Suite à l’émergence de protocoles d’hypofractionnement à visée curative comportant un risque accru de toxicité, il devient fondamental d’arriver à augmenter la précision dans la délivrance de la dose. Les mouvements internes entre et pendant les séances d’irradiation peuvent devenir un facteur limitant majeur pour la qualité de l’irradiation des localisations tumorales mobiles. C’est le cas pour le cancer de la prostate pour lequel l’hypofractionnement est une voie prometteuse bien qu’il existe un risque élevé de toxicité digestive. Lors de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la quantification et correction des mouvements du volume cible irradié dans le cadre d’une radiothérapie pour un cancer de la prostate sans ou après ablation totale de la glande. Nous avons étudié un nouveau système d’imagerie basé sur la modalité ultrasons (US) permettant de visualiser la zone pelvienne grâce à deux voies d’acquisition : transabdominale (TA) et transpérinéale (TP). Contrairement aux systèmes US précédemment commercialisés, les mouvements entre les séances de simulation et de traitement (mouvements interfractions) sont quantifiés par recalage monomodal US/US. De plus, des images acquises avec la sonde TP en continu pendant l’irradiation permettent de quantifier les mouvements intrafractions du volume cible. Nous avons proposé une méthodologie d’évaluation des deux sondes US-TA et US-TP pour la correction des mouvements interfractions, en conditions cliniques. Les données US ont été comparées à celles obtenues par tomodensitométrie (CBCT), actuelle modalité de référence. De plus, nous avons quantifié pour la première fois les incertitudes liées à l’impact de la pression de la sonde sur la localisation du volume cible, et à la variabilité inter-opérateur du recalage manuel US/US. Nous avons observé pour la sonde TA une faible concordance entre les mouvements interfractions mesurés par US et CBCT, ainsi qu’une variabilité importante de la pression exercée par la sonde et du recalage manuel entre les opérateurs. Pour la sonde TP, nous avons proposé une méthode corrective de la localisation de l’image US de référence qui nous a permis de valider son utilisation en clinique. Les données recueillies avec la sonde TP ont montré une importante variation des amplitudes et fréquences des mouvements intrafractions, parfois supérieurs à 15mm, entre les patients et d’une séance à l’autre pour un même patient. Nous avons proposé une étude dosimétrique des conséquences de ces déplacements et ainsi démontré que l’impact sur la dose délivrée au volume cible est patient-dépendant, et est plus important lorsque le traitement est délivré avec une stratégie d’hypofractionnement. Nous avons démontré dans cette étude la faisabilité de l'implémentation clinique de la technique US-TP qui permet un repositionnement quotidien en début de séance sans dose additionnelle ou marqueurs invasifs, et la correction de la position du volume cible pendant l’irradiation. / The emergence of hypofractionated treatments implies an increase of precision on the dose delivery. Organs motions between and during the irradiation fraction are a limiting factor for achieving a high quality treatment of mobile tumor localizations. In particular, hypofractionation was demonstrated as a promising strategy for prostate cancer treatment, whereas a high digestive toxicity cannot be excluded.During this thesis, motions of the target volume were quantified during radiotherapy delivered for treating a prostate cancer, on the prostatic gland or after a prostatectomy. An innovative imaging modality was used, based on two different ultrasound (US) probes: a transabdominal (TA) probe and a transperineal (TP) probe. Contrary to US systems previously commercialized, motions between simulation and treatment sessions were quantified with a monomodal registration US/US. Moreover, intrafraction motions of the target volume were recorded with the TP probe, since images can be continuously acquired with this probe. A methodology for evaluating the performances of the TA and TP probes were developed for the correction of interfractions motions, in clinical conditions. US data were compared with the current reference modality, the Cone Beam Computed Tomography (CBCT). Moreover, the uncertainties on the target localization due to the variability of the probe pressure and to inter-operator variability of the manual US/US registration were quantified for the first time. Poor agreements of the interfraction motions measurements were found between US and CBCT modalities, using the TA probe. Furthermore, a high variability of the TA probe pressure and of the inter-operator registration was observed. Using the TP probe, a corrective method of the US reference image localization was developed and validated, leading to a high agreement with the CBCT modality.Intrafraction motions were observed with the TP probe, and were highly patient and session dependent. A dosimetric study was proposed to evaluate the impact of the intrafraction motion on the dose delivery. The effects were patient dependent and more important when the treatment was simulated using a hypofractionated strategy.

