Résumé : Le glioblastome multiforme (GBM) est la tumeur primaire du cerveau la plus agressive, prenant la vie des patients de 12 à 14 mois suivant le diagnostic et le traitement standard. Même si une grande quantité d'informations provenant de plusieurs études portant sur les traitements des GBM sont disponibles, les incohérences entre les études (grand nombre de médicaments différents, de méthodes, de type de tumeur et des modèles de recherche utilisés) font en sorte de produire une ambiguïté dans l'analyse de ces données. Cette Thèse a pour objectif d'améliorer les traitements des patients atteints de GBM sous trois angles. 1) Le choix de la chimiothérapie utilisée. Nous avons choisi d'utiliser des composés platinés (Pt) dans nos études, car plusieurs de ces composés sont déjà utilisés en clinique (cisplatin, oxaliplatin et carboplatin) ou en phase d'étude clinique (Lipoplatin et Lipoxal). Les Pt sont aussi reconnus pour être de bons radiosensibilisants. Les cinq Pt choisis ont d'abord été testés in vitro sur une lignée cellulaire de glioblastome murin, soit les cellules F98. Ces études in vitro nous ont montré l'efficacité anti-cancéreuse de chaque Pt employé seul ou combiné avec la radiation ionisante. En plus de l'aspect radiosensibilisant des Pt, nous avions aussi pour objectif de réduire la toxicité systémique in vivo et d'augmenter leur incorporation préférentielle dans la tumeur. Pour répondre à ces deux derniers critères, nous avons testé les formes liposomales du cisplatin et de l'oxaliplatin soit le Lipoplatin et le Lipoxal, respectivement. 2) Démontrer l'avantage thérapeutique de la combinaison chimioradiothérapie. Les Pt étant de bons radiosensibilisateurs, nous avons combiné leurs effets chimiothérapiques et la radiothérapie dans notre modèle in vivo, soit le rat Fischer porteur de glioblastome F98 implanté dans leur cerveau. Cette portion du projet a nécessité la conception, la fabrication et les contrôles de précision et de reproductibilité d'un nouveau cadre stéréotaxique adaptable aux différentes composantes du Gamma Knife (scalpel aux rayons gamma). 3) Choix de la route d'administration optimale de la chimiothérapie. Aujourd'hui, le traitement standard clinique se compose généralement d'une résection optimale de la tumeur suivie de chimiothérapie concomitante avec le rayonnement ionisant. La chimiothérapie apporte seulement un léger bénéfice et est souvent que transitoire pour la plupart des patients atteints de GBM. D'autre part, les Pt pourraient permettre un meilleur contrôle du GBM si la captation tumorale de ces médicaments était plus élevée. Afin d'améliorer l'incorporation de chimiothérapie à la tumeur primaire, augmenter l'effet concomittant avec les radiations, tout en réduisant simultanément la toxicité systémique, la présente étude compare l'efficacité de trois différentes voies d'administration (IV, IA et ouverture de la barrière hémato-encéphalique (OBHE)) pour les cinq composés platinés mentionnés. // Abstract : Glioblastoma multiforme (GBM) is the most aggressive primary tumor of the brain, taking the lives of patients 12 to 14 months from diagnosis and standard treatments. Although a large amount of information from several studies about GBM treatment is available, inconsistencies between studies (many different drugs, methods, type of tumor and research models used) cause to produce ambiguities in the analysis of these data. This thesis aims to improve treatment of GBM patients from three angles. 1) The choice of chemotherapy used. We chose to use platinum compounds (Pt) in our studies because several of these compounds are already used in clinic (cisplatin, carboplatin and oxaliplatin) or in clinical study phase (Lipoplatin and Lipoxal). The Pt are also known to be good radiosensitizers. The five selected Pt were first tested in vitro on a murine glioblastoma cell line, F98 cells. These in vitro studies have shown the comparative effectiveness of each Pt used alone or combined with ionizing radiation. In addition to the radiosensitizer potential of Pt, we also aim to reduce the systemic toxicity in vivo while increasing the preferential incorporation into the tumor. To reach these last two criteria, we tested the liposomal forms of cisplatin and oxaliplatin that are Lipoplatin and Lipoxal, respectively. 2) Demonstrate the advantage of the chemotherapy and radiotherapy combination. As mentioned earlier, Pt are good radiosensitizers, we combined chemotherapy and radiotherapy in our in vivo model that is Fischer rats bearing F98 glioma implanted in its brain. This portion of the project required the design, fabrication and control of accuracy and reproducibility of a new stereotactic frame adaptable to different components of the Gamma Knife. 3) Choice of the optimal route of administration of chemotherapy. Today, the standard clinical treatment usually consists of optimal resection of the tumor followed by chemotherapy in concomitance with ionizing radiation. Chemotherapy only brings modest improvement and is often transient in most patients with GBM. On the other hand, the Pt may allow better control of GBM if the tumor uptake of these drugs would be higher. To improve the incorporation of chemotherapy in the primary tumor, increase the concomitance effect with radiation, while simultaneously reducing systemic toxicity, this study compares the effectiveness of three different routes of administration (IV, IA and blood-brain barrier disruption (bbbd)) for the five platinum compounds.

