L'imagerie préclinique regroupe les méthodes d'imagerie permettant de faire une étude des processus biologiques in vivo et de manière non-invasive sur animaux de laboratoire. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est une de ces méthodes. Elle utilise des molécules marquées par des émetteurs de positrons afin de pouvoir mesurer la biodistribution in vivo de ces molécules. Cependant, l'imagerie TEP est limitée à la détection de molécules marquées dans un organisme et n'offre pas toujours de référentiel suffisamment précis pour indiquer leur position exacte relativement aux organes et aux tissus internes. Le but du scanneur de profilométrie tridimensionnel (SPT) est donc de fournir un modèle 3D du contour de l'organisme qui sera superposé aux images TEP. Ce mémoire porte sur le développement de l'appareil et son installation sur le LabPET, un appareil d'imagerie TEP pour souris et rats de laboratoire développé au le Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke. Ce mémoire détaille la méthodologie, le développement du matériel de mesure et les algorithmes utilisés pour la conception et la réalisation du SPT ainsi que les résultats obtenus. Une emphase est placée sur l'utilisation d'une bipyramide à base triangulaire afin d'obtenir une méthode de calibrage flexible permettant de calibrer simultanément les multiples systèmes d'acquisition du SPT et leur fournir un même référentiel unique.

Ces dernières années de nombreux marqueurs de l’atteinte nigrostriatale ont été élaborés et testés dans la maladie de Parkinson (MP). Ces marqueurs peuvent détecter et quantifier la neurodégénérescence dans la substance noire (SN) des patients ainsi que dans les formes précoces prémotrices de la maladie. Leur performance diagnostique reste mal connue de même que l’atteinte extra-nigrale.Dans ce travail nous avons étudié l’atteinte de la SN dans les formes précliniques et prémotrices de la MP. La charge en fer était augmentée chez des porteurs des mutations symptomatiques mais également chez des porteurs sains. De plus, nous avons observé une atteinte pré-motrice de la SN chez des sujets touchés par les troubles des comportements en sommeil paradoxal (TCSP) qui n’ont pas encore développé un syndrome parkinsonien. Chez ces sujets, l’atteinte de la SN a été le mieux mise en évidence par l’imagerie sensible à la neuromélanine et le tenseur de diffusion avec la fraction d’anisotropie, suggérant un intérêt dans la caractérisation prodromale de la MP. Ces mêmes marqueurs présentaient également la meilleure performance diagnostique dans la MP. Finalement, nous avons trouvé des anomalies bulbaires en tenseur de diffusion dans la MP, qui étaient corrélées aux symptômes dysautonomiques cardiaques et respiratoires, suggérant l’intérêt de ce marqueur pour étude de l’atteinte bulbaire. Ceci ouvre une possibilité d’étude bulbaire chez des sujets présymptomatiques car une atteinte bulbaire devrait apparaître avant les symptômes moteurs selon le modèle de Braak. Ces marqueurs sont peut-être la première étape vers un diagnostic présymptomatique de la MP dans la pratique clinique. / In recent years numerous biomarkers of nigro-striatal damage were proposed in Parkinson's disease (PD). These markers are able to detect and quantify neurodegenative changes in the substantia nigra (SN) of patients with PD as well as in subjects with premotor conditions. Their diagnostic performances to detect PD as well as the extent of extranigral pathology remain incompletely understood.In this work we observed the damage of the substantia nigra in preclinical and premotor forms of PD. Iron load was increased in both symptomatic and asymptomatic mutations carriers, suggesting the interest of the biomarker in PD related genetic mutations. In addition, we found a pre-clinical impairment of the SN in subjects affected by idiopathic sleep in REM behavioral disorders (iRBD) who have not yet converted to Parkinsonism. In these subjects, the SN damage was best demonstrated by neuromelanin-sensitive imaging and diffusion tensor imaging (DTI) with fractional anisotropy measure, suggesting an interest of these measures in the prodromal characterization of PD. These same markers had the best performance for PD diagnosis.Finally, we found medulla oblongata damage patients with PD using DTI. This damage was correlated with cardiac and respiratory autonomic symptoms, suggesting the importance of this biomarker in medulla oblongata damage exploration. It also opens a possibility of medulla oblongata study in presymptomatic subjects as medulla oblongata damage should appear before motor symptoms based on the Braak model.These biomarkers may be the first step towards a presymptomatic diagnosis of PD in clinical practice.

