Le premier traitement standard pour les tumeurs cérébrales est la résection chirurgicale. Dans cette procédure un enjeu important demeure, l'identification des berges tumorales pour assurer une résection totale et éviter le risque de récidive pour le patient. A ce jour aucune technique d'imagerie peropératoire est capable de résoudre l'infiltration tumorale du tissu sain. La norme pour le diagnostic des berges tumorales est l'analyse histologique des biopsies. Une méthode ex vivo qui requiert un à plusieurs jours pour fournir ler apport pathologique final, un lapse de temps qui peut s'avérer fatal pour le patient. La microscopie optique a récemment été développer vers une utilisation clinique peropératoire pour répondre à cet enjeu. Dans travail, la technique de microscopie à deux-photons a été préférée pouressayer de répondre à cette problématique. Cette méthode donne accès à deux contrastes d'imagerie, la génération de seconde harmonique et l’émission de fluorescence, qui peuvent être combinés à des mesures quantitatives, tel que la spectroscopie et le temps de vie de fluorescence. Combiner ces quatre modalités de détection donnera une information complète sur la structure et le métabolisme de la région observée. Pour soutenir le développement technique vers une sonde endomicroscopique visant une utilisation peropératoire, les données en résultants doivent être fiables, et se montrer d'un intérêt pour le chirurgien. Par conséquent, une base de données sur le signal d'autofluorescence des tissus a été construite et présentée dans ce manuscrit, avec des algorithmes capables de discriminer de façon fiable les régions tumorales des régions saines. Des algorithmes qui ont montré le potentiel d'être automatisé dans une configuration clinique, afin de fournir une réponse en temps-réel au chirurgien. / The first standard approach for brain tumor treatment is the surgical resection. In this protocol an important challenge remains, the identification of tumor margins to ensure a complete resection and avoid risk of tumor recurrence. Nowadays no intra-operative means of contrast are able to resolve infiltrated regions from healthy tissue. The standard for tumor margin diagnosis is the histological analysis of biopsies. An ex vivo method that requires one to several days to issue a final pathological reports, a time lapse that could be fatal to the patient. Optical microscopy have recently been developed towards an intra-operative clinical use to answer this challenge. In this work, the technique of two-photon microscopy based on the autofluorescence of tissue have been favored. This technique gives access to two imaging contrasts, the second-harmonic generation and emission of fluorescence, and can be combined to quantitative measurements, such as spectroscopy and fluorescence lifetime. The combination of these four modalities of detection will give a complete structural and metabolic information on the observed region. To support the technical development towards an endomicroscopic probe, the resulted data have to be reliable and proved to be of interest for the surgeon. Consequently, an extensive database of the autofluorescence response of brain tumor tissue have been constructed and presented in this manuscript, with algorithms able to discriminate with reliability tumoral from healthy regions. Algorithms that have shown potential to be automatized in a clinical setting, in order to give a real-time answer to the surgeons.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La curiethérapie prostatique se fait en implantant des grains radioactifs dans une zone tumorale. À cause des soucis temporaux, la planification considère ces grains comme des sources ponctuelles dans un monde uniforme d’eau. Ce mémoire présente une évaluation de l’impact de deux effets perturbant la dosimétrie, avec des méthodes Monte Carlo, en curiethérapie prostatique. L’orientation des sources, négligée actuellement, risque d’altérer la dosimétrie calculée. Cet impact est évalué sur une cohorte de patients (n=287). Aucun impact n’est calculé sur la prostate et l’urètre mais un impact de -2% est calculé sur la vessie et le rectum. La présence de calcifications dans la zone tumorale est négligée par la planification actuelle. Une cohorte de patients (n=43) possédant des calcifications permet d’évaluer cet impact. Il ressort du calcul MC une différence de -13% sur le D90 du CTV et de -16% sur le D10 de l’urètre, en comparaison avec l’algorithme de planification actuel. / Prostatic brachytherapy is performed by inserting radioactive seeds in a tumoral zone. Because of time constraint, clinical planning considers those seeds as point sources in a water medium. This thesis presents the quantification of the impact of two perturbing effects on the dosimetry, evaluated through a Monte Carlo algorithm, in prostatic brachytherapy. Seeds orientation, actually neglected, may alter the clinical dosimetry. The impact of this effect is evaluated on a cohort (n=287) of patients. No effect is calculated on the prostate or the urethra but a difference of -2%, when compared to the clinical algorithm, is calculated on the OARs. Calcifications are actually neglected in the clinical planning. A cohort of patients (n=43) with visible calcifications is used to measure the effect of this approximation. MC calculations yield a difference of -13% on the CTV D90 and -16% on the urethra D10, when compared to the clinical algorithm.