Abstract: Advances in curing rectal cancer came from successful chemoradiotherapy. Platinum-based drugs such as oxaliplatin have also been studied and integrated in treatment strategies against rectal cancer. Although platinum-based drugs can act as radiosensitizers, their radiosensitizing activity is limited by their narrow therapeutic index which avoids the dose escalation. In addition, it is important also to optimize the schedule of drug administration with radiation treatment to gain advantage of drug-radiation interactions and maximize tumor response. We evaluated the new liposomal formulation of cisplatin and oxaliplatin (Lipoplatin and Lipoxal, respectively) that should increase the anticancer effectiveness while minimizing the side effects. We investigated different chemoradiation schedules to assess the best antitumor efficacy with regard to our hypothesis of the "true" concomitant chemoradiotherapy which consist in the addition of radiation at the time of maximum accumulation of platinum in the DNA of cancer cells. We performed in vitro studies using human colorectal carcinoma HCT116, and in vivo using nude mice HCT116 xenograft. Pharmacokinetic studies on platinum accumulation were measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. Regarding the results of DNA-platinum concentrations, the synergy with radiation was assessed for in vitro and in vivo studies. Cytotoxicity was determined by a colony formation assay, while the resulting tumor growth delay in animal model was correlated to induction of apoptosis and histophatology analyses. The synergism of combined treatments was evaluated using the combination index method. In this study, a radiosensitizing enhancement was observed with combining radiation treatment with cisplatin, oxaliplatin and their liposomal formulations in both in vitro and in vivo studies. Variations of platinum accumulation with incubation time in normal and tumor tissues and in different cell compartments, as well as platinum-DNA were measured. A higher level of synergism was observed when radiotherapy was performed in vitro at 8 h of exposure and in vivo at 4 and 48 h after drug administration, which corresponded to the times of maximal platinum binding to tumor DNA. These results were correlated to a highest induction of apoptosis and a low mitotic activity. In conclusion, the optimal treatment schedule of chemoradiotherapy is dependent on the time interval between drug administration and radiation, which was closely associated to the kinetics of platinum accumulation to DNA and the intracellular concentration of the platinum drugs. Regarding our hypothesis, administered radiotherapy to the time intervals of maximum synergism could improve efficacy of chemoradiation treatment. This should be confirmed in clinical trials. //Résumé: Les progrès des traitements du cancer colorectal proviennent principalement des succès en chimio-radiothérapie. Toutefois, l'augmentation de l'activité radiosensibilisante du cisplatine et de l'oxaliplatine est principalement limitée par leur toxicité ce qui limite la dose administrée. Par conséquent, l’optimisation de la séquence et de la cédule d’administration entre la chimiothérapie et la radiothérapie devient essentielle pour maximiser l’interaction du rayonnement ionisant et de la chimiothérapie et ainsi optimiser la réponse tumorale. Notre objectif est de développer une cédule optimale de la chimio-radiothérapie pour obtenir la meilleure efficacité anti-tumorale tout en minimisant les effets secondaires aux tissus sains. Pour atteindre ce dernier objectif, nous avons également évalué la nouvelle formulation liposomale de cisplatine et d’oxaliplatine (Lipoplatin™ et Lipoxal™, respectivement) qui ont pour but d'accroitre l'efficacité anticancéreuse tout en réduisant les effets secondaires. Nous avons étudié la séquence optimale de radio-chimiothérapie en lien avec notre hypoThèse de "vraie" concomitance qui favorise l'ajout de rayonnement au moment de l'accumulation maximale de platine dans l'ADN des cellules cancéreuses. Nous avons effectué des études in vitro utilisant le carcinome colorectal humain HCT116, et in vivo sur des souris nue HCT116 xénogreffe. Les études pharmacocinétiques sur l'accumulation de platine ont été mesurées par spectrométrie de masse couplée au plasma induit. La cytotoxicité a été déterminée par un essai de formation de colonie, tandis que le retard de croissance tumorale obtenue en modèle animal est corrélé à l'apoptose et analyses histopathologiques. La synergie des traitements combinés a été évaluée en utilisant l'indice de combinaison. Dans cette étude, nous avons observé une amélioration de la radiothérapie combinée avec le cisplatine, l'oxaliplatine et leurs formulations de liposomes à la fois in vitro et in vivo. Des variations entre l'accumulation du platine dans les cellules cancéreuses, de tissus normaux et tumoraux, ainsi que des adduits du platine à ADN en fonction de la cédule d'administration du médicament ont été observées. Un fort effet concomitant in vitro a été observé lorsque la radiothérapie a été délivrée à 8 h et in vivo à 4 et 48 h après l'administration du médicament, ce qui correspondait au temps de liaison maximale du platine à l'ADN tumoral. L'augmentation de la radiosensibilisation a été corrélée à une élévation de l’apoptose et une réduction de l’activité mitotique. La cédule de traitement optimal de la chimio-radiothérapie dépend de l'intervalle de temps entre l'administration de la radiation et de la drogue, ce qui a été étroitement associé à la cinétique d’accumulation de platine à l’ADN et de leurs concentrations intracellulaires. En conclusion, les meilleurs résultats in vitro et in vivo pourraient être ultérieurement confirmés en essai clinique pour valider ces concepts.

