L’accélération de particules par interaction laser-plasma est une alternative prometteuse aux accélérateurs conventionnels qui permettrait de rendre plus compactes les machines du futur dédiées à la protonthérapie. Des champs électriques extrêmes de l’ordre du TV/m sont créés en focalisant une impulsion laser ultra-intense sur une cible solide mince de quelques micromètres d’épaisseur, ce qui produit un faisceau de particules de haute énergie. Ce dernier contient des protons ayant une énergie allant jusqu’à la dizaine de mégaélectron-volts, et est caractérisé par une forte divergence angulaire et un spectre en énergie très étendu.Le but de cette thèse est de caractériser parfaitement un accélérateur laser-plasma afin de produire un faisceau de protons stable, satisfaisant les critères d'énergie, de charge et d'homogénéité de surface requis pour son utilisation en radiobiologie. La conception, la réalisation et l’implémentation d’un système magnétique, constitué d'aimants permanents quadripolaires ont été optimisés au préalable avec des simulations numériques. Ce système permet d’obtenir un faisceau de protons ayant un spectre en énergie qui à été mise en forme, et dont le profil est uniforme sur une surface de taille adaptée aux échantillons biologiques.Une dosimétrie absolue et en ligne a également été établie, permettant le contrôle de la dose délivrée en sortie. Pour cela, une chambre d'ionisation à transmission, précédemment calibrée sur un accélérateur à usage médical de type cyclotron, a été mise en place sur le trajet du faisceau de protons. Des simulations Monte Carlo ont ensuite permis de calculer la dose déposée dans les échantillons. Ce système compact autorise maintenant de définir un protocole expérimental rigoureux pour la poursuite d’expériences in vitro de radiobiologie. De premières irradiations de cellules cancéreuses ont été ainsi réalisées in vitro, ouvrant la voie à l’exploration des effets de rayonnements ionisants pulsés à haut débit de dose sur les cellules vivantes. / Particle acceleration by laser-plasma interaction is a promising alternative to conventional accelerators that could make future devices dedicated to protontherapy more compact. Extreme electric fields in the order of TV/m are created when an ultra-intense laser pulse is focused on a thin solid target with a thickness of a few micrometers, which generates a beam of highly energetic particles. The latter includes protons with energies up to about ten megaelectron-volts and characterised by a wide angular divergence and a broad energy spectrum.The goal of this thesis is to fully characterise a laser-based accelerator in order to produce a stable proton beam meeting the energy, charge and surface homogeneity requirements for radiobiological experiments. The design, realisation and implementation of a magnetic system made of permanent magnet quadrupoles were optimised beforehand through numerical simulations. It enables to obtain a beam with a shaped energy spectrum and with a uniform profile over a surface with a size adapted to the biological samples.Deferred and online dosimetry was setup to monitor the delivered output dose. For that purpose, a transmission ionisation chamber, previously calibrated absolutely on a medical proton accelerator, was used. Monte Carlo simulations enabled to compute the dose deposited into the samples. This compact system allows now to define a rigorous experimental protocol for in vitro radiobiological experiments. First experiments of cancer cell irradiation have been carried out, paving the way for the exploration of the effects of pulsed ionizing radiations at extremely high dose rates on living cells.

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.