L’imagerie préclinique est devenue une ressource incontournable pour l’évaluation de paramètres physiopathologiques, pour le suivi du développement tumoral ainsi que pour le développement de thérapies anticancéreuses. Les évolutions technologiques apparues ces dernières années ont conduit au développement de nouvelles modalités d’imagerie ayant un fort potentiel de translation vers la clinique. Ce manuscrit présente diverses approches par imagerie échographique, photoacoustique et de fluorescence dans le proche infrarouge pour le suivi de la pathologie cancéreuse. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de l’hypoxie et son suivi au cours du temps dans différents modèles de cancers humains. Différentes stratégies d’imagerie multimodale ont ensuite été mises en oeuvre pour évaluer l’efficacité d’une nouvelle prodrogue thérapeutique permettant la libération d’une molécule active dans le proche environnement tumoral sur des modèles humains de tumeurs pancréatiques, mammaires, pulmonaires. Enfin, dans un contexte de recherche translationnelle, nous avons exploré le potentiel de l’imagerie photoacoustique et de la fluorescence infrarouge pour la mise en évidence de l’invasion ganglionnaire tumorale en mettant en oeuvre des modèles de ganglions sentinelles minimalement envahis. Au cours de ce travail, nous avons montré l’intérêt du suivi de l’hypoxie tumorale en onco-pharmacologie et mis en évidence le fort potentiel de l’imagerie PA pour les approches translationnelles en oncologie. La principale limitation correspond à la profondeur relativement faible des régions explorables, mais ce point suscite actuellement de nombreux développements technologiques. Les études de faisabilité réalisées ainsi que la validation de protocoles de preuves de concept permettront l’exploitation en routine de ces nouvelles modalités d’imagerie. / Preclinical imaging has become an unavoidable step for pathophysiological parameters assessments, for the follow up of tumor growth and for the anticancer therapies development. Technological improvements have emerged in recent years, allowing the emergence of new imaging modalities with a high potential for translation into clinical practice. This manuscript presents several approaches by ultrasound imaging, photoacoustics and near infrared fluorescence in order to monitor the cancer pathology. Initially, we focused on the characterization of hypoxia and its longitudinal assessment in various preclinical models of human cancers. Various multimodal imaging strategies were implemented to assess the efficacy of a new therapeutic prodrug allowing the release of an active molecule in the tumor microenvironment on human models of pancreatic, breast and lung tumors. Finally, in a context of translational research, we explored the potential of photoacoustic and near infrared fluorescence imaging to highlight the lymph node invasion by cancer cells implementing minimally invaded sentinel lymph node models. In this work, we have shown the interest in monitoring the tumor hypoxia in onco-pharmacology and highlighted the high potential of photoacoustic imaging for oncology translational approaches. The main limitation is the relatively shallow depth of regions that we can explore, but this point is currently subject to many technological developments. Feasibility studies performed and validation of proof of concept protocols will enable routine exploitation of these new imaging modalities.