Cette étude présente la conception d’agents pour la radiothérapie et la Tomographie par Emission de Positrons (TEP). Les agents bimodaux envisagés sont constitués de deux parties : la partie uracile et la partie diamsar (1,8-diamino-3,6,10,13,16,19- hexaazabicyclo[6.6.6]eicosane) qui complexerait le 64Cu2+ ou le 67Cu2+. Durant la conception de ces agents bimodaux, nous avons examiné indépendamment les deux parties. Dans un premier temps, l’introduction de différents groupements benzyliques sur les amines primaires du diamsar ont permis d’étudier les changements dans les propriétés de complexation des ions métalliques (Cu2+, Co2+ et Cd2+) par les ligands. Quant aux dérivés correspondant à la partie uracile, leur stabilité a été étudiée à pression atmosphérique puis dans un système de vide à très basse pression par entraînement dans un jet d’hélium. Lors de l’introduction à leur état gazeux par le jet d’hélium, aucune dissociation thermique ne fut observée par spectrométrie de masse couplée avec la technique de « time of flight ». La réussite de cette introduction démontre clairement que les études d’interactions entre l’électron ou le positron de basse énergie et ces dérivés de l’uracile peuvent être réalisées pour des études ultérieures de l’attachement dissociatif des électrons ou de l’annihilation de positron. / The design of PET-radiotherapy agent investigation is reported. These envisaged bimodal agents are based on two moieties: the uracil moiety and the diamsar (1,8-diamino-3,6,10,13,16,19-hexaazabicyclo[6.6.6]eicosane) moiety that could complex 64Cu2+ or 67Cu2+. In the design of bimodal agents, the two moieties are investigated independently. Firstly, diamsar derivatives with various benzyl groups linked to the primary amines are synthesized. Therefore, the influence of these changes on the complexation of metal ions (Cu2+, Co2+ and Cd2+) is established. In the other hand, the stability of the synthesized uracil derivatives is first investigated at atmospheric pressure followed by their introduction into a high vacuum system by seeding into a helium jet. Through time of flight mass spectroscopy (TOFMS), no thermal dissociation is observed in their gas phase during the heating phase of introduction in the helium jet. This successful introduction clearly demonstrates that interaction studies between low energy electron or positron and these uracil derivatives could be performed for dissociative electron attachment (DEA) or positron annihilation studies.

Objectifs : Notre travail avait pour objectifs (i) d’évaluer le bénéfice dosimétrique et de prédire le bénéfice clinique d’une radiothérapie adaptative pour des cancers des voies aéro‐digestives supérieures, à la fois en termes de toxicité et de contrôle local, (ii) d’identifier les patients bons candidats à une stratégie de radiothérapie adaptative, et (iii) d’identifier le meilleur schéma de radiothérapie adaptative pour épargner les parotides. Matériels et méthodes : Le bénéfice dosimétrique a été évalué en utilisant les données de patients inclus dans une étude de phase III évaluant le bénéfice clinique d’une radiothérapie adaptative. La dose cumulée sans et avec radiothérapie adaptative a été estimée par des méthodes de recalage élastique. Une évaluation des différents algorithmes de recalage a été faite à la fois en termes de précision spatiale et d’impact sur la dose estimée. Des modèles de prédiction du risque de surdosage ont été développés en utilisant des modèles linéaires généralisées mixtes et une validation croisée par leave‐one‐out. L’évaluation de différents schémas de radiothérapie adaptative (en termes de fréquence et de nombre) a été réalisée en se basant sur l’épargne des parotides. La valeur prédictive de paramètres quantitatifs issus de la TEP a été évaluée à travers une revue systématique de la littérature. La valeur prédictive de paramètres intensité issue de la TEP a été analysée dans 2 cohortes indépendantes. Résultats : Nos travaux ont confirmé qu’en l’absence de radiothérapie adaptative pour des cancers des VADS, il existe un risque de surdosage des parotides de plus de 2 Gy pour les 2/3 des patients. Il s’y associe un risque de sous dosage de la tumeur de plus de 1 Gy pour 50 % des patients. Une radiothérapie adaptative permet de corriger à la fois le surdosage des parotides (bénéfice clinique estimée de 10 % de diminution du risque