Une approche thérapeutique innovante utilisant l'adjonction d'éléments de numéro atomique élevé à une radiothérapie de basse énergie semble offrir une voie prometteuse pour le traitement des tumeurs cérébrales résistantes. Une telle technique est notamment développée sur la ligne médicale de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) utilisant un rayonnement monochromatique allant de 25 à 90 keV [Adam 2003, Adam 2006]. Des résultats encourageants ont été obtenus en traitant des souris cancéreuses après injection de nanoparticules d'or (AuNP) [Hainfeld 2004]. Cependant, les processus physiques et l'impact biologique issus de la photoactivation de nanoparticules sont encore aujourd'hui mal compris et ne peuvent être expliqués par des calculs de doses macroscopiques [Cho 2005, Zhang 2009]. Le but de ce travail est d'évaluer par simulation Monte Carlo l'augmentation locale de dose en présence de nanoparticules ainsi que les caractéristiques des électrons secondaires produits. Dans un premier temps, des simulations ont été réalisées en utilisant une géométrie cellulaire, de manière à comparer les données simulées aux expérimentations menées à l'ESRF. Des tests de clonogénicité ont été réalisés pour mesurer le taux de radiosensibilité des cellules pour une irradiation de 4 Gy (SER4Gy) en présence de gadolinium, pour différentes énergies d'irradiation (25 keV à 1250 keV). Ces études, expérimentales et numériques, ont permis l'évaluation de l'influence de la localisation du gadolinium au sein de la cellule et la forme de ce dernier (nanoparticules ou agent de contraste). D'autre part, une étude comparative a été menée pour caractériser le comportement d'une nanoparticule sous irradiation à une échelle nanométrique, en fonction de l'énergie de faisceau, du rayon de la nanoparticule et de l'élément lourd (or et gadolinium). / An innovative approach using X-ray interactions with heavy elements seems to open a promising way of treatment for resistant cancers, such as high-grade gliomas. Such a technique is developed at the medical beam line of ESRF using monochromatic X-rays in the 25-90 keV range for the treatment of brain tumors [Adam 2003, Adam 2006]. The use of gold nanoparticles (AuNP) to treat mice bearing subcutaneous tumors led to encouraging results [Hainfeld 2004]. However, the physical processes and biological impact of the photon activation of nanoparticles are not yet well understood. The experimental results cannot be explained by macroscopic dose calculations [Cho 2005, Zhang 2009]. The aim of this work was to evaluate, at the sub-cellular level, the dose enhancement in presence of nanoparticles and the properties of the secondary electrons production using Monte Carlo simulations. In a first step, simulations were performed using cell geometry, in order to compare the simulated data to the experiments realized on the ID17 beamline of ESRF. Clonogenic assays have been performed on F98 cells to measure the “Sensitizer Enhancement Ratio” for an irradiation of 4 Gy (SER4Gy) in the presence of gadolinium, for several beam energies (25 to 80 keV). These experimental and numerical studies were done to evaluate the influence of the gadolinium location within the cell and its shape (nanoparticles or contrast agent). On the other hand, a comparative study has been performed to evaluate the behavior of a nanoparticle under irradiation at a nanometer scale. Electron spectra have been studied for two heavy elements - gold and gadolinium - and several beam energies from 25 keV to 2 MeV. Experiments have shown that gadolinium nanoparticles (GdNP) incubated during 5 h with the cells were strongly effective compared to non-incubated nanoparticles and contrast agent, for the same concentration of gadolinium. A part of radiosensitivity could possibly be explained by a biological action of GdNP on the cell cycle. Another part could be attributed to the important dose enhancement factor (DEF) calculated in the vicinity of GdNP, highlighted from two-dimension DEF maps. The DEF can reach two orders of magnitude within a few nanometers of the GdNP surface and is mainly due to high-linear energy transfer electrons (< 5 keV). By modeling the case of nanoparticles randomly distributed on the cell membrane (closest to the experimental case), we showed that a good correlation exists between the SER4Gy and the membrane DEF. On the other hand, the comparison of the two elements showed that GdNP could produce more electrons (of lower energy) than AuNP (with same mass), but that the local DEF due to AuNP was more important. Interesting results were obtained by comparing the local DEF with experimental results on plasmid DNA. However, it seems important to carry on these studies by taking into account the post-irradiation chemical processes in modeling.