Le mélanome uvéal représente la tumeur intraoculaire maligne la plus fréquente dans la population adulte. De plus, 40% des mélanomes uvéaux sont asymptomatiques et sont donc diagnostiqués tardivement durant un examen ophtalmologique de routine. Aucun traitement de la tumeur primaire n'a changé l'incidence des métastases hépatiques et le pronostic final : le mélanome uvéal métastatique demeure une maladie incurable associée à une espérance de vie variant de 2 à 14 mois. L'objectif principal de ce projet de doctorat consiste donc à identifier les gènes exprimés lors du développement de la tumeur primaire du mélanome uvéal ainsi que ceux impliqués dans la formation des métastases. Dans un premier temps, la construction de banques de soustraction lignée cancéreuse TP31 - mélanocytes uvéaux normaux a permis de comparer ces deux populations d'ARNm et d'amplifier les gènes qui sont exprimés spécifiquement ou réprimés par la lignée cancéreuse TP31. L'analyse des 2 banques de soustraction a révélé 72 gènes surexprimés et 36 gènes réprimés dans la lignée cancéreuse TP31 et cette expression a été confirmée dans la tumeur primaire fraîche. En second lieu, nous avons vérifié l'existence de cellules souches cancéreuses dans le mélanome uvéal à l'aide de marqueurs spécifiques aux cellules souches. Ainsi, pour la première fois, une sous-population de cellules démontrant un phénotype de cellules souches a été caractérisée dans le mélanome uvéal et la présence de ces cellules chimiorésistantes pourrait avoir un impact sur le traitement. Enfin, la construction d'une banque de soustraction tumeurs primaires fraîches - mélanocytes uvéaux normaux a permis de déterminer les gènes réprimés par les tumeurs primaires. À la suite de l'analyse de la banque de soustraction, 136 gènes réprimés ont été identifiés et plusieurs d'entre eux sont impliqués dans l'apoptose, le développement et la pigmentation. Par ailleurs, nous avons voulu caractériser le transcriptome spécifique aux métastases hépatiques par la construction d'une banque de soustraction métastases hépatiques - tumeurs primaires épithélioïdes mais TARN des métastases était dégradé. Nous avons donc suggéré des solutions pour éviter la dégradation des futurs prélèvements de métastases. Finalement, le profil d'expression des sous-unités d'intégrines a été déterminé par cytométrie de flux dans les mélanocytes uvéaux normaux et les lignées cancéreuses dérivées de mélanomes uvéaux. Ces données ont permis de cibler la sous-unité d'intégrine a4 pour des études de régulation du promoteur puisque son expression était spécifique à la lignée métastatique H79.

Le mélanome uveal est la tumeur intraoculaire la plus fréquente dans la population adulte. Malgré un taux de succès élevé dans le traitement de la tumeur primaire, le taux de mortalité chez les patients reste élevé en raison des complications cliniques associées à l'apparition de métastases. L'étude des différents mécanismes qui poussent les cellules cancéreuses à progresser vers un état métastatique est donc essentielle à une compréhension approfondie de la maladie. La capacité des cellules à échapper à leur dépendance à l'acrange à l'égard de la matrice extracellulaire, et dont les intégrines sont d'importants médiateurs, en fait partie. Ainsi, une meilleure connaissance de l'expression et de la régulation des intégrines, ainsi que de leur influence sur les propriétés tumorigènes des cellules, permettra de poser les bases moléculaires du processus métastique. Cette étude porte principalement sur les sous-unités a5 et p5 des intégrines qui présentent des profils d'expression différentiels selon les lignées cellulaires dérivées du mélanome uvéal étudiées

Ce projet vise à élaborer un outil de calcul dosimétrique pour les traitements de thérapie radionucléique par radiopeptides (TRRP) au ¹⁷⁷Lu-octréotate. Pour ce faire, des images tomographiques par émission monophotonique et tomodensitométriques (TEM/TDM) acquises environ 4, 24 et 72 heures après l’administration du radiopharmaceutique sont recalées et quantifiées pour obtenir la biodistribution 4D du composé. Ces images permettent de calculer le taux de dose lors de la séance d’imagerie correspondante. Ces calculs sont réalisés sur processeurs graphiques afin de paralléliser le calcul de la dose. L’utilisation d’une régression biexponentielle permet d’établir les courbes de taux de dose en fonction du temps, qui sont intégrées pour obtenir la dose absorbée dans les régions étudiées. L’étude des patients ayant été traités au centre hospitalier universitaire (CHU) de Québec a permis de vérifier les résultats obtenus avec le code, en plus de s’intéresser à la prédiction de la dose rénale et la proportion de la dose absorbée due au rayonnement γ.