L’assurance qualité est un sujet clé en radiothérapie. En effet, la complexification des méthodes de traitements ont induit de nombreuses sources d’erreurs potentielles, et la vérification du bon déroulé du traitement est plus que jamais une tâche difficile. Un des objectifs de l’équipe de radiophysique est ainsi d’assurer que la dose délivrée au patient sera aussi conforme que possible à la prescription du médecin.Nombres d’outils ont été mis à disposition de ces équipes pour assurer des contrôles efficaces, réduisant les chances d’erreur. Une des solutions innovantes à l’épreuve dépend de l’utilisation de nouveaux détecteurs bidimensionnels, solidaires de la tête de l’accélérateur et placé en amont du patient, permettant ainsi de collecter des informations sur le flux de photons délivré par l’accélérateur.Ce type de détecteur présente plusieurs avantages. Il ne perturbe que très peu le faisceau de photons et permet donc une utilisation en simultané du traitement du patient. De plus, sa localisation en amont du patient ne permet pas d’ambiguïté sur l’origine des déviations en dose observées, une erreur de positionnement patient ne pouvant pas se confondre à une avarie sur l’accélérateur.Dans ce contexte, le groupe PHYSMED du LPSC, en collaboration avec le CHU de Grenoble développe TraDeRa, un détecteur 2D basé sur une chambre d’ionisation plane pixélisée. Embarquant une électronique de lecture dédiée conçue, il permet l’acquisition de carte de signal décrivant avec une bonne précision le flux de photons en provenance de l’accélérateur en temps réel et sans zone morte.Son portage vers la routine clinique passe en partie par la traduction de la carte de signal fournie par le détecteur en une carte de dose exploitable par les physiciens médicaux. Une des solutions envisagée tient dans le recours à des simulations Monte-Carlo complexes, afin d’associer la réponse du détecteur à un dépôt de dose calculé.La précision sur les différents calculs Monte-Carlo à fournir est très importante, aussi un modèle précis de l’accélérateur clinique nous a paru indispensable. Nous avons donc entrepris la modélisation d’un accélérateur clinique type Clinac 2100 pour le code Monte-Carlo PENELOPE, afin de reproduire le plus fidèlement possible l’accélérateur du CHU de Grenoble. Outre la géométrie complexe du dispositif, la fidélité de la reproduction vient aussi de la connaissance des caractéristiques du faisceau d’électrons utilisé pour produire ces photons. Nous avons élaboré une méthode de détermination de ces paramètres basée sur un ajustement de ces caractéristiques utilisant la comparaison de mesures avec des simulations de référence, présentant des avantages sur le processus essais-erreurs habituellement utilisé. L’objectif était de proposer une méthode applicable à n’importe quel accélérateur du même modèle, en n’exploitant qu’un jeu commun de simulations de référence, et permettre l’ajustement des caractéristiques en un minimum de temps. Cette méthode a fait ses preuves, notamment grâce à son application sur deux autres accélérateurs modèle Clinac 2100 que celui utilisé dans la conception du détecteur.Puis, nous avons modélisé le détecteur et son environnement d’exploitation à l’hôpital dans PENELOPE. Cette simulation nous a donné accès à des propriétés intrinsèques que des mesures réelles ne permettent pas de déterminer. Nous avons ainsi pu étudier la linéarité de sa réponse en dose et en débit de dose, caractériser l’atténuation qu’il oppose au faisceau, ou encore évaluer la diaphonie entre les différentes électrodes de la matrice pixélisée.Nous avons initié le travail de conversion du signal collecté par le détecteur en dose déposée dans le patient. Nous avons associé à la réponse d’électrodes choisies une distribution de dose en trois dimensions dans la cuve à eau. En décomposant un champ quelconque en une somme de réponses élémentaires, nous avons déterminé une procédure de reconstruction du dépôt de dose dans le patient. / Quality assurance is a key topic in radiation therapy. Indeed, the increasing complexity of the treatment methods led to many additional sources of potential errors, and the verification of treatment is more than ever a task that can be difficult. One of the objectives of the radiophysicists lies in the application of quality assurance procedures to ensure that the dose delivered to the patient is consistent with the oncologist’s prescription.Numerous tools are available to ensure controls that are both effective and reliable, reducing the chances of errors. However, zero risk is not achievable, and the use of new treatment techniques can make these errors difficult to detect. One of the innovative solutions studied in recent years depends on the use of new two-dimensional detectors, embedded on the head of the linear accelerator and placed upstream of the patient. These devices thus allow to collect information on the photon flux delivered by the accelerator.This type of detector has several advantages. Their attenuation is very light, and grant the possibility to use them while treating the patient. Moreover, their location does not give space to ambiguity about the origin of the observed dose deviations. Indeed, a patient positioning error cannot be confused with mechanical misbehavior of the linear accelerator.In this context, the PHYSMED group of the LPSC, in collaboration with the Grenoble Public Hospital, is developing TraDeRa, a detector based on a pixelated planar ionization chamber, embedding dedicated electronics specially designed by the lab. The detector is able to collect a signal map that accurately describes the incoming photon flux, for any clinical field, in real time and without dead zone.The portage of the detector towards clinical routine partially depends on the translation of the signal map supplied by the detector into a reliable dose map that can be used by medical physicists. To begin with, one of the considered solutions is the use of complex Monte Carlo simulations, in order to associate the detector response with a calculated dose deposition in a water tank.The precision to provide on the various Monte-Carlo calculations seemed very important. Therefore, a precise model of the clinical accelerator seemed essential. Thus, we have initiated the modeling of a type Clinac 2100 clinical accelerator for the Monte-Carlo code PENELOPE, in order to reproduce as accurately as possible the accelerator available for our measurements campaign. The knowledge of the primary electron beam characteristics is critical. We have thus developed an original method for adjusting these characteristics based on comparison of measurements with reference simulations. This method has interesting features compared with the usual trial and error process. The objective was to propose a method applicable to any accelerator of the same model, using only a set of reference simulations, thus allowing the faster adjustment (sometimes slightly less accurate than the trial and error method) of the beam characteristics. This method seems to have proved itself worth, and has been used on two other Clinac 2100 accelerators to test its reliability.Next, the full modeling of the detector in PENELOPE coupled and its environment granted us to describe some characteristics intrinsic to conception choices. Thus, we have been able to study the linearity response of the detector in terms of dose and dose rate, characterize the attenuation it opposes to the beam, and evaluate the cross-talk between the different electrodes of the pixelated matrix.In addition, we were able to initiate the work of converting the signal collected by TraDeRa into a dose deposited in the patient. We associated the response of selected electrodes with calculated dose distributions in a water tank model. By decomposing any field into a sum of elementary responses, we have determined a procedure allowing the reconstruction of the dose deposition in the patient.