de xérostomie) et le sous dosage de la tumeur. Basés sur des paramètres issus de la planification et de la première semaine de traitement, des modèles de prédiction du risque de sur dosage des parotides ou de sous dosage de la tumeur ont été développés. Les paramètres TEP prédictifs du risque de récidive ont été identifiés. Un nomogramme a pu être développé et validé dans une 2nd cohorte de patients. Conclusion : Nos travaux confirment le bénéfice d’une radiothérapie adaptative pour épargner les parotides et maintenir la couverture tumorale. Ce bénéfice dosimétrique devrait permettre une diminution de la toxicité et une amélioration du contrôle local. Des paramètres anatomiques et dosimétriques simples permettent l’identification des patients à risque de surdosage des parotides ou de sous dosage de la tumeur. L’utilisation de la TEP permet d’identifier précocement les patients à haut risque de récidive, candidats potentiels à une intensification thérapeutique. Ces résultats justifient la poursuite des travaux sur une cohorte de patients plus importante, idéalement dans le cadre d’études cliniques de phase III. / Objectifs: The aims of this work were (i) to evaluate the dosimetric benefit and to predict the clinical benefit of adaptive radiotherapy for head and neck cancer, regarding both toxicities and local control, (ii) to identify patients whose good candidate for an adaptive strategy, and (iii) to identify the best adaptive strategy to spare the parotid glands. Materials and methods: The dosimetric benefit was assessed using data from a phase III study evaluating the clinical benefit of an adaptive radiotherapy. Cumulated dose with and without adaptive was estimated using deformable image registration. Different methods of deformable image registration were evaluated regarding both spatial and dose estimation accuracy. Predictive model of the risk of parotid gland overdose was computed using generalized linear mixed model and cross validation by leave‐one‐out. The dosimetric benefit of numerous replanning strategies, defined by various numbers and timing of replanning, with regard to parotid gland sparing, was quantified. We performed a systematic review to evaluate the predictive value of quantitative PET parameters. The predictive value of PET intensity parameters was assessed using two independent cohorts of patients. Résultats: Without adaptive radiotherapy, 65% of the patients had a PG overdose of more than 2 Gy and 50% of the patients had a tumor underdose of more than 1 Gy. Adaptive radiotherapy allows to correct both parotid gland overdose and tumor underdose. Based on parameters calculated at the planning and at the first week of treatment, predictive models of PG overdose and tumor underdose were computed. PET parameters correlated with overall survival were identified. Using two independent cohorts of patients, a nomogram to predict survival was build and externally validated. Conclusion: Our studies showed the benefit of adaptive radiotherapy to spare the parotid glands while increasing tumor coverage. These benefits should allow to decrease the toxicities while increasing local control. Early anatomical and dosimetric parameters allow identifying patients at risk of tumor underdose or parotid gland overdose. PET performed before the treatment allows identifying patients with a high‐risk of locoregional failure and death, potentially candidates for treatment. These results justify further studies on a larger cohort of patients, ideally in phase III clinical trials.

L'efficacité des nanoparticules AGuIX a été démontré avec des irradiations précliniques ou monoénergétiques pour les cancers du cerveau, tête et cou, et poumon. L'irradiation préclinique de faible énergie (220 kV), et l'irradiation clinique (6 MV) sont adaptées pour activer les nanoparticules. L'effet radiosensibilisant des nanoparticules métalliques étant principalement causé par effet photoélectrique, il est nécessaire d'utiliser des photons d'énergie proche de la raie K du gadolinium (50.2 keV) afin de créer une interaction avec les électrons de l'atome dans le but d'amplifier localement la dose autour des nanoparticules aboutissant à des effets biologiques menant à une augmentation de la mort cellulaire. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une preuve de concept sur le cancer du pancréas, connu pour son faible taux de survie, avec machines précliniques et cliniques. Afin de relever le défi du passage en clinique, nous avons proposé une méthode pour créer un adoucissement du faisceau d'irradiation et démontré la possibilité d'utiliser les nanoparticles AGuIX pour un essai clinique. Les travaux de recherche ont été réalisés en trois temps : un calcul analytique permettant d'obtenir une information sur l'influence des différents paramètres d'irradiation, une confirmation de l'efficacité des nanoparticules avec faisceaux précliniques, et enfin une preuve de concept avec faisceaux cliniques. Notre étude avec faisceaux cliniques est la première étude réalisée démontrant l'efficacité de nanoparticules de gadolinium passivement ciblées vers la tumeur, et démontre qu'il est possible d'obtenir des résultats cliniques similaires à ceux obtenus en préclinique / Previous studies demonstrated AGuIX ability to act as an efficient radiosensitizer under the presence of preclinical radiations or monoenergetic radiation beams for multiple cancer models. The preclinical irradiation (220 kV) has been shown effective in activating high atomic number (Z) nanoparticles. The energy peak is close to the k-edge of the different high-Z elements used (50.2 keV for the gadolinium), leading to a strong photoelectric effect. Auger electrons generation and biological effects occur afterwards creating a local dose enhancement. However, clinical treatments use a higher energy beam (>6 MV). At these energy ranges, the photoelectric probability is less important, decreasing the direct interaction of the nanoparticles with the incoming photons. We performed a proof of concept on a pancreatic tumor model, known for its low survival rates, with preclinical and clinical radiation beams to evaluate the efficacy of the AGuIX. To increase the efficacy of the clinical radiation beam without modifying the nanoparticle structure in order to obtain a dose enhancement close to the one observed with the preclinical beam, we evaluated key clinical beam parameters to understand and increase the mechanisms of interaction between the incident photons and the high-Z nanoparticles. Hence, we evaluated analytically the impact of the radiation beam under different conditions of irradiation, confirming the potential of the AGuIX with a preclinical beam, and finally shown their significant efficacy under a clinical setup. This study is the first to evaluate the potential of a high-Z nanoparticle to act as radiosensitizer following low dose intravenous injections

La radiothérapie interne sélective (selective internal radiation therapy, SIRT) utilisant des microsphères marquées à l’Yttrium-90 est une technique émergente de traitement des tumeurs hépatiques. Dans ce travail, nous nous sommes attachés à étudier les relations entre traitements systémiques et SIRT à travers un modèle in vitro et deux études cliniques rétrospectives. Les différents résultats obtenus suggèrent des pistes de développement clinique. Dans le cholangiocarcinome, l’utilisation d’une chimiothérapie concomitante pourrait être associée à de meilleurs résultats, comme suggérés dans l’étude in vitro et l’étude clinique. Dans le carcinome hépatocellulaire, nos résultats confirment l’intérêt déjà suggérée de la SIRT en cas de thrombose porte ; nos résultats peuvent aussi suggérer l’intérêt d’augmenter la dose et de sélectionner les patients ayant une bonne fixation de la thrombose tumorale comme meilleurs candidats à la SIRT. / Selective Internal Radiation Therapy (SIRT) with microspheres loaded with Yttrium-90 is an emerging locoregional treatment of liver malignancies. In this work, we studied potential relationships between systemic treatment and SIRT in an in vitro model and two retrospective clinical studies. The results obtained may generate new hypotheses for clinical development. Regarding cholangiocarcinoma, concomitant use of chemotherapy may be associated with better outcomes, as suggested by both the in vitro and clinical retrospective data. Regarding hepatocellular carcinoma, our results confirmed previous interest in SIRT in case of portal vein thrombosis; our results might also suggest potential improvement by increasing the dose delivered, and the need to select patients with good targeting of the thrombosis as better candidate for SIRT. These results should be confirmed in prospective studies, currently ongoing.