Le flux sanguin cérébral (CBF) caractérise la micro-circulation et l'irrigation des tissus. Cette information de perfusion cérébrale est utilisé en clinique pour le diagnostic et le suivi thérapeutique de nombreuses maladies. La technique de mesure de CBF la moins invasive est celle par marquage de spins artériels (ASL) où l'eau du sang fait office de traceur. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d'une convention CIFRE, consistait à faciliter l'utilisation de séquences ASL continues et pseudo-continues (CASL, pCASL) ainsi qu'à améliorer leur performance en pré-clinique. En effet, la mesure quantitative de CBF par ASL est un protocole complexe qui nécessite plusieurs étapes d'ajustements, d'acquisitions et de traitement de données. Dans le but d'alléger ce protocole, un package CASL a été développé en collaboration avec Bruker. Plusieurs étapes d'ajustements et de post-processing ont été automatisées, rendant la génération de cartes CBF relatives et absolues plus aisée. Le champ magnétique élevé des scanners IRM pré-cliniques présente de nombreux avantages mais est également une source de problèmes en ASL. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à deux d'entre eux : l'instabilité du marquage de spins et l'échauffement induit par les séquences ASL. Pour stabiliser le marquage ASL, une stratégie d'optimisation de la séquence pCASL a été développée et testée chez le rat à 9.4 T. Ceci a permis l'obtention d'un marquage robuste, même en situations de shim dégradé. Le package pCASL a été partagé avec dix autres instituts dans le monde. L'échauffement induit lors de séquences CASL et pCASL par le dépôt d'énergie radiofréquence a été caractérisé globalement et localement, dans le cerveau et au niveau des carotides, pour deux configurations d'antenne d'émission. Pour finir, une séquence pCASL encodée en temps a été développée et appliquée à la souris, dans le cadre d'une collaboration avec des équipes néerlandaises du Leiden University Medical Center. Cet outil permet la mesure simultanée de CBF et du temps de transit artériel, un paramètre pouvant refléter des pathologies vasculaires sous-jacentes. / Cerebral blood flow (CBF) characterizes the blood supply to brain tissue. This perfusion-related parameter contributes in diagnosis and therapeutic follow-up in many diseases. The least invasive technique to measure CBF is arterial spin labeling (ASL), where arterial water is used as tracer. The aim of this PhD project, conducted within a CIFRE agreement (Convention Industrielle de Formation par la REcherche), was to increase the performance and to facilitate the use of continuous and pseudo-continuous arterial spin labeling (CASL, pCASL) tools in preclinical studies. CBF quantification by means of ASL is one of the most challenging MRI modalities in terms of the workflow, since additional adjustments, acquisitions and post-processing steps are required. First, to render the workflow smoother for the user, a CASL package has been developed in collaboration with Bruker. This workflow allows easier relative and absolute CBF measurements, thanks to the integration of automated adjustments and reconstruction steps. In a second step, problems arising at high magnetic field were addressed. A strategy to optimize the pCASL labeling sequence in order to obtain robust results was developed and its robustness towards suboptimal shim conditions was demonstrated at 9.4 T in rats. The developed pCASL-package, consisting of three sequences, was shared with ten other institutes worldwide. Another issue encountered at high magnetic fields is heating due to RF power deposition, which was assessed locally in the brain and in the carotids, as well as globally, for the CASL and pCASL sequences and for two different transmit coil configurations. In a third step, time-encoded pCASL was developed in mice in collaboration with teams of the Leiden University Medical Center. This tool enables the simultaneous mapping of CBF and arterial transit time, a parameter that can reflect underlying pathologies such as increased vessel tortuosity or occlusion.

La Thérapie par MicroFaisceaux (MRT) et la Thérapie Stéréotaxique par Rayonnement Synchrotron (SSRT) sont des techniques innovantes de radiothérapie expérimentale développées actuellement à l'ESRF. L'utilisation de modèles tumoraux différents pour chaque technique limite leur comparaison. <br />En MRT, sur rats porteurs de tumeur 9L, la médiane de survie des rats contrôle est doublée (de 20 jours à 40 jours) lors d'irradiation avec un espacement de 200 µm entre les microfaisceaux voire triplée (67 jours) à 100 µm d'espacement (mais provoquant alors d'importantes lésions du tissu sain). L'influence importante du collimateur multifentes, a également été démontrée. La combinaison de diverses drogues avec la technique de MRT a été testée. Des résultats prometteurs (médiane de survie de 40 jours et 30% de survivants à long terme) sont obtenus en injectant du gadolinium en intracérébral avant une irradiation MRT en faisceaux croisés à 460 Gy. De plus, l'irradiation MRT de tumeurs à stade plus précoce permet de quadrupler la médiane de survie (79 jours) et d'obtenir 30% de survivants à long terme. La mise en place d'un ciblage de la tumeur par imagerie avant l'irradiation et l'utilisation d'un collimateur adapté permettront d'améliorer encore ces résultats. Les différences entre les deux modèles tumoraux utilisés en MRT (modèle 9L) et en SSRT (modèle F98) étant importantes des expériences comparatives MRT/SSRT ont été réalisées sur ces deux modèles. Les résultats obtenus montrent une efficacité proche des 2 techniques sur le modèle F98 et une meilleure efficacité de la MRT sur le modèle 9L. Ces résultats pourront permettre d'orienter le type tumoral adapté à chaque technique.