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez les hommes dans la plupart des pays développés. C'est le cancer le plus fréquent chez les hommes en France (73.609 cas en 2014) et en Colombie (9564 cas en 2014). En outre, c'est la troisième cause de décès par cancer chez les hommes dans les deux pays (9,3 % en France et 7,1 % en Colombie en 2014). L'une des techniques de traitement est la radiothérapie externe, qui consiste à délivrer un rayonnement ionisant à une cible clinique, à savoir la prostate et les vésicules séminales. En raison des variations anatomiques au cours du traitement, qui consiste en environ 40 fractions de rayonnement délivrant une dose totale allant de 70 à 80Gy, des marges de sécurité sont définies autour de la cible tumorale lors de la planification du traitement. Ceci entraîne des portions d'organes sains voisins de la prostate - la vessie et le rectum - à être inclus dans le volume cible, pouvant conduire à des événements indésirables affectant les fonctions urinaires (hématurie et cystite, entre autres) ou rectale (saignement rectal, incontinence fécale, Etc.). La vessie présente les plus grandes variations de forme entre fractions de traitement, provoquées par des changements continus de volume. Ces variations de forme introduisent des incertitudes géométriques qui rendent difficile l'évaluation de la dose réellement délivrée à la vessie pendant le traitement. Ces incertitudes limitent la possibilité de modéliser une relation dose-volume pour la toxicité génito-urinaire tardive (GU). Le projet QUANTEC (Quantitative Analysis of Normal Tissue Effects in the Clinic) a déclaré que la relation dose-réponse pour la toxicité gastro-intestinale tardive (GI) était loin d'être établie. Les variables dosimétriques obtenues à partir de la tomodensitométrie de planification peuvent être faiblement représentative de la dose effectivement administrée. En conséquence, il est crucial de quantifier les incertitudes produites par les variations inter-fraction de la vessie afin de déterminer les facteurs dosimétriques qui affectent les complications GU tardives. Le but de cette thèse était donc de caractériser et de prédire les incertitudes produites par les variations géométriques de la vessie entre les fractions de traitement, en utilisant uniquement la tomodensitométrie de planification comme information d'entrée. En pratique clinique, une seule tomodensitométrie est disponible au moment de la planification du traitement pour un patient typique, alors que des images supplémentaires peuvent être acquises en cours de traitement. Dans cette thèse une approche population a été utilisée pour obtenir suffisamment de données pour apprendre les directions les plus importantes du mouvement et de la déformation de la vessie en utilisant l'analyse en composante principales (ACP). Comme dans les travaux de référence, ces directions ont ensuite été utilisées pour développer des modèles basés population pour prédire et quantifier les incertitudes géométriques de la vessie. Cependant, nous avons utilisé une analyse longitudinale afin de caractériser correctement la variance du patient et les modes spécifiques du patient à partir de la population. Nous avons proposé d'utiliser un modèle à effets mixtes (ME) et une ACP hiérarchique pour séparer la variabilité intra et inter-patients afin de contrôler les effets de cohorte confondus. Finalement, nous avons présenté des modèles sur l'APC comme un outil pour quantifier des incertitudes de la dose produit par le mouvement et déformation de la vessie entre fractions. / Prostate cancer is the most common cancer amongst the male population in most developed countries. It is the most common cancer amongst the male population in France (73.609 cases in 2014) and in Colombia (9564 cases in 2014). It is also the third most common cause of cancer deaths in males in both countries (9.3% and 7.1% in France and in Colombia in 2014, respectively). One of the standard treatment methods is external radiotherapy, which involves delivering ionizing radiation to a clinical target, namely the prostate and seminal vesicles. Due to the uncertain location of organs during treatment, which involves around forty (40) radiation fractions delivering a total dose ranging from 70 to 80Gy, safety margins are defined around the tumor target upon treatment planning. This leads to portions of healthy organs neighboring the prostate or organs at risk — the bladder and rectum — to be included in the target volume, potentially resulting in adverse events affecting patients’ urinary (hematuria and cystitis, among others) or rectal (rectal bleeding, fecal incontinence, etc.) functions. The bladder is notorious for presenting the largest inter-fraction shape variations during treatment, caused by continuous changes in volume. These variations in shape introduce geometric uncertainties that render assessment of the actual dose delivered to the bladder during treatment difficult, thereby leading to dose uncertainties that limit the possibility of modeling dose-volume response for late genitourinary (GU) toxicity. The Quantitative Analysis of Normal Tissue Effects in the Clinic (QUANTEC) project has stated that a similar dose-response to that of late gastrointestinal (GI) toxicity is far from being established. The dosimetric variables obtained from the planning CT prove to be very poor surrogates for the real delivered dose. As a result, it appears crucial to quantify uncertainties produced by inter-fraction bladder variations in order to determine dosimetric factors that affect late GU complications. The aim of this thesis was thus to characterize and predict uncertainties produced by geometric variations of the bladder between fractions, using solely the planning CT as input information. In clinical practice, a single CT scan is only available for a typical patient during the treatment planning while on-treatment CTs/CBCTs are seldom available. In this thesis, we thereby used a population approach to obtain enough data to learn the most important directions of bladder motion and deformation using principal components analysis (PCA). As in groundwork, these directions were then used to develop population-based models in order to predict and quantify geometrical uncertainties of the bladder. However, we use a longitudinal analysis in order to properly characterize both patient-specific variance and modes from the population. We proposed to use mixed-effects (ME) models and hierarchical PCA to separate intra and inter-patient variability to control confounding cohort effects. . Subsequently, we presented PCA models as a tool to quantify dose uncertainties produced by bladder motion and deformation between fractions.