La radiothérapie interne sélective est une thérapie émergente très peu invasive du carcinome hépatocellulaire, quatrième cause de décès par cancer dans le monde. Des millions de microsphères chargées en Yttrium 90 sont injectées dans l'artère hépatique par un cathéter. Actuellement, leur distribution lors d'une injection est estimée par l'injection préliminaire d'un radiomarqueur, ce qui peut se révéler trop approximatif. Un traitement personnalisé permettrait une concentration des radiations à la tumeur tout en épargnant le tissu sain environnant. Dans ce travail je me suis intéressée au développement d'un modèle numérique, pour une simulation spécifique à chaque patient des trajectoires des microsphères, dans le but d'optimiser le traitement. Le protocole clinique d'imagerie a été exploité et optimisé pour l'extraction de données spécifiques patients telles que le foie, les tumeurs, l'artère hépatique et le flux sanguin. Les tissus et l'artère hépatique (jusqu'à un diamètre de 0.05 mm) sains et malins ont été simulés. Cela nous permet de simuler la distribution des microsphères dans le tissue hépatique, validée grâce à la scintigraphie post-traitement. Il est supposé ici que les microsphères se distribuent de façon proportionnelle au flux sanguin, lequel est modélisé par la loi de Poiseuille. Des simulations plus approfondies en mécanique de fluides numérique du flux sanguin ont ensuite été réalisées dans l'artère hépatique du patient. Pour cela nous avons utilisé et comparé les méthodes des Volumes Finis (Ansys Fluent) et de Lattice Boltzmann (programme développé dans le laboratoire). Le transport des microsphères a été simulé dans l'artère hépatique du patient avec la méthode des volumes finis, et dans une géométrie simplifiée avec la méthode de Lattice Boltzmann. Une séquence IRM de contraste de phase a aussi été optimisée pour l'extraction de la vitesse du sang dans l'artère hépatique, dans le but de valider le modèle numérique. / Selective internal radiation therapy using Yttrium-90 loaded glass microspheres injected in the hepatic artery is an emerging, minimally invasive therapy of hepatocellular carcinoma, which is the fourth cause of mortality in the world. Currently, microspheres distribution can be only approximately predicted by the injection of a radiotracer, whose behaviour may be different. A personalised intervention can lead to high concentration dose in the tumour, while sparing the surrounding parenchyma. This work is concerned with the development of a patient-specific numerical model for the simulation of microspheres trajectories and treatment optimisation. Clinical imaging protocol is utilised and optimised in order to extract patient’s specific data such as liver, tumours, hepatic artery and blood flow. Normal and malignant hepatic arterial vasculature and tissues are simulated down to a vessels diameter of 0.05 mm. A preliminary simulation of microspheres distribution in liver tissue is proposed and validated against post-treatment scintigraphy. Microspheres are here supposed to distribute proportionally to blood flow, which is computed based on Poiseuille’s law. More precise computational fluid dynamics (CFD) simulations of blood flow in the patient’s segmented arteries are performed. The Finite Volume Method (Ansys Fluent) and the Lattice Boltzmann Method (in-house developed software) are used to this purpose and their efficacy is compared. Microspheres transport is simulated in the patient’s hepatic artery using the FVM, and in a representative geometry using the LBM method. A phase contrast MRI sequence has been optimised in order to extract blood velocity from the hepatic artery and validate CFD simulations.

La radiothérapie constitue l’un des principaux traitements pour l’éradication des cancers. Cependant, elle présente un risque d’effets secondaires aux tissus sains environnant la tumeur. Dans ce processus, le système vasculaire et plus particulièrement l’endothélium jouent un rôle clé. Les cellules endothéliales activées favorisent le recrutement chronique des thrombocytes et des leucocytes, contribuant ainsi aux effets secondaires. D’autre part, dans les maladies inflammatoires, les glycanes exprimés à la surface des cellules endothéliales sont modifiés et influencent le recrutement des cellules immunitaires. Dans cette étude, nous avons évalué la modification des glycanes endothéliaux en réponse à une irradiation à forte dose, et étudié les effets fonctionnels de ces modifications sur le recrutement des leucocytes en utilisant un modèle de cellules endothéliales (HUVECs) in vitro. Nos résultats apportent les premières preuves d’une modification du glycome des cellules endothéliales en réponse à l’irradiation. Les N-glycanes hautement mannosylés, les O-glycanes et les motifs sialylées sont surexprimés. Parallèlement, le glycocalyx endothélial semble subir une dégradation. Nous avons évalué l’effet fonctionnel des modifications glycanique des cellules endothéliales irradiées sur l’adhésion d’une lignée de monocyte (THP-1). Nos résultats montrent que l’adhésion radio-induite est en partie due à la surexpression endothéliale des N-glycanes hautement mannosylés. Nous avons aussi évalué le glycome sur un modèle de souris irradiées et sur des pièces opératoires de patients traités par radiothérapies. Nos résultats de transcriptomiques sur la souris suggèrent l’existence de modifications glycaniques radio-induites in vivo. L’intégration de la composante glycanique permet de porter un regard nouveau sur le continuum d’évènement qui conduit aux lésions tissulaires radio-induites. A l’avenir, l’étude du glycome pourrait ouvrir de nouvelles pistes