Afin d'analyser les données in vitro de l'effet de l'erlotinib sur la croissance des cellules A431 suivie par impédance-métrie, nous avons développé un modèle pharmacocinétique - pharmacodynamique non linéaire décrivant simultanément la diminution de la concentration d'erlotinib et son effet sur la croissance cellulaire au cours du temps. La non-linéarité du modèle imposant le recours à des méthodes itératives pour l'estimation des paramètres, plusieurs étapes de la procédure d'identification du modèle ont été étudiées et des solutions proposées, avec des exemples d'application à des molécules utilisées en oncologie:Choix du critère d'optimisation à employer - supériorité de la relation fonctionnelle de la moyenne géométrique pour l'identification de modèles non linéaires. Application données réelles: courbe de calibration d'une expérience de dosage ELISA du bevacizumab. Choix de l'algorithme d'optimisation le plus approprié au problème d'identification du processus pharmacocinétique. Les algorithmes dérivatifs sont les plus performants. Application données réelles: estimation simultanée des paramètres du modèle pharmacocinétique du 5-fluorouracile et de son métabolite principal.Transformation de la forme différentielle initiale du modèle en temps continu vers un modèle récursif en temps discret. Par ce moyen le modèle devient linéaire en ses paramètres, ce qui permet d'estimer directement les paramètres sans utiliser d'algorithme d'optimisation. Il devient également possible de suivre les variations des paramètres au cours du temps. Application données réelles: pharmacocinétique de la fotemustine, de la mitoxantrone et du 5-fluorouracile. / A nonlinear pharmacokinetic-pharmacodynamic model has been devised do simultaneously describe the loss of erlotinib and its effect on the cell growth over time, in order to analyze impedance-based data of erlotinib effect on A431 cells growth in vitro over time. The model non-linearity requiring the use of iterative methods for parameter estimation, several steps of the model identification were studied, and solutions proposed, with application examples to cancer drugs :Choice of the optimization criterion - superiotity of the geometric mean functionnal relationship for non-linear model identification. Real data application : calibration curve of a bevacizumab ELISA quantification experiment.Choice of the most appropriate algorithm for the pharmacokinetic process identification problem. The derivative algorithms perform better. Real data application : simultaneous identification of the 5-fluorouracil and of its main metabolite pharmacokinetic system.Transform of the differential initial continuous-time model in a recursive discrete time model. The transformed model becomes linear with respect to its parameters, allowing straightforward parameter estimation without using any optimization algorithm. It is then also possible to track the parameter variations over time. Real data application : pharmacokinetic model parameter estimation of fotemustine, mitoxantrone and 5-fluorouracil.