La technique de radiothérapie VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy), diffusée en 2009, combine les avantages des techniques d'arc thérapie dynamique aux avantages des techniques de radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (RCMI) par faisceaux stationnaires. L'objectif de la thèse est de rendre optimales les conditions de mise en œuvre du VMAT autour d'un accélérateur linéaire d'électrons Synergy/Elekta afin de sécuriser la technique et de pouvoir bénéficier de l'apport clinique potentiellement attendu. Sur la base d'une analyse de l'influence des différents paramètres de la chaîne de traitement, nous proposons des éléments d'optimisation du traitement à la fois sur la planification dosimétrique et sur le contrôle de son exécution sur la machine. Nous montrons que si la qualité de l'optimisation de la technique dépend des caractéristiques intrinsèques de l'accélérateur, elle est également fortement influencée par le paramétrage du système de planification des traitements (TPS). Nous mettons en évidence des différences comparées des collimateurs Beam Modulateur (largeur de lames de 4 mm) et MLCi2 (largeur de lames de 10 mm) tant sur le plan de la distribution de dose obtenue que sur l'efficience. Nous montrons que, si pour deux principaux TPS commercialisés (Pinnacle/Philips et Monaco/Elekta) les distributions de dose aux volumes cibles sont peu modifiées, les différences de méthodes implémentées influencent la distribution de dose aux tissus sains. Nous proposons des programmes de contrôles de qualité au niveau de l'accélérateur, des plans dosimétriques de traitement et de l'exécution des traitements. Afin de garantir un niveau de confiance élevé sur la dose délivrée, nous proposons une méthode d'évaluation de la fluence délivrée en cours de traitement basée sur l'analyse des paramètres machines. Nous établissons que le processus de traitement VMAT optimisé fournit des performances de qualité supérieure que les techniques de RCMI par faisceaux stationnaires pour quatre localisations tumorales majeures étudiées. / VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) technique has been introduced in 2009, it combines advantage of arctherapy techniques with advantage of IMRT (Intensity Modulated Radio Therapy) techniques delivered with stationary beams. The purpose of the thesis is to optimise implementation conditions of VMAT for a Synergy/Elekta linear accelerator in order to secure the technique and to be able to benefit from potentially expected clinical improvement. From analysis of influence of various work flow parameters, we propose treatment optimisation factors both on dosimetric planning and on delivering control on the accelerator. We show that if optimisation quality depends on intrinsic accelerator characteristics, it also depends very much on configuration of treatment planning system (TPS). We highlight compared differences between Beam Modulateur (leaf width of 4 mm) and MLCi2 (leaf width of 10 mm) on dose distribution and on efficiency. We show that if differences of dose distributions are small for two major TPS (Pinnacle/Philips and Monao/Elekta), the differences of implemented methods affect dose distribution of healthy tissues. We suggest quality control set for accelerators, for treatment plans and for treatment delivery. In order to provide a high safety level on delivered dose, we suggest an evaluation method of the real fluence provided during treatment delivery by analysing accelerator parameters. We establish that optimised process of VMAT treatment provides better performance than RCMI techniques delivered with stationary beams for the four major cancer cases that has been studied.

Les gliomes sont des tumeurs du système nerveux central. Leur plus haut degré de malignité est le glioblastome (GBM), le plus fréquent des cancers du cerveau. Les patients atteints de GBM sont d’abord opérés (si possible) puis traités par la radiothérapie avec témozolomide concomitant et adjuvant. Ce traitement n’est cependant pas curatif, en partie en raison d’une radiorésistance primaire élevée des cellules de GBM. La voie de signalisation JAK/STAT3 (Janus Kinase/Signal Transducer and Activator of Transcription 3) semble contribuer à la gravité des GBM. STAT3 est une protéine intracellulaire de transduction du signal. Elle est activée par phosphorylation de ses résidus tyrosine 705 (pSTAT3-Y705) et sérine 727 (pSTAT3-S727). L’activation de la tyrosine 705 se produit en aval du signal induit par la liaison de la cytokine interleukine 6 (IL-6) à son complexe récepteur transmembranaire gp130-IL-6Rα. Les mécanismes d’activation de la sérine 727 sont moins bien caractérisés. Le rôle de l’activation de STAT3 dans la radiorésistance des GBM a été ici étudié. Une évaluation du niveau basal de pSTAT3-Y705, pSTAT3-S727 et de la radiorésistance intrinsèque a été faite sur un panel de 15 lignées de GBM humain. L’activation de STAT3 dans les lignées cellulaires de gliomes a été évaluée par western blot et la radiorésistance par la survie cellulaire à l’irradiation. En plus de la description de l’état basal d’activation de STAT3 dans les lignées cellulaires de gliomes, cette étude a mis en évidence pour la première fois, une corrélation de pSTAT3-S727 avec la radiorésistance intrinsèque des GBM. Une stratégie de blocage pharmacologique de STAT3 nous a permis d’identifier le Gö6976 comme inhibant la phosphorylation Y705 de STAT3 dans les cellules de GBM. Celui-ci s’est avéré inhiber aussi la phosphorylation S727 mais seulement dans les lignées de GBM pSTAT3-Y705 négatives. Le traitement par le Gö6976 ralentit la croissance des cellules de GBM, indépendamment du statut d’activation