thérapeutiques pour une meilleure prise en charge des effets secondaires de la radiothérapie. / Radiotherapy is one of the main treatments against cancers. However, it presents a risk of adverse effects for the normal tissues surrounding the tumors. The vascular network and especially the endothelium are considered as main targets to limit normal tissue damages and prevent side effects of radiotherapy. Activated endothelial cells are involved in the chronic recruitment of thrombocytes and leukocytes, resulting in tissue complications. On the other hand, in inflammatory diseases, the glycans expressed on the surface of endothelial cells are modified and lead to immune cells recruitment. We sought to evaluate changes in endothelial glycome in a context of exposure to high dose of radiation, and studied the functional consequences on the recruitment of leukocytes. In vitro, the characterization of the glycome was performed on a primary endothelial cell model (HUVEC). Our results provide the first evidences of an endothelial modification of the glycome after exposure to ionizing radiation. We report an overexpression of high mannose N-glycans, O-glycans and syalilated motifs. At the same time, endothelial glycocalyx appeared to be damaged by exposure to radiation. Next, we evaluated these radiation-induced modifications of endothelial glycans on monocyte adhesion. We show that the radiation induced adhesion was mediated by overexpression of high mannose N-glycans. We also investigated changes in glycome in an irradiated mouse model of enteropathy and in resections of patients treated with radiotherapy. In mice, a transcriptomic study suggests changes in glycans following radiation exposure. Collectively, these findings on glycome changes provide a new perspective of the continuum of events leading to normal tissue complications. In the future, the study of the glycome should open new therapeutics opportunities for better management of tissue damages induced by radiation.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué en France chaque année. Il est responsable d’environ 10 % des morts liées au cancer. Les principaux traitements sont la chirurgie et la radiothérapie. Cette dernière concerne environ 60 % à 70 % des patients pris en charge en oncologie. La radiothérapie consiste à délivrer la dose la plus élevée possible à une cible tumorale, via des rayonnements ionisants, tout en limitant au maximum la dose délivrée aux tissus sains et organes à risque (OAR) environnants. Cette pratique requiert un contrôle sans faille de la dose délivrée au patient car une déviation de la prescription médicale peut réduire l’efficacité du traitement des volumes tumoraux. Elle peut également avoir des conséquences graves sur le patient dues à l’irradiation excessive des tissus sains. Un moyen pour évaluer de façon précise la dose délivrée est de simuler l’interaction rayonnement matière à l’intérieur du patient par simulation Monte-Carlo (SMC). Ceci exige une capacité de calcul importante notamment pour simuler les milliards de particules nécessaires à l’évaluation de la dosimétrie. Le temps nécessaire pour obtenir un résultat satisfaisant peut varier de quelques heures à plusieurs jours. Dans ce contexte, le moteur de simulation Monte-Carlo GGEMS (GPU GEant4-based Monte-Carlo Simulation), basé sur l’utilisation de cartes graphiques (GPUs), a pu être développé. Les effets physiques modélisés se basent sur le code Monte-Carlo générique Geant4 réputé et validé. Ce logiciel tient compte de différents types de simulations comme la radiothérapie externe ou les techniques de curiethérapie bas débit et haut débit de dose. Ces exemples ont nécessité la modélisation précise et l’utilisation de plusieurs types de géométries comme des volumes voxélisés, analytiques ou maillés. Concernant la radiothérapie, il n'existait pas de code Monte-Carlo utilisant les architectures GPUs prenant en considération l'ensemble de l'appareil de traitement. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle de source paramétrée reproduisant scrupuleusement le faisceau d'émission et permettant une utilisation sur GPU. Nous avons modélisé analytiquement les géométries des mâchoires. Le collimateur multi-lames est quant à lui formé par un ensemble de triangles (maillage). La navigation des électrons dans un volume voxélisé a également été développée. Nous avons utilisé comme exemple l'accélérateur Novalis TrueBeam® Stx. Nous pouvons ainsi effectuer des simulations Monte-Carlo reproduisant fidèlement cet accélérateur linéaire. L’ensemble de l’appareil a été validé à l’aide de comparaisons avec des mesures expérimentales ou avec des simulations Monte-Carlo de référence. Finalement, nous avons développé une plateforme de simulation Monte-Carlo utilisant les architectures GPUs pour des applications de curiethérapie et de radiothérapie externe. Cette plateforme comprend la navigation des photons et des électrons. Elle gère également les volumes voxélisés, analytiques (cylindre, pavé) et maillés. Les sources d'émission des particules sont modélisées pour reproduire fidèlement leur modèle de référence. Les facteurs d'accélération par rapport à Geant4 sont compris entre 40 et 568 selon l'application. Des applications de GGEMS dans des conditions cliniques, notamment en curiethérapie, sont la prochaine étape du développement. / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer in France each year. It is responsible for about 10% of deaths related to cancer. The main treatments are surgery and radiation therapy. The latter concerns about 60 % to 70 % of patients treated in oncology. The aim of radiation therapy is to deliver