelong morbidity and considerable economic burden for public health systems, patients, and their families. Very little is known regarding the etiology of this disease. Metals, metalloids, and welding fumes are a large family of potential occupational carcinogens to which millions of workers are exposed. The literature provides some evidence that occupational exposure to a few metallic compounds could increase the risk of brain cancer, but most published studies were limited in sample size and ability to effectively measure lifetime occupational exposure. In this thesis, we aimed to provide new evidence concerning the association between occupational exposure to selected metallic compounds and glioma and meningioma, the two major histological subtypes of brain cancer. Two existing projects provided the basis for the thesis: INTEROCC, a large international pooled case-control study on the association between occupational exposures and brain cancer, including 2,054 glioma cases, 1,924 meningioma cases, and 5,601 controls; CANJEM a new job exposure matrix based on the expert assessment of > 30,000 jobs. CANJEM is a cross-tabulation of three axes: an occupation code axis, a time period axis, and a chemical agent axis that provides various metrics of exposure to selected occupational agents based on a job title and a time period. However, CANJEM is also a complex tool designed to offer considerable flexibility to the user. The first two components of this thesis focused on the examination of some of the methodological considerations associated with the use of CANJEM in the context of an epidemiological study. First we examined how changing the resolution of the occupational code and time period axes, affected the proportion of jobs in the INTEROCC study that could be linked to CANJEM. We then compared the agreement among pairs of versions of CANJEM for the probability and frequency weighted concentration of exposure to 19 metallic compounds using Gwet’s agreement coefficient (AC2). We observed that, depending on the resolution used, CANJEM could be linked to 70.7% to 98.1% of all jobs available in the INTEROCC study. Furthermore, we observed that varying the occupation code axis had a greater impact than varying the time period axis. Neither the metrics of exposure nor the linkage rate were strongly affected by other aspects of CANJEM examined. Second, expert assessment is usually considered the gold standard in retrospective occupational exposure assessment. Different cutpoints can be applied to the probability of exposure provided by CANJEM to distinguish “exposed” from “unexposed”. We compared odds ratios (ORs) obtained using multiple versions of a binary ever and a cumulative exposure variable for nine potential and known lung carcinogens with ORs obtained using expert assessment. Unconditional logistic regression models adjusted for potential confounders were used to examine the association between each exposure variable and lung cancer in 1,200 lung cancer cases and 1,505 controls from a Montreal based case-control study. Sensitivity of the CANJEM-derived assessment vs. the expert assessment ranged from 0.12 to 0.78 while Specificity ranged from 0.84 to 0.99. Overall, CANJEM was fairly successful in reproducing the associations obtained with the expert assessment method, with the use of probability thresholds of 25% or 50% generally providing the best results for both exposure variables. Finally, we examined the association between occupational exposure to 21 metallic compound and glioma and meningioma in the INTEROCC study using conditional logistic regression adjusted for potential confounders. The analytical strategy was based on the observations made in the two previous components. We observed no evidence of association between the selected agents and glioma, but there was evidence of positive associations between some of the agents and meningioma. Statistically significant associations with OR (95% confidence interval) were also observed between < 15 years of exposure to lead fumes (1.67 (1.02-2.74)), zinc compounds (2.14 (1.02-3.89)), soldering fumes (1.80 (1.17-2.77)), and metal oxide fumes (1.51 (1.03-2.21)) and low cumulative exposure to chromium VI (1.99 (1.03-3.84)) and soldering fumes (1.83 (1.17-2.87)) and meningioma. One of the main challenges in occupational cancer epidemiology is retrospective exposure assessment. In this thesis we found that, while imperfect, CANJEM was a cost-efficient approach to occupational exposure in epidemiological studies. Although it is difficult to determine the exact role played by individual agents examined, our results provide some support for the presence of a positive association between metallic compounds, and more particularly metallic fumes, and meningioma.

Les gliomes diffus de bas grade (GBG) sont des tumeurs cérébrales primaires. Après une phase de croissance lente, ils évoluent en gliomes de haut grade, entrainant une issue fatale. Ce sont des tumeurs très diffuses donc difficiles à traiter. Une meilleure connaissance de ces tumeurs pourrait permettre de les guérir ou, à défaut, d'optimiser les traitements. Nous avons étudié la croissance des GBG grâce à un modèle mathématique simple, ce qui nous a amené à spéculer (i) qu'ils surviennent à l'adolescence, (ii) que l'âge de la tumeur au moment du diagnostic peut être calculé facilement et (iii) que la vitesse de croissance est un fac- teur pronostique important. Cette dernière prédiction concorde avec les observations cliniques. Pour vérifier ce modèle spatial, nous avons caractérisé quantitativement des tissus de biopsies étagées de GBG humains, en particulier la présence d'œdème. L'analyse de ces données micro- scopiques étaie l'idée que l'œdème est à l'origine de l'anomalie de signal IRM en séquence T2. Pour prendre en compte ce résultat nouveau, nous avons incorporé l'œdème au modèle initial comme conséquence de la présence de cellules tumorales. Ce modèle permet d'expliquer la longue décroissance du rayon tumoral pendant des dizaines de mois après la radiothérapie : les cellules tumorales désormais moins nombreuses, le drainage de l'œdème devient prédominant. Ce mo- dèle, qui ne comprend que trois paramètres libres, a été validé grâce à des données cliniques sur une vingtaine de patients.