de STAT3. De façon intéressante, le Gö6976 a montré un pouvoir radiosensibilisant très significatif sur les lignées pSTAT3-Y705 négatives, ce qui est concordant avec la baisse du niveau de pSTAT3-S727. La pertinence de ces résultats est confortée par un marquage immunohistochimique sur des échantillons cliniques de GBM, montrant la présence à des degrés variables de pSTAT3-S727 dans toutes les cellules cancéreuses de tous les patients. En parallèle, une étude in vitro des fonctions de pSTAT3-S727 utilisant des dominants positif et négatif est en cours. En somme, nous avons démontré que pSTAT3-S727 participe à la radiorésistance intrinsèque et que pSTAT3-Y705 est un marqueur prédictif négatif de la réponse des cellules de GBM au Gö6976 à la fois comme inhibiteur de pSTAT3-S727 et radiosensibilisant. L’ensemble de nos résultats conforte l’intérêt d’une inhibition spécifique de pSTAT3-S727 pour radiosensibiliser les GBM et ainsi améliorer le traitement des patients. / Gliomas are tumors of the central nervous system. The highest degree in glioma malignancy is Glioblastoma (GBM) that is the most frequent of the brain cancers. GBM patients are treated by surgery at first (if it is possible), followed by radiotherapy and concomitant and adjuvant temozolomide. However, this treatment is not curative in part because GBM cells display an outstanding primary radioresistance. The JAK/STAT3 (Janus Kinase/Signal Transducer and Activator of Transcription 3) signaling pathway seems to be involved in the GBM aggressiveness. STAT3 is an intracellular signal transducer protein. It is activated by phosphorylation on its tyrosine 705 (pSTAT3-Y705) and serine 727 (pSTAT3-S727) residues. The tyrosine 705 activation is produced downstream the signal induced by the binding of interleukine-6 (IL-6) cytokine to its gp130-IL-6Rα transmembrane receptor complex. The mechanisms of the serine 727 phosphorylation are less characterized. The role of STAT3 activation in the radioresistance of GBM was studied here. Basal levels of pSTAT3-Y705, pSTAT3-S727 and intrinsic radioresistance were evaluateded in a panel of 15 GBM cel lines. Activation of STAT3 in the glioma cell lines was assessed by western blotting and radioresistance through cell surviving fraction to irradiation. In addition to the description of the basal activation of STAT3 in the glioma cell lines, this study evidenced, for the first time, a correlation between pSTAT3-S727 and GBM intrinsic radioresistance. Using a pharmacological inhibition strategy, we identified Gö6976 as a chemical blocking Y705 phosphorylation of STAT3 in GBM cells. Gö6976 also inhibited pSTAT3-S727 but only in the pSTAT3-Y705-negative cell lines. Treating GBM cell with Gö6976 slowed their growth regardless of STAT3 activation status. Interestingly, Gö6976 showed a highly significant radiosensitizing effect on pSTAT3-Y705-negative cell lines that was consistent with the down-modulation of pSTAT3-S727. The relevance of these results is strengthened by immunohistochemical assay performed of GBM clinical samples that showed a variable level of pSTAT3-S727 positive staining in all tumor cells of all the patients. Furthermore, we are currently running on an in vitro study of the pSTAT3-S727 biological function by the mean of STAT3 dominant positive and dominant negative proteins. In summary, we showed that pSTAT3-S727 is involved in the intrinsic radioresistance and that pSTAT3-Y705 is a negative predicting marker of GBM cell response to Gö6976 as both a pSTAT3-S727 inhibitor and a radiosensitizer. Altogether, our results strengthen the clinical relevance of a specific inhibition of pSTAT3-S727 to radiosensitize GBM and then improve the patient treatment.

Les stratégies thérapeutiques anticancer sont nombreuses et variées. Elles visent à déclencher la mort des cellules tumorales mais les processus de mort cellulaire diffèrent en fonction du traitement, du type de cellule ciblé et des caractéristiques du patient. A côté des mécanismes classiques tels que l’apoptose et la nécrose, on retrouve également du cannibalisme cellulaire dans les biopsies de tumeurs des patients. Ce phénomène dont les mécanismes sont encore peu caractérisés, correspond à l’internalisation d’une cellule vivante par une cellule vivante. Il est fréquemment suivi par la dégradation de la cellule internalisée. Cette modalité de mort atypique est intéressante car nous avons montré qu’elle pouvait être modulée par des traitements anticancéreux et des études ont également démontré qu’elle pouvait servir de biomarqueur pronostique dans certains types de cancer. Ces travaux de thèse ont permis d'identifier des voies de signalisation cellulaire activées lors du déclenchement du cannibalisme cellulaire par les radiations ionisantes / Many types of anticancer therapies are available to kill tumor cells. The tumoral cell death modalities may be different upon the treatment, the cell type and inter-individual sensitivity. Besides the typical cell death processes apoptosis and necrosis, cellular cannibalism has also been reported in patients’ tumoral biopsies. This cellular process is defined as the engulfment of one live cell by another live cell followed by the degradation of the inner cell. The mechanisms beyond cellular cannibalism are still partially understoof but it appears to be of clinical relevance. Indeed, we have shown that these events could be modulated by anticancer treatments and there are evidences of their utility as a potent prognostic biomarker in some cancers. This thesis presents the in vitro experiments which led to the identification of the signaling pathways involved in cellular cannibalism induced by ionizing radiation.