L’interaction des particules chargées avec la matière conduit à un dépôt d’énergie très localisé dans des traces de dimensions sub-micrométriques. Cette propriété unique rend ce type de rayonnement ionisant particulièrement intéressant pour disséquer les mécanismes moléculaires radio-induits suite à l’échelle de la cellule. L’utilisation de microfaisceaux de particules chargées offre en outre la capacité d’irradier sélectivement à l’échelle du micromètre avec une dose contrôlée jusqu’à la particule unique. Mon travail a porté sur des irradiations réalisées avec le microfaisceau de particules chargées de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) du CENBG. Ce microfaisceau délivre des protons et particules alpha et est dédié aux irradiations ciblées in vitro (cellules humains) et in vivo (C. elegans).En complément de l’intérêt qu’elles présentent pour des études expérimentales, les dépôts d’énergie et les interactions des particules chargées avec la matière peuvent être modélisés précisément tout au long de leur trajectoire en utilisant des codes de structures de traces basés sur des méthodes Monte Carlo. Ces outils de simulation permettent une caractérisation précise de la micro-dosimétrie des irradiations allant de la description détaillée des interactions physiques à l’échelle nanométrique jusqu’à la prédiction du nombre de dommages à l’ADN et leurs distributions dans l’espace.Au cours de ma thèse, j’ai développée des modèles micro-dosimétriques basés sur l’outil de modélisation Geant4-DNA dans deux cas. Le premier concerne la simulation de la distribution d’énergie déposée dans un noyau cellulaire et le calcul du nombre des différents types de dommages ADN (simple et double brin) aux échelles nanométrique et micrométrique, pour différents types et nombres de particules délivrées. Ces résultats sont confrontés à la mesure expérimentale de la cinétique de protéines de réparation de l’ADN marquées par GFP (Green Fluorescent Protein) dans des cellules humaines. Le second concerne la dosimétrie de l’irradiation d’un organisme multicellulaire dans le cadre d’études de l’instabilité génétique dans un organisme vivant au cours du développement (C. elegans). J’ai simulé la distribution de l’énergie déposée dans différents compartiments d’un modèle réaliste en 3D d’un embryon de C. elegans suite à des irradiations par protons. Enfin, et en parallèle de ces deux études, j’ai développé un protocole pour caractériser le microfaisceau d'AIFIRA à l’aide de détecteurs de traces fluorescent (FNTD) pour des irradiations par protons et par particules alpha. Ce type de détecteur permet en effet de visualiser les trajectoires des particules incidentes avec une résolution de l’ordre de 200 nm et d’examiner la qualité des irradiations cellulaires réalisées par le microfaisceau. / The interaction of charged particles with matter leads to a very localized energy deposits in sub-micrometric tracks. This unique property makes this type of ionizing radiation particularly interesting for deciphering the radiation-induced molecular mechanisms at the cell scale. Charged particle microbeams (CPMs) provide the ability to target a given cell compartment at the micrometer scale with a controlled dose down to single particle. My work focused on irradiations carried out with the CPM at the AIFIRA facility in the CENBG (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine). This microbeam delivers protons and alpha particles and is dedicated to targeted irradiation in vitro (human cells) and in vivo (C. elegans).In addition to their interest for experimental studies, the energy deposits and the interactions of charged particles with matter can be modeled precisely along their trajectory using track structure codes based on Monte Carlo methods. These simulation tools allow a precise characterization of the micro-dosimetry of the irradations from the detailed description of the physical interactions at the nanoscale to the prediction of the number of DNA damage, their complexity and their distribution in space.During my thesis, I developed micro-dosimetric models based on the Geant4-DNA modeling toolkit in two cases. The first concerns the simulation of the energy distribution deposited in a cell nucleus and the calculation of the number of different types of DNA damage (single and double strand breaks) at the nanometric and micrometric scales, for different types and numbers of delivered particles. These simulations are compared with experimental measurements of the kinetics of GFP-labeled (Green Fluorescent Protein) DNA repair proteins in human cells. The second is the dosimetry of irradiation of a multicellular organism to study the genetic instability in a living organism during development (C. elegans). I simulated the distribution of the energy deposited in different compartments of a realistic 3D model of a C. elegans embryo following proton irradiations. Finally, and in parallel with these two studies, I developed a protocol to characterize the AIFIRA microbeam using fluorescent nuclear track detector (FNTD) for proton and alpha particle irradiations. This type of detector makes it possible to visualize in 3D the incident particle tracks with a resolution of about 200 nm and to examine the quality of the cellular irradiations carried out by the CPM.