the highest possible dose to the tumor target, via ionizing radiation, while minimizing the dose delivered to surrounding healthy tissues and organs at risk (OAR). This practice requires a flawless dose control for patient safety as far as a deviation from the medical prescription could reduce treatment efficiency This could also lead to an excessive irradiation of healthy tissues and cause serious damage to the patient. A way to evaluate the dose delivered to the patient is to track particles in the matter using Monte Carlo simulations (MCS). This requires a large computation time specially to simulate billion of particles and to evaluate the associated dosimetry. The time required to obtain a satisfactory result may vary from hours to days. In this context, the Monte Carlo simulation engine GGEMS (GPU Geant4-based Monte Carlo Simulation), based on the use of graphics cards (GPUs), has been developed. Physics effects are based on the generic and validated Monte Carlo code Geant4. This software is able to handle various types of simulations such as external beam radiation therapy and low dose rate or high dose rate brachytherapy. These examples need an accurate modelling and the use of several types of geometries such as for voxelised, analytical or meshed volumes. We analytically modeled jaw geometries. The multi-leaf collimator was formed by a set of triangles (mesh). Electron navigation in a voxelised volume was also developed. We used the example of the Novalis TrueBeam® Stx accelerator. We can then perform Monte Carlo simulations reproducing the linear accelerator. The entire device was validated using comparisons with experimental measurements or with Monte Carlo simulations from Geant4 Finally, we have developed a Monte Carlo simulation platform using GPU architectures for applications of brachytherapy and external beam radiotherapy. This platform includes photons and electrons navigation. It also manages voxelised, analytical (cylinder, cube) and mesh volumes. The particle emission sources are modelled to accurately reproduce their reference model. The acceleration factors from Geant4 are between 40 and 568 depending on the application. GGEMS Applications under clinical conditions, including brachytherapy, are the next development step.

La fibrose digestive est une complication secondaire tardive de la radiothérapie dans 5 à 10% des patients traités pour des tumeurs de la sphère abdomino-pelvienne. Elle est caractérisée par une accumulation de matrice extracellulaire synthétisée par les cellules mésenchymateuses. La transition endothélium-mésenchyme (EndoMT), est un processus au cours duquel les cellules endothéliales expriment des marqueurs mésenchymateux en réponse au stress. L'EndoMT a été identifiée comme une source de cellules mésenchymateuses participant à la fibrose chez des patients atteints de maladie inflammatoire chronique de l'intestin. Cette étude s'est donc concentrée sur le rôle de l'EndoMT dans le développement de la fibrose intestinale radio-induite et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles.Nos résultats ont révélé pour la première fois l'existence de l'EndoMT au niveau de la paroi rectale chez l'homme après radiothérapie. L'utilisation de souris exprimant la GFP sous le contrôle du promoteur endothélial Tie2, nous a permis de localiser les cellules mésenchymateuses possédant une origine endothéliale, confirmant l'existence de l'EndoMT radio-induite dans notre modèle préclinique de rectite radique. In vitro, nous avons confirmé le changement phénotypique des cellules endothéliales irradiées.Ce projet s'est ensuite concentré sur un acteur potentiel de l'EndoMT radio-induite, Hey2. La génération d'un modèle murin déficient pour Hey2 dans l'endothélium a révélé une diminution des dommages muqueux et de la fréquence l'EndoMT après irradiation. L'inhibition de Hey2 représente une nouvelle approche thérapeutique attrayante dans la réduction de la fibrose digestive radio-induite. / Fibrosis is identified as a chronic side effect occurring after radiotherapy for pelvic tumors in 5 to 10 % of patients. This pathological healing process is characterized by an accumulation of extracellular matrix synthesized by mesenchymal cells. Endothelial to mesenchymal transition (EndoMT), is a processes during which endothelial cells express mesenchymal markers in response to stress. EndoMT is identified as a source of mesenchymal cells taking part to fibrosis development in patients suffering from inflammatory bowel diseases. Then, this study focused on the potential participation of EndoMT in radiation-induced intestinal fibrosis and tried to identify new therapeutics targets. Interestingly, our results showed for the first time EndoMT in rectal tissues from patients who developed radiation proctitis following radiotherapy. We used an in vivo approach to follow the mesenchymal cells having an endothelial origin in a mouse model expressing the GFP under the control of an endothelial promoter, Tie2 (Tie2-GFP). Thereby, our results confirmed the existence of radiation-induced EndoMT in our preclinical model of radiation proctitis. In vitro characterization showed that irradiation induced a modulation of the endothelial phenotype through a mesenchymal profile, a hallmark of EndoMT. This project also focused on a potential molecular actor, Hey2. In this context, we generated a transgenic mouse model in which Hey2 gene expression is repressed specifically in the endothelial compartment and observed a decrease in radiation-induced mucosal damages and EndoMT frequency. Consequently, inhibiting Hey2 expression could represent a new interesting therapeutic strategy.