La radiothérapie est l'une des principales modalités de traitement du cancer. Néanmoins, son utilisation est limitée du fait des dommages induits dans les tissus sains et de la radiorésistance de certains cas. En vue d’améliorer le ciblage tumoral et l'efficacité du traitement, des améliorations sont nécessaires. L'une des améliorations proposées est l'utilisation de nanoparticules composées d'éléments à nombre atomique élevé qui présentent la propriété d’amplifier l’effet des rayonnements ionisants. Les nanoparticules d'or constituent un des agents les plus prometteurs en raison de leur faible toxicité et de la possibilité d’y lier des molécules en surface. L’efficacité de petites nanoparticules d'or fonctionnalisées avec du DTDTPA (< 3 nm) a été prouvée. En revanche, peu de données existent quant au lien entre ces effets d’amplification et la dynamique d’internalisation et leur localisation dans les cellules.Ce travail a porté sur l’étude de la dynamique d'internalisation et d’excrétion de ces nanoparticules, ainsi que sur leur localisation dans différentes lignées cellulaires cancéreuses et dans les fibroblastes humains. Une tentative de corrélation entre les effets d’irradiation et ces données est proposée.Les résultats obtenus dans ce travail montrent que la dynamique d'absorption et d'excrétion, ainsi que les voies prédominantes d'internalisation des nanoparticules d'or, dépendent fortement de la lignée cellulaire. La quantité d'or internalisée résultant de ces mécanismes varie également. Ces mécanismes d’internalisation impactent la localisation des nanoparticules dans les différents organites subcellulaires, conséquence des voies spécifiques d'internalisation. Enfin un lien est proposé entre localisation intracellulaire des nanoparticules d'or et leur localisation avec les organites subcellulaires.En conclusion, ces résultats indiquent que l'efficacité des nanoparticules dépend de la lignée cancéreuse à traiter. Même si des expériences in vivo restent nécessaires à la validation de ces résultats, ce travail propose des méthodes originales qui permettent de caractériser et prévoir rapidement l’effet des agents sur les cellules. / Radiation therapy is one of the main modalities for cancer treatment. However, its use is limited due to damage induced in healthy tissues and radioresistance in some cases. However, improvements are needed to improve tumor targeting and treatment effectiveness. One of the proposed improvements is the use of nanoparticles composed of high-atomic number elements that have the property of amplifying the effect of ionizing radiation. Gold nanoparticles are one of the most promising agents, because of their low toxicity and the possibility of binding molecules on their surface. The effectiveness of small gold nanoparticles functionalized with DTDTPA (< 3 nm) has been proven. However, little data exists on the link between the amplification effects in respect to the internalization dynamics and their location in cells. This work focused on studying the internalization and excretion dynamics of these nanoparticles, as well as their location in different cancer cell lines and in human fibroblasts. An attempt to correlate the radiation effects with these data is proposed. The results obtained in this work show that the dynamics of absorption and excretion, as well as the predominant internalization pathways of gold nanoparticles, strongly depend on the cell line. The amount of internalized gold, resulting from these mechanisms, also varies. These internalization mechanisms impact the localization of nanoparticles in the various subcellular organelles, due to the specific internalization pathways. Finally, a link is proposed between the intracellular localization of gold nanoparticles and their colocalization with subcellular organelles.In conclusion, these results indicate that the effectiveness of nanoparticles depends on the cancerous line that is treated. Although in vivo experiments are still needed to validate these results, this work proposes original methods for rapid characterization and prediction of the effects of agents on cells.

La recherche concernant l’utilisation de nanoparticules dans le domaine médical a connu un essor considérable ces vingt dernières années, notamment dans le cadre du traitement du cancer. En particulier, l’effet radiosensibilisant des nanoparticules métalliques a été beaucoup étudié en radiothérapie, dans une perspective de réduction des effets secondaires générés par l’irradiation des tissus sains autour de la tumeur. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à des nanoparticules d’or greffées d’une couronne polymère. Celle-ci assure une grande stabilité des objets, tout en permettant de faire varier leurs propriétés physico-chimiques et d’en étudier l’impact sur leur comportement. Les polymères utilisés sont des polyméthacrylates, obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée, qui jouent le rôle de ligands lors de la synthèse des nanoparticules d’or. Nous avons pu faire varier deux paramètres, la masse molaire et la nature chimique des (co)polymères, afin de constituer une gamme de nano-objets aux propriétés différentes. Une caractérisation approfondie, notamment par diffusion de rayonnements aux petits angles, a mis en évidence une structure similaire pour l’ensemble des objets synthétisés. Un agent de chimiothérapie, la doxorubicine, et deux protéines ont en outre pu être greffés sur les ligands polymères. Les interactions de ces différentes nanoparticules avec les systèmes biologiques ont été étudiées de manière détaillée, en particulier l’impact des propriétés de la couronne polymère. Quatre aspects ont été examinés : la stabilité colloïdale en milieux biologiques, la capacité à diffuser dans la matrice extracellulaire, la captation cellulaire et la cytotoxicité. Tous les ligands étudiés assurent une bonne stabilité. Concernant les autres aspects, la comparaison systématique des résultats obtenus pour la gamme d’objets a permis de mettre en évidence un fort impact de la nature de la couronne polymère, notamment de la présence de charges positives ou de segments hydrophobes. Nous avons également montré que les propriétés de toxicité de la doxorubicine, et de captation accrue d’une protéine étaient bien conservées après greffage. Dans une perspective d’utilisation en radiosensibilisation, nous avons enfin étudié le comportement de nos nanoparticules sous irradiation. Une bonne stabilité de leur structure a été observée sous rayonnement, et leur association à l’iode 131 (radiothérapie interne) a montré un fort effet radiosensibilisant, à la fois in vitro et in vivo. Les résultats des essais menés en protonthérapie (radiothérapie externe) mettent cependant en évidence des différences de comportements selon le type d’irradiation. Nous avons également exploré la possibilité de détecter les nanoparticules in situ, lors d’une irradiation en protonthérapie, grâce à l’analyse des rayons X émis. / These past twenty years, there has been a great increase in the number of studies concerning the use of nanoparticles for medical applications, especially for cancer treatment. In particular, radiosensitizing effects of metal nanoparticles have been studied a lot in radiotherapy, in order to reduce the side effects created by the irradiation of healthy tissues surrounding the tumor. In this work, we focused on polymer-grafted gold nanoparticles. The polymer corona both ensured a great stability of the objects and allowed to change their physico-chemical properties, in order to study their impact on the nanoparticles behavior. We used polymethacrylates which were obtained through controlled radical polymerization and acted as ligands during the gold nanoparticles synthesis. A library of nano-objects with different properties was established by varying both molar mass and chemical nature of (co)polymers. Thorough characterization, including by small-angle radiation scattering, revealed similar structures for all synthesized objects. Grafting of one chemotherapy agent, doxorubicin, and two proteins was also performed on polymer ligands. Interactions between these various nanoparticles and biological systems were studied in detail. Special attention was given to the impact of polymer corona properties. Four aspects were examined: colloidal stability in biological media, ability to diffuse inside the extracellular matrix, cellular uptake, and cytotoxicity. All studied ligands ensured a great stability. Regarding the other aspects, systematic comparison of the results obtained for the whole library highlighted a strong impact of the ligands nature, especially the presence of positive charges or hydrophobic segments. We have also shown that grafted doxorubicin and protein kept their toxic and targeting properties respectively. Lastly, the prospect of using these nanoparticles for radiosensitization led us to study their behavior under radiations. When irradiated, their structure was found stable. Combining them with radioiodine (internal radiotherapy) showed a great radiosensitizing effect, both in vitro and in vivo, but experiments with protontherapy (external radiotherapy) revealed different behaviors depending on the type of radiations. We also investigated the use of particle-induced X-ray emission to detect nanoparticles in situ, during protontherapy treatment.