Proton sources driven by high-power lasers are a promising addition to the portfolio of conventional proton accelerators. Regarding particle cancer therapy, where tumours are irradiated with protons or ions, the novel accelerator technology can be particularly beneficial for translational research - the research branch in which results of basic research are transferred to new approaches for the prevention, diagnosis and treatment of cancer. The overarching aim in the thesis at hand was a translational pilot study to irradiate tumours on mice’s ears with laser-accelerated protons while achieving the quality level of conventional proton accelerators. This is the only way to compare the radiobiological data of the novel accelerator technology with those of the established ones. To enable such experiments a predetermined dose distribution according to the radiobiological model’s requirements must be delivered to a sample volume. Ergo, the laser-driven protons have to be transported and shaped after their initial acceleration. Intense laser-driven proton pulses, inherently broadband and highly divergent, pose a challenge to established beamline concepts on the path to application-adapted irradiation field formation, particularly for 3D. This work demonstrates the successful implementation of a highly efficient and tuneable pulsed dual solenoid setup to generate a homogeneous (laterally and in depth) volumetric dose distribution using only a single dose pulse from the broad laser-driven proton spectrum. The experiments using the ALBUS-2S beamline were conducted at the titanium:sapphire high-power laser Draco PW at the Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf. The beamline and its model were characterised and verified via independent methods, leading to first experimental studies providing volumetrically homogeneous dose distributions to detector targets as well as tumour and normal tissue in proof-of-concept studies. To perform the mouse pilot study, a new solenoid with cooling capacities was designed, characterised and implemented in the course of this thesis. The combination of the new solenoid and an overall performance improvement of the laser-proton accelerator, enabled the successful conduction of the mouse model study. The results show that laser-accelerated protons induce a comparable tumour growth delay as protons from conventional accelerators. This outcome and the demonstration of the flawless interaction between laser-proton accelerator, beam transport, dosimetry and biology qualify the laser-based accelerator technology for complex studies in translational cancer research. Looking into the future, their unique extremely high intensity renders them of particular interest for the investigation into the ultra-high dose rate regime. There, the so-called FLASH effect shows fewer side effects in normal tissue while maintaining the same effect in the tumour when the target dose is administered in milliseconds rather than minutes, as currently common. The ALBUS-2S setup at Draco PW already provides all necessary conditions to realise irradiation times of around ten nanoseconds in preclinical studies. This significantly expands the parameter space for investigating the FLASH effect and is presented as a proof-of-concept in this thesis. / Protonenquellen, die von Hochleistungslasern getrieben werden, sind eine vielversprechende Ergänzung zu herkömmlichen Protonenbeschleunigern. Im Hinblick auf die Partikeltherapie von Krebserkrankungen, bei der Tumoren mit Protonen oder Ionen bestrahlt werden, kann die neuartige Beschleunigertechnologie vor allem der translationalen Forschung von Nutzen sein, in der die Ergebnisse der Grundlagenforschung in neue Ansätze zur Vorsorge, Diagnose und Behandlung von Krebserkrankungen übertragen werden. Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit war eine translationale Pilotstudie zur Bestrahlung von Tumoren an Mäuseohren mit laserbeschleunigten Protonen bei gleichzeitiger Erfüllung des Qualitätsniveaus konventioneller Protonenbeschleuniger. Mit den Ergebnissen ist ein Vergleich der strahlenbiologischen Daten der neuen und der etablierten Beschleunigertechnologie möglich. Um dieses Experiment zu realisieren, muss eine vorher festgelegte Strahlendosis, die den Anforderungen des radiobiologischen Modells entspricht, an ein Probenvolumen abgegeben werden. Die lasergetriebenen Protonenpulse müssen dafür nach ihrer Beschleunigung transportiert und geformt werden. Intensive lasergetriebene Protonenpulse sind von Natur aus breitbandig und stark divergent. Sie stellen eine Herausforderung für etablierte Beamline-Konzepte auf dem Weg zu einer anwendungsangepassten Bestrahlungsfeldbildung dar, insbesondere bei einer räumlichen Anwendung. Diese Arbeit zeigt die erfolgreiche Implementierung eines hocheffizienten und abstimmbaren gepulsten Zwei-Solenoid-Aufbaus zur Erzeugung einer homogenen (lateral und in der Tiefe) volumetrischen Dosisverteilung mit einem einzigen Dosispuls aus dem breiten lasergetriebenen Protonenspektrum. Die Experimente an der ALBUS-2S3 Beamline wurden am Titan:Saphir-Hochleistungslaser Draco4 PW am Helmholtz-Zentrum Dresden– Rossendorf durchgeführt. Die Beamline und ihr Modell wurden experimentell charakterisiert und mit unabhängigen Methoden verifiziert. Es konnten erste experimentelle Studien durchgeführt werden, bei denen volumetrisch homogene Dosisverteilungen auf Detektorziele sowie Tumor- und Normalgewebe in Proof-of-Concept Studien appliziert wurden. Für die Durchführung der Maus-Pilotstudie wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer kühlbarer Solenoid entworfen, charakterisiert und implementiert. Zusammen mit einer allgemeinen Leistungsverbesserung des Laser-Protonen Beschleunigers wurde die Pilotstudie erfolgreich abgeschlossen. Sie zeigt, dass laserbeschleunigte Protonen eine vergleichbare Verzögerung des Tumorwachstums bewirken wie Protonen aus konventionellen Beschleunigern. Dieses Ergebnis und der Nachweis des einwandfreien Zusammenspiels von Laser- Protonen-Beschleuniger, Strahltransport, Dosimetrie und Biologie qualifizieren die laserbasierte Beschleunigertechnologie für komplexe Studien in der translationalen Krebsforschung. Mit Blick auf die Zukunft sind sie aufgrund ihrer einzigartigen, extrem hohen Intensität besonders interessant für die Untersuchung im Bereich ultrahoher Dosisleistungen. Dort zeigt der so genannte FLASH-Effekt weniger Nebenwirkungen im gesunden Normalgewebe bei gleicher Wirkung im Tumor. Die Zieldosis wird dabei innerhalb von Millisekunden verabreicht und nicht, wie derzeit üblich, innerhalb von Minuten. Der ALBUS-2S-Aufbau bei Draco PW bietet bereits alle notwendigen Voraussetzungen, um in präklinischen Studien Bestrahlungszeiten von etwa zehn Nanosekunden zu realisieren. Dies erweitert den Parameterraum für die Untersuchung des FLASH-Effekts erheblich und wird in dieser Arbeit auch als Proof-of-Concept vorgestellt.

Le cancer de l’ovaire est la première cause de décès par cancer gynécologique en France et il présente un fort taux de récidive justifiant la recherche de nouvelles thérapeutiques. Notre projet consiste à développer et à explorer sur des modèles expérimentaux précliniques de carcinose péritonéale de nouveaux agents thérapeutiques radiopharmaceutiques et des voies d’administration innovantes ciblant plus particulièrement la maladie résiduelle micro-métastatique présente après chirurgie de cytoréduction. Nous utilisons des anticorps monoclonaux internalisants spécifiques d’un récepteur membranaire surexprimé dans le cancer de l’ovaire et d’autres cancers gynécologiques, le récepteur de type 2 de l’hormone anti-müllerienne (AMHR2). Ces anticorps sont couplés à des radionucléides aux propriétés thérapeutiques : le Lutecium-177 (un émetteur de particules beta moins) et le Bismuth-213 (un émetteur de particules alpha) réalisant un traitement de radioimmunothérapie. Ils sont évalués après injection intrapéritonéale mais également en utilisant la technique RadioImmunoThérapie Intrapéritonéale Brève (BIP-RIT) consistant à instiller de fortes activités d’anticorps radiomarqués dans le péritoine avant d’en réaliser un rinçage abondant, à l’image de la chimiothérapie hyperthermique intrapéritonéale (CHIP). Sont étudiés sur différents modèles la biodistribution, la dosimétrie, la toxicité et l’efficacité thérapeutique des différentes combinaisons de radionucléides et de voies d’administration. La BIP-RIT présente un profil de biodistribution et de dosimétrie toujours favorable, quel que soit le radionucléide utilisé même si l’utilisation du Bismuth-213 apparait plus particulièrement adaptée à cette technique (bonne efficacité thérapeutique avec absence de toxicité). L’imagerie PET/CT de la biodistribution in-vivo de ces anticorps a été réalisée à l’aide de l’émetteur de positrons Zirconium-89 ouvrant la voie à une approche théragnostique du traitement des cancers gynécologiques AMHR2+ par (radio)immunothérapie. Les mécanismes d’action thérapeutique d’une version humanisée de l’anticorps anti-AMHR2 sont également étudiés. Ce travail ouvre des perspectives cliniques intéressantes dans la prise en charge du cancer de l’ovaire. / Ovarian cancer is the first cause of cancer death from gynaecologic malignancy in France and it has high rate of recurrence justifying the development of new therapeutic tools. Our project aims at developing new radiopharmaceuticals and innovative route of administration to target the small volume residual disease after complete cytoreductive surgery of peritoneal carcinomatosis on preclinical models. We use internalising monoclonal antibodies specific of the anti-müllerian hormone type 2 receptor (AMHR2), overexpressed in ovarian cancer and gynaecologic malignancies. Antibodies are radiolabelled with Lutecium-177, a beta minus emitter, and Bismuth-213, an alpha emitter, to perform radioimmunotherapy. Radiolabelled antibodies are injected intraperitoneally but also after Brief IntraPeritoneal RadioImmunoTherapy (BIP-RIT), a technique delivering high activities in the peritoneal cavity for a short time before washing, like Hyperthermic IntraPEritoneal Chemotherapy (HIPEC). We studied biodistribution, dosimetry, toxicity and therapeutic efficacy on various models and combinaison of radionuclides and route of administration. BIP-RIT appears to be always favourable in term of biodistribution and dosimetry (especially for the tumour-over-blood ratio) whatever the radionuclide used. Bismuth-213 is particularly adapted for radioimmunotherapy of small residual tumours, showing therapeutic efficacy with no toxicity. PET/CT imaging of radiolabelled antibodies with Zirconium-89 was performed and may be used as a theranostic tool for (radio)immunotherapy with anti-AMHR2 antibodies. The anti-tumour efficacy mechanisms of a humanized version of anti-AMHR2 antibody are also presented. This work may lead to realistic theranostic options in ovarian cancer in clinic.

Les microfaisceaux d’ions ont, au cours de ces dernières décennies, montré leur efficacité dansl’étude des effets des rayonnements ionisants sur le vivant notamment concernant les effets des faiblesdoses ou l’étude de l’effet de proximité. Le CENBG dispose depuis 2003 d’un dispositif permettant la micro-irradiation ciblée d’échantillons biologiques vivants. Les applications des microfaisceaux dans ce domainese sont récemment diversifiées et des études plus fines sur les mécanismes de réparation desdommages ADN radio-induits aux échelles cellulaire et multicellulaire sont devenues possibles via lesévolutions en imagerie par fluorescence et en biologie cellulaire. Ces approches ont nécessité une évolutionimportante de l'instrumentation de la ligne de micro-irradiation du CENBG qui a été entièrementredessinée et reconstruite dans un souci d’optimisation d’apport de nouvelles fonctionnalités. Les objectifsde mes travaux ont été i) la mise en service du dispositif, ii) la caractérisation des performances dusystème, iii) la mise en place de protocoles pour l’irradiation ciblée à dose contrôlée aux échelles cellulaireet multicellulaire, in vitro et in vivo, et le suivi en ligne des conséquences précoces de cette irradiation,iv) la modélisation des irradiations afin d’interpréter les observables biologiques au regard des donnéesphysiques calculées.Ces travaux ont permis i) de caractériser les performances du dispositif : une taille de faisceau d’environ2 μm sur cible et une précision de tir de ± 2 μm, de développer des systèmes de détection d’ions pour uncontrôle absolu de la dose délivrée, ii) d’induire des dommages ADN fortement localisés in vitro, et devisualiser en ligne le recrutement de protéines impliquées dans la réparation de ces dommages,iii) d’appliquer ces protocoles pour générer des dommages ADN in vivo au sein d’un organisme multicellulaireau stade embryonnaire, Caenorhabditis elegans.Ces résultats ouvrent la voie vers des expériences plus fines sur la ligne de micro-irradiation ciblée duCENBG pour étudier les effets de l’interaction des rayonnements ionisants avec le vivant, aux échellescellulaire et multicellulaire, in vitro et in vivo. / The main goal of radiobiology is to understand the effects of ionizing radiations on the living.These past decades, ion microbeams have shown to be important tools to study for example the effects oflow dose exposure, or the bystander effect. Since 2003, the CENBG has been equipped with a system toperform targeted micro-irradiation of living samples. Recently, microbeams applications on this subjecthave diversified and the study of DNA repair mechanisms at the cellular and multicellular scales, in vitroand in vivo, has become possible thanks to important evolutions of fluorescence imaging techniques andcellular biology. To take into account these new approaches, the CENBG micro-irradiation beamline hasbeen entirely redesigned and rebuilt to implement new features and to improve the existing ones. My PhDobjectives were i) commissioning the facility, ii) characterizing the system on track etch detectors, and onliving samples, iii) implementing protocols to perform targeted irradiations of living samples with a controlleddelivered dose, at the cellular and multicellular scales, and to visualize the early consequencesonline, iv) modelling these irradiations to explain the biological results using the calculated physical data.The work of these past years has allowed us i) to measure the performances of our system: a beam spotsize of about 2 μm and a targeting accuracy of ± 2 μm, and to develop ion detection systems for an absolutedelivered dose control, ii) to create highly localized radiation-induced DNA damages and to see onlinethe recruitment of DNA repair proteins, iii) to apply these protocols to generate radiation-induced DNAdamages in vivo inside a multicellular organism at the embryonic stage: Caenorhabditis elegans.These results have opened up many perspectives on the study of the interaction between ionizing radiationsand the living, at the cellular and multicellular scales, in vitro and in vivo.

Un dispositif micro-irradiation par ions isolés a été développé au CENBG pour des applications en radiobiologie à l'échelle cellulaire. Cette installation consiste en un aménagement de la ligne microfaisceau préexistante qui permet déjà d'obtenir un faisceau de protons ou de particules alpha entre 1 et 3 MeV, de faible intensité, et d'une résolution spatiale sous vide inférieure au micromètre. La majeure partie de ce travail a consisté à développer un étage d'irradiation adaptable sur la microsonde et permettant de délivrer les ions à l'air avec une précision absolue de quelques micromètres. Un programme permettant le contrôle de la totalité des instruments ainsi que des phases d'étalonnage et d'irradiation automatiques a également été mis au point. Des outils de simulation Monte Carlo, nécessaires à la caractérisation et à l'optimisation du dispositif et notamment en terme de résolution spatiale, ont été validés à l'échelle du micromètre par comparaison à des résultats expérimentaux. Les performances du dispositif, notamment en terme de contrôle du nombre d'ions, de résolution spatiale et de précision d'irradiation ont été testées sous faisceau. Les résultats obtenus permettent d'envisager les premières applications dans des études de radiobiologie. Dans un futur proche cet outil va permettre l'étude des réponses cellulaires aux faibles doses, allant jusqu'au cas extrême d'un ion pour une cellule. Il devrait permettre par ailleurs d'aborder des mécanismes cellulaires fondamentaux tels la signalisation, la communication intercellulaire ou encore la mort cellulaire programmée (apoptose).

Les travaux effectués au cours de cette thèse ont été réalisés dans le cadre du développement d'une plateforme d'irradiation protons dédiée aux études en radiobiologie (Radiograaff) à partir de l'accélérateur Van de Graaff 4 MV de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon. Ceci, grâce à une collaboration étroite et interdisciplinaire entre les physiciens et ingénieurs de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) et des biologistes du Laboratoire de Radiobiologie Cellulaire et Moléculaire (LRCM) du CHU de Lyon Sud. Afin de présenter le développement de la plateforme Radiograaff, ce manuscrit se découpera en trois chapitres. Le premier chapitre présente les fondements de l'hadronthérapie et le contexte scientifique du projet. Nous traiterons, dans une première partie, de l'interaction ions-matière vivante afin de mieux cerner les concepts théoriques associés à l'hadronthérapie. Et nous présenterons, dans un second temps, les intérêts scientifiques et les objectifs du projet Radiograaff. Le deuxième chapitre concernera les développements instrumentaux de la ligne d'irradiation. Après avoir discuté du mode de délivrance et d'extraction du faisceau ainsi que des méthodes de simulation que nous avons employées pour le dimensionnement théorique la ligne d'irradiation, nous présenterons le système de contrôle de la dosimétrie. Le chapitre 2 sera conclu par les résultats de l'évaluation et de la qualification de la plateforme. Enfin, dans le troisième chapitre, après une brève présentation de quelques aspects de biologie et de radiobiologie, nous présenterons les premiers résultats obtenus concernant l'efficacité biologique relative des protons délivrés par la plateforme Radiograaff. Nous discuterons des protocoles, des conditions expérimentales ainsi que des méthodes d'analyse des résultats

Ce travail, réalisé dans le cadre du projet Geant4-DNA, consiste à concevoir un prototype pour la simulation des effets chimiques précoces des rayonnements ionisants. Le modèle de simulation étudié repose sur la représentation particule-continuum où toutes les molécules sont explicitement simulées et où le solvant est traité comme un continuum. La méthode proposée par cette thèse a pour but d'améliorer les performances de ce type de simulation. Elle se base sur (1) la combinaison d'une méthode de pas en temps dynamiques avec un processus de pont Brownien pour la prise en compte des réactions chimiques et afin d'éviter une simulation à pas en temps fixe, coûteuse en temps de calcul, et (2) sur la structure de données k-d tree pour la recherche du voisin le plus proche permettant, pour une molécule donnée, une localisation rapide du réactif le plus proche. La précision de l'algorithme est démontrée par la comparaison des rendements radiochimiques en fonction du temps et en fonction du transfert d'énergie linéaire avec des résultats d'autres codes Monte-Carlo et des données expérimentales. A partir de ce prototype, une tentative de prédiction du nombre et du type d'interactions radicaux-ADN a été entreprise basée sur d'une description simplifiée du noyau cellulaire. / The purpose of this work, performed under the Geant4-DNA project, is to design a prototype for simulating early chemical effects of ionizing radiation. The studied simulation model is based on the particle-continuum representation where all the molecules are explicitly simulated, and where the solvent is treated as a continuum. The method proposed by this thesis aims at improving the performance of this type of simulation. It is based on (1) a dynamical time steps method with a Brownian bridge process, to account for chemical reactions, which avoids the costly fixed time-step simulations, and (2) on the k-d tree data structure for quickly locating, for a given molecule, its closest reactants. The accuracy of the algorithm is demonstrated by comparing radiochemical yields over time and depending on the linear energy transfer with results obtained from other Monte Carlo codes and experimental data. Using this prototype, an attempt to predict the number and type of radical attacks on DNA has been performed using a simplified description of the cell nucleus.