Les faisceaux de photons produits par les accélérateurs d'électrons linéaires médicaux sont plats, grâce à un cône égalisateur. Les technologies ont évolué et la présence d'un cône n'est plus indispensable. On parle alors de faisceaux FFF (flattening filter free). Les faisceaux FFF présentent des débits de dose plus élevés, des profils de dose hétérogènes, des spectres énergétiques différents et une diminution de la dose hors-champ. Cette thèse a eu pour but d'étudier les caractéristiques des faisceaux FFF, ainsi que l'impact de leur utilisation thérapeutique. Plusieurs thématiques ont été. Des expériences d'irradiation in vitro ont tout d'abord permis de s'assurer que les débits de dose FFF n'ont pas d'impact radiobiologique sur la réponse des cellules irradiées. Une large revue de la littérature a permis de corroborer ces résultats. Afin de maitriser les caractéristiques physiques des faisceaux FFF, des mesures ont été faites avec différents détecteurs. Les effets du spectre et du débit de dose sur la calibration en dose ont aussi été étudiés. Les faisceaux FFF ont été modélisés dans deux TPS. Les modèles ont été comparés entre les deux types de faisceaux et entre les deux TPS. La mise en place des traitements stéréotaxiques a aussi été l'occasion d'appréhender la dosimétrie des petits faisceaux. Nous avons étudié des cas VMAT de cancer de la prostate et des cas de stéréotaxies 3D de tumeurs pulmonaires. La comparaison donne un avantage aux faisceaux FFF. La maitrise de la physique et de la biologie des haut débits a permis de débuter les traitements FFF à l'IPC. Des études comparatives nous permettent aujourd'hui d'adapter leur utilisation au cas par cas. / In medical linear electron accelerators, photon beams profiles are homogenised using flattening filters. Technologies have evolved and the presence of this filter is no longer necessary. Flattening filter free (FFF) beams exhibit higher dose rates, heterogeneous dose profiles, modified energy spectra and lower out-of-field dose. This PhD aimed at studying the characteristics of unflattened beams, as well as their impact in clinical utilization. Several subjects were thoroughly investigated: radiobiology, dosimetry, quality controls, modelling and treatment planning. In vitro experiments ensured that the high dose-rate of FFF beams had not a radiobiological impact. A wide review of the literature was conducted to corroborate these results. In order to understand thoroughly the characteristics of FFF beams, measurements were conducted using several detectors. The effect of the spectra and dose rates of unflattened beams on dose calibration were also studied. FFF beams were modeled in two TPSs. The methods, results and model parameters have been compared between the available beam qualities as well as between both TPSs. Furthermore, the implementation of stereotactic treatments technique was the occasion to investigate small beam dosimetry. Prostate cancer cases treated with VMAT and pulmonary tumors treated with stereotactic 3D beams were also studied. The comparison of dose distributions and treatment metrics give advantage to FFF beams. Mastering physical and biological aspects of flattening filter free beams allowed the IPC to start FFF treatments. Comparative studies have since resulted in a deeper understanding on the pertinent use of these beams.