La plupart des fonctions des epitheliums simples, tel que le transport vectoriel, l'absorption et la sécrétion, sont possibles grâce à la polarité épithéliale. La polarité épithéliale est caractérisée par la distribution asymétrique des composants cellulaires selon un axe apico-basal. L'altération de la polarité épithéliale est observée dans la plupart des cancers d'origine épithéliale. Lors de la polarisation épithéliale, la protéine CRB3 joue un rôle prépondérant. En effet, en absence de CRB3, les cellules épithéliales possèdent une polarité défectueuse et les jonctions cellulaires sont altérées, tel qu'observé lors de la tumorigénèse. De plus, l'augmentation de la prolifération, de même qu'une meilleure survie cellulaire sont également observés lors de la tumorigénèse. Selon notre hypothèse, la perte de la protéine de polarité CRB3, qui permet le maintien du domaine apical, serait capable de favoriser la prolifération et la survie cellulaire. Dans le but de vérifier notre hypothèse, nous avons d'abord généré des lignées cellulaires exprimant myc-CRB3 et un mutant de deletion de myc-CRB3, myc-CRB3[delta]ERLI, et nous avons testé par xénogreffes la tumorigénicité de ces celles-ci. Les résultats obtenus ont montrés la capacité de CRB3 à restreindre la croissance tumorale. Le taux de prolifération a été testé in vitro et a montré que CRB3 est capable de moduler à la baisse le taux de prolifération cellulaire. Pour mieux comprendre comment CRB3 est capable de moduler la prolifération, les voie Wnt, MAPK-ERK1/2 et PI(3)K-AKT, toutes trois connues pour leur rôle dans la prolifération cellulaire, ont été étudiées. Dans un premier temps, l'implication de la voie Wnt a été vérifiée par essais luciférases dans un contexte de surexpression de la protéine CRB3. Les résultats ont montrés que CRB3 est incapable de réprimer la voie Wnt. Dans un deuxième temps, l'activité de la voie MAPK-ERK1/2 a été testée par le niveau de phosphorylation de ERK1/2. CRB3 n'a pas eu d'effet sur cette voie. Finalement, l'activité de la voie PI(3)K-AKT a été testée par le degré de phosphorylation de AKT. Les résultats obtenus à partir d'extraits de tumeurs montrent que l'expression de CRB3 atténue grandement le niveau de phosphorylation de AKT. De plus, l'expression de CRB3 a permis de diminuer le taux de prolifération cellulaire et de sensibiliser les cellules à l'apoptose, deux fonctions cellulaires contrôlées par la voie PI(3)K-AKT. La modulation de cette voie par CRB3 a été confirmée par les résultats obtenus dans des tests de prolifération en présence de LY294002, un inhibiteur de la PI(3)K. Cet inhibiteur a permis de ramener le taux de prolifération de CRB3[Delta]ERLI, la forme dominante négative de CRB3, au niveau de la prolifération des cellules n'exprimant pas myc-CRB3 ou myc-CRB3[delta]ERLI.Dans l'ensemble, les résultats obtenus montrent le rôle potentiel de CRB3 dans la régulation de la prolifération et de la survie cellulaires via la voie PI(3)K-AKT. Ceci amène une compréhension supplémentaire du rôle des régulateurs de la polarité épithéliale dans la suppression de cancers.

La radiothérapie guidée par imagerie permet d'offrir des traitements plus précis, alors que la radiothérapie adaptative semble prometteuse. Afin de caractériser la position d'équilibre de la tumeur au poumon, des séries d'images de tomodensitométrie par faisceau conique (ou CBCT pour Cone-Beam Computed Tomography) ont été utilisées. La variation du volume tumoral macroscopique (ou GTV pour Gross Tumor Volume), le déplacement du centre de masse et des extrémités ont été mesurés pour un ensemble de 34 patients à partir de contours GTV tracés sur chacun des CBCT. Une des façons de faire de la radiothérapie adaptative est d'utiliser le recalage dé-formable d'images (ou DIR pour Deformable Image Registration). Ainsi, deux logiciels de DIR ont été testés afin de comparer leur performance respective. Les CBCTs ainsi que les contours GTV ont été déformés et comparés à ceux tracés manuellement lors de la caractérisation de la position d'équilibre. De grandes variations et déplacements ont été observés chez la tumeur au poumon, ce qui justifie l'utilisation de l'imagerie CBCT lors des traitements de radiothérapie. Les deux logiciels de recalage deformable d'images présentent des avantages et des inconvénients. La méthodologie n'est pas au point, mais les résultats sont intéressants et ouvrent la voie à d'autres investigations.

Le présent travail de thèse concerne la quantification en imagerie moléculaire en trois dimensions (3D), en particulier, dans le cadre de la thérapie radionucléique par radiopeptides (TRRP) au ¹⁷⁷Lu pour les tumeurs neuroendocrines (TNE). Le ¹⁷⁷Lu est un radioisotope émetteur beta, à courte portée dans les tissus (2 mm), et gamma, avec des énergies utilisables pour l'imagerie de tomographie par émission mono-photonique (TEM). Ces caractéristiques font de celui-ci un bon radioisotope pour la TRRP des TNE : de petite taille et répandues dans le corps. De plus, avec plusieurs images de TEM prises lors d'un traitement, il est possible de quantifier la distribution du radioisotope dans le corps du patient et même d'évaluer la progression du traitement. L'objectif principal du projet est le développement et la validation des outils, expérimentaux et informatiques, pour la quantification de la dose absorbée lors d'une TRRP au ¹⁷⁷Lu, avec la possibilité d'étendre les méthodes à d'autres radioisotopes. Deux étapes principales ont été nécessaires. La première était la calibration et la caractérisation de l'appareil d'imagerie de TEM. Dans ce contexte, plusieurs