Le mélanome uvéal est la tumeur primaire intraoculaire la plus fréquente chez l'adulte. L'un des traitements le plus souvent utilisé afin d'obtenir un contrôle local de la tumeur s'appelle la curiethérapie par plaque. Malgré un faible taux de récidive locale avec cette technique, la grande majorité des patients développeront des complications oculaires secondaires à la radiation cinq ans après le diagnostic initial. Le manque de modèles ex vivo ou in vitro de mélanome uvéal rend difficile la validation de plaques de curiethérapie personnalisées et le calcul des différents profils de dose par les algorithmes Monte-Carlo. Un fantôme dosimétrique bio-imprimé représentant l'œil humain contenant une tumeur uvéale de forme définie serait un modèle in vitro optimal pour l'évaluation de différents profils de dose dans le développement de plaques de curiethérapie personnalisées. Dans cette étude, la viabilité et la prolifération des cellules cancéreuses du mélanome uvéal ainsi que des fibroblastes et mélanocytes choroïdiens en culture dans un environnement tridimensionnel, soit une matrice extracellulaire commerciale (Matrigel®) ou un hydrogel imprimable, ont d'abord été mesurées par microscopie en contraste de phase ou en fluorescence. Ensuite, l'expression de marqueurs de prolifération, d'hypoxie et de dommages à l'ADN a été déterminée dans les cellules cancéreuses du mélanome uvéal cultivées en monocouche ou enrobées dans le Matrigel®, dans l'optique future d'étudier ces marqueurs lors de l'irradiation du modèle bio-imprimé de tumeur uvéale avec une plaque personnalisée. L'évaluation chirurgicale de prototypes de plaques de curiethérapie non radioactives a été faite afin de comparer les différentes itérations entre elles et aux plaques conventionnelles. Enfin, les caractéristiques à améliorer pour le développement d'un modèle biologique contenant une tumeur uvéale ont été discutées et les aspects techniques problématiques des premières plaques imprimées ont été identifiés afin d'optimiser les prochains prototypes de plaques personnalisées. Mes travaux représentent un avancement des connaissances sur les modèles in vitro 3D du mélanome uvéal et le traitement de cette tumeur oculaire par curiethérapie par plaque. Mon mémoire pourra servir de base aux projets subséquents visant soit i) à élucider l'impact des interactions des cellules cancéreuses avec leur microenvironnement sur la résistance thérapeutique de ce cancer ou ii) à tester de nouvelles stratégies thérapeutiques sur un modèle bio-imprimé de mélanome uvéal primaire. / Uveal melanoma is the most common primary intraocular tumor in adults. One of the treatments most often used to achieve local tumor control is called plaque brachytherapy. Despite a low local recurrence rate with this technique, most patients will develop ocular complications secondary to radiation five years after the initial diagnosis. The lack of ex vivo or in vitro models of uveal melanoma makes it difficult to validate personalized brachytherapy plates and to calculate the different dose profiles by Monte-Carlo algorithms. A bioprinted dosimetry phantom representing the human eye containing a defined uveal tumor would be an optimal in vitro model for the evaluation of different dose profiles in the development of personalized brachytherapy plates. In this study, the viability and proliferation of uveal melanoma cells, as well as choroidal fibroblasts and melanocytes in culture in a three-dimensional environment, either a commercial extracellular matrix (Matrigel®) or a printable hydrogel, were first measured by phase contrast or fluorescence microscopy. Then, the expression of markers of proliferation, hypoxia and DNA damage was determined in uveal melanoma cells cultured as monolayer or embedded in Matrigel®, in the future perspective of studying these markers after the irradiation of the bioprinted uveal tumor model using a personalized plate. The surgical evaluation of prototypes of non-radioactive brachytherapy plates was done in order to compare the different iterations with each other and with conventional plates. Finally, the characteristics to be improved for the development of a biological model containing an uveal tumor were discussed, and the problematic technical aspects of the printed plates were identified in order to optimize the next prototypes of personalized plates. My work represents an advancement of knowledge on in vitro 3D models of uveal melanoma and the treatment of this ocular tumor by plaque brachytherapy. My master's thesis could serve as a basis for subsequent projects aiming either i) to elucidate the impact of interactions of cancer cells with their microenvironment on the therapeutic resistance of this cancer or ii) to test new therapeutic strategies on a bioprinted model of primary uveal melanoma.