L’imagerie cardiovasculaire par RMN est encore aujourd’hui un véritable défi. La difficulté résidedans la nécessité d’acquérir des images avec de fortes résolutions spatiale et temporelle en un tempslimité, et dans certains cas sur des zones en mouvement. Alors que la plupart des images sont acquisesavec des trajectoires cartésiennes, notre choix s’est porté sur l’utilisation de trajectoires 3D radialescomme alternative. En effet, celles-ci bénéficient de nombreux avantages comme leur faible sensibilitéaux artefacts de mouvements et de flux ainsi que la possibilité de fortement sous-échantillonner lesacquisitions. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles méthodes utilisant lespropriétés des acquisitions radiales pour l’imagerie cardiovasculaire 3D anatomique et fonctionnellechez le petit animal à hauts champs magnétiques.Tout d’abord, une méthode de mesure des flux sanguins en 3D a été mise au point, basée sur lephénomène de temps-de-vol. L’utilisation de trajectoires radiales a permis de réduire fortement lestemps d’acquisition tout en améliorant les résolutions spatiale et temporelle des images par rapportaux méthodes cartésiennes.Ensuite, en combinant l’utilisation de nanoparticules de Fer qui possèdent une rémanence vasculaireimportante avec des séquences radiales à temps d’écho ultracourt, nous avons montré que l’acquisitiond’images anatomiques cardiaques et vasculaires très haute résolution pouvait être réalisée de manièreprospective ou bien retrospective grâce à l’ajout d’un écho-navigateur dans la séquence permettantl’auto-synchronisation cardiaque.Enfin, cette même méthode a été employée pour réaliser l’imagerie de flux 4D sur l’entièreté dusystème cardio-pulmonaire de l’animal.Les séquences développées lors de ce travail et les résultats obtenus en imagerie anatomique etfonctionnelle montrent l’intérêt et la robustesse des méthodes non cartésiennes en imagerie préclinique.Elles peuvent ouvrir la voie à de nouvelles stratégies en imagerie clinique. / Cardiovascular imaging using NMR is still a real challenge. The difficulty relies on the need toacquire images with high temporal and spatial resolutions, in a limited acquisition time and in somecases of moving areas. While most images are acquired with cartesian trajectories, the use of 3D radialtrajectories was explored as an alternative. Indeed, they benefit from various advantages like their lowsensitivity to flow and motion artefacts as well as the opportunity to highly undersample acquisitions.Thus, the aim of this thesis was to develop new acquisition strategies using radial trajectory propertiesfor 3D cardiovascular anatomical and functional imaging in small animals at high magnetic fields.First, a method for measuring blood flow in 3D was developped, based on a time-of-flight effect.The use of radial trajectories allowed to highly reduce acquisition times while increasing spatial andtemporal resolutions compared to cartesian acquisitions.Then, combining the injection of iron nanoparticles which have a long vascular remanence withultrashort echot time radial acquisitions, we showed that anatomical cardiac images with a high spatialresolution could be obtained prospectively or restrospectively by adding a navigator echo in thesequence in order to synchronize the reconstruction to the cardiac cycle.Finally, this method was used to perform 4D flow imaging on the entire cardiopulmonary systemof the animals.The sequences developed during this work and the results obtained in anatomical and functionalimaging show the interest and the robustness of non cartesian methods in preclinical imaging. Theypaves the way to the development of new strategies in clinical imaging.Keywords : Preclinical MRI, 3D+t, radial trajectories, cardiovascular, flow measurement.

La maladie d’Alzheimer (MA) est actuellement conceptualisée comme un continuum : la démence représentant la conséquence clinique d’une longue période où s’accumule des éléments pathologiques dans le cerveau d’individus indemnes de symptômes comportementaux. Les futures thérapies devront idéalement débuter avant l’apparition des symptômes mais le manque actuel d’outils reproduisant avec pertinence cette phase préclinique empêche leurs développements. Dans ce travail de thèse, nous avons d’abord levé ce verrou technologique. Un nouveau modèle a été créé dans lequel la production de peptides Aβs solubles en quantité faible, mais néanmoins suffisante pour induire une hyper-phosphorylation des protéines Tau, perturbe la fonction cognitive bien avant l’apparition d’éléments caractéristiques de la MA (plaques amyloïdes, dégénérescences neurofibrillaires, inflammation). Cette avancée technologique, nous a ensuite permis d’évaluer l’implication de la protéine kinase DYRK1A et le potentiel thérapeutique de molécules modulant ses fonctions dans l’ensemble de la pathologie Alzheimer. Nos résultats démontrent que l’inhibition de son activité kinase réduit l’hyper-phosphorylation des protéines Tau et améliore la fonction mnésique chez notre animal modélisant la phase préclinique de la MA. A contrario, nous démontrons que DYRK1A est sensible à un clivage protéolytique dans le cerveau de patients atteints de démence Alzheimer et acquiert de nouvelles fonctions biologiques. Dans ce contexte, la prévention de ce clivage réduit l’inflammation et restaure les déficits cognitifs chez la souris modélisant la phase clinique de la MA. En ciblant différentes phases de la MA, ces données ouvrent donc la voie à la médecine personnalisée et à des stratégies de traitement plus ciblées. / Current view conceptualizes Alzheimer’s disease (AD) as a continuum, with dementia representing the clinical outcome of a long period of cumulative pathological events in the brain of individual with free cognitive symptoms. New therapies for AD should ideally be started before the onset of symptoms but the lack of suitable tools mimicking preclinical stage of AD limits their future evaluations. In this work, we break this technological limitation. A new animal model have been developed in which a small amount of soluble Aβs forms able to induce hyper-phosphorylation of Tau is sufficient to disturb cognitive function long before classical lesions occur (amyloid plaques, neurofibrillary tangles and inflammation). This technological breakthrough allows us to evaluate involvement of the protein kinase DYRK1A and therapeutic potential of molecules modifying its functions in different stages of AD. Our results demonstrate that inhibition of its kinase activity reduces hyper-phosphorylation of Tau proteins and alleviates memory function in our preclinical AD-like animal model. In contrast, we provide evidences that DYRK1A undergoes a cleavage in brain of patient with clinical AD and gains new biological functions. Prevention of this proteolysis reduces inflammation and restores cognitive impairments in a clinical AD-like mice model. By targeting distinct phases of the disease, these data open avenue for personalized medicine and more-targeted treatment strategies.

Les modèles animaux d’arthrose permettent d’évaluer le potentiel d’agents thérapeutiques en phase préclinique de développement. Le présent ouvrage tient compte du chien comme modèle d’arthrose naturelle (chez l’animal de compagnie) ou expérimentale (par sectionnement chirurgical du ligament croisé crânial). Au sein des expérimentations, la force de réaction au sol verticale maximale, mesurée lors de l’analyse cinétique de la locomotion, est proposée comme témoin d’effets fonctionnels et structuraux sur ces modèles d’arthrose. Sur un modèle canin d’arthrose naturelle, le seuil de changement minimal détectable a été déterminé. Les changements au dysfonctionnement locomoteur peuvent désormais être cernés en s’affranchissant de la marge d’erreur inhérente à la mesure de la force verticale maximale. Il en découle l’identification de répondants lors d’essais cliniques entrepris chez le chien arthrosique. Une analyse rétrospective a, par la suite, déterminé un taux de répondants de 62.8% et d’une taille d’effet de 0.7 pour des approches thérapeutiques actuellement proposées aux chiens arthrosiques. Cette analyse détermina également que la démonstration d’une réponse thérapeutique était favorisée en présence d’un fort dysfonctionnement locomoteur. Sur un modèle canin d’arthrose par sectionnement chirurgical du ligament croisé crânial, la force verticale maximale a démontré une relation inverse avec certains types de lésions arthrosiques évaluées à l’aide d’imagerie par résonance magnétique. Également, la sensibilité de la force verticale maximale a été mise en évidence envers la détection d’effets structuraux, au niveau de l’os sous-chondral, par un agent anti-résorptif (le tiludronate) sur ce même modèle. Les expérimentations en contexte d’arthrose naturelle canine permettent de valider davantage les résultats d’essais cliniques contrôlés utilisant la force verticale maximale comme critère d’efficacité fonctionnelle. Des évidences cliniques probantes nécessaires à la pratique d’une médecine basée sur des faits sont ainsi escomptées. En contexte d’arthrose expérimentale, la pertinence d’enregistrer le dysfonctionnement locomoteur est soulignée, puisque ce dernier est en lien avec l’état des structures. En effectuant l’analyse de la démarche, de pair avec l’évaluation des structures, il est escompté de pouvoir établir la répercussion de bénéfices structurels sur l’inconfort articulaire. Cet ouvrage suggère qu’une plateforme d’investigations précliniques, qui combine le modèle canin d’arthrose par sectionnement chirurgical du ligament croisé crânial à un essai clinique chez le chien arthrosique, soit un moyen de cerner des bénéfices structuraux ayant des impacts fonctionnels. Le potentiel inférentiel de ces modèles canins d’arthrose vers l’Homme serait ainsi favorisé en utilisant la force verticale maximale. / Animal models of osteoarthritis are useful to evaluate the potential of osteoarthritis therapeutics at the preclinical stage of development. In this thesis, the dog is used as a model of naturally-occurring (i.e. companion animal) and experimentally induced (i.e. by surgical transection of the cranial cruciate ligament) osteoarthritis. The peak of the vertically-oriented ground reaction force, which is measured during kinetic gait analysis, is proposed to be an indicator of structural and functional benefits in these models of osteoarthritis. In a canine model of naturally-occurring osteoarthritis, the threshold of the minimal detectable change in peak vertical force was determined. An improvement in the locomotor disability can now be identified according to the measurement error (noise) of the peak vertical force. This allows the identification of responders when the peak vertical force is used as an outcome measure of functional benefits. A retrospective analysis later determined that current therapeutic approaches provided a responder rate of 62.8% with an effect size of 0.7 in dogs with naturally-occurring osteoarthritis. This analysis also determined that the therapeutic response is favored in cases of severe locomotor disability.   In a canine model of osteoarthritis induced by surgical transection of the cranial cruciate ligament, the peak vertical force demonstrated an inverse relationship with different types of structural changes, as evaluated upon magnetic resonance imaging. The sensitivity of the peak vertical force to detect structural benefits on the subchondral bone was also shown in this model using an antiresorptive agent (i.e. tiludronate). The experiments conducted in dogs with naturally-occurring osteoarthritis further validate findings from clinical trials in which the peak vertical force is used as an outcome measure of functional benefits. The practice of an evidence-based medicine is then expected. The experiments conducted in dogs with surgically-induced osteoarthritis support the recording of the locomotor disability, being in line with the level of the structural changes. By performing gait analysis in addition to structural evaluations, it is expected to establish the impact of structural benefits on joint discomfort This thesis suggests that a platform for preclinical investigations, which combines the canine model of osteoarthritis induced by surgical transection of the cranial cruciate ligament and a clinical trial in dogs with naturally-occurring osteoarthritis, offers the opportunity to discern structural benefits having functional impacts. A better prediction of outcomes for human clinical trials is expected by using the peak vertical force.

Les méthodes de simulation Monte-Carlo s’étendent avec succès à différents domaines de la physique médicale mais aussi à différentes échelles, par exemple de la planification des traitements de radiothérapie jusqu’à une prévision des effets des rayonnements au niveau des cellules cancéreuses. La plateforme de simulation Monte-Carlo GATE, basée sur l’outil Geant4, propose des fonctionnalités dédiées aux simulations en physique médicale (médecine nucléaire et radiothérapie). Pour les applications en radiobiologie, les modèles physiques Geant4-DNA implémentés jusqu’à très basse énergie (eV) permettent d’estimer des quantités micro-dosimétriques d’intérêt. Dans le but d’implémenter une plateforme de simulation Monte-Carlo multi-échelles, nous nous sommes d’abord intéressés à la validation des modèles physiques de Geant4-DNA, puis à leur intégration dans la plateforme de simulation GATE et enfin à une validation de cette implémentation dans un contexte de radiothérapie et protonthérapie. De manière à valider les modèles physiques de Geant4-DNA, des points kernels de dose en électrons mono-énergétiques (de 10 keV à 100 keV) ont été simulés en utilisant les modèles physiques de Geant4 et de Geant4-DNA et ils ont comparés au code Monte-Carlo EGSnrc. Les parcours et pouvoirs d’arrêts des électrons (de 7,4 eV à 1 MeV) et des protons (de 1 keV à 100 MeV) calculés avec Geant4-DNA (processus et modèles préalablement intégrés dans GATE) ont ensuite été validés. Nous avons alors proposé de simuler avec la plateforme GATE l’impact de faisceaux cliniques et pré-cliniques sur l’ADN cellulaire. Nous avons ainsi modélisé un faisceau de protonthérapie de 193,1 MeV, un accélérateur linéaire en mode électrons de 6 MeV et un irradiateur RX de 250 kV. Ces simulations ont d’abord été validées en milieu aqueux par une comparaison de la dose macroscopique avec des mesures expérimentales. Les faisceaux ont ensuite été utilisés pour calculer, pour chacun d’entre eux, les fréquences de dépôts d’énergie à l’ADN. La molécule d’ADN a été simulée tout d’abord grâce à des cylindres équivalents en dimension à 10 paires de base (2 nm x 2 nm), équivalents à la taille d’un nucléosome (10 nm x 5 nm) et équivalents à la taille d’une fibre de chromatine (25 nm x 25 nm). Tous ces cylindres ont été placés aléatoirement dans un volume d’eau liquide (de rayon 500 nm). Nous avons ensuite reconstruit la molécule d’ADN dans Geant4 à partir de la lecture de fichiers PDB (Protein Data Bank) représentant douze paires de base de la molécule d’ADN et un dinucléosome (347 paires de base). Enfin, nous avons développé un outil permettant de corréler les positions de dépôts d’énergie directs dans l’eau liquide avec les coordonnées des paires de base de l’ADN, afin de calculer les nombres de cassures simple et double brin de l’ADN. Tous les calculs réalisés au cours de ce travail, ont été déployés sur l’Infrastructure de Grille Européenne ; des tests de performance sont proposés pour mesurer l’intérêt de ce type d’architecture pour les calculs Monte-Carlo. / The Monte Carlo simulation methods are successfully being used in various areas of medical physics but also at different scales, for example, from the radiation therapy treatment planning systems to the prediction of the effects of radiation in cancer cells. The Monte Carlo simulation platform GATE based on the Geant4 toolkit offers features dedicated to simulations in medical physics (nuclear medicine and radiotherapy). For radiobiology applications, the Geant4-DNA physical models are implemented to track particles till very low energy (eV) and are adapted for estimation of micro-dosimetric quantities. In order to implement a multi-scale Monte Carlo platform, we first validated the physical models of Geant4-DNA, and integrated them into GATE. Finally, we validated this implementation in the context of radiation therapy and proton therapy. In order to validate the Geant4-DNA physical models, dose point kernels for monoenergetic electrons (10 keV to 100 keV) were simulated using the physical models of Geant4-DNA and were compared to those simulated with Geant4 Standard physical models and another Monte Carlo code EGSnrc. The range and the stopping powers of electrons (7.4 eV to 1 MeV) and protons (1 keV to 100 MeV) calculated with GATE/Geant4-DNA were then compared with literature. We proposed to simulate with the GATE platform the impact of clinical and preclinical beams on cellular DNA. We modeled a clinical proton beam of 193.1 MeV, 6 MeV clinical electron beam and a X-ray irradiator beam. The beams models were validated by comparing absorbed dose computed and measured in liquid water. Then, the beams were used to calculate the frequency of energy deposits in DNA represented by different geometries. First, the DNA molecule was represented by small cylinders : 2 nm x 2 nm ( 10 bp), 5 nm x 10 nm ( nucleosome) and 25 nm x 25 nm ( chromatin fiber). All these cylinders were placed randomly in a sphere of liquid water (500 nm radius). Then we reconstructed the DNA molecule in Geant4 by reading PDB (Protein Data Bank) files representing twelve base pairs of the DNA molecule and a dinucleosome (347 base pairs). Finally, we developed a tool to correlate the positions of direct energy deposit in liquid water with the coordinates of the base pairs of DNA to calculate the number of single and double strand breaks in DNA. All calculations in this work were perfomed on the European Grid Infrastructure; performance tests are available to estimate the utility of this type of architecture for Monte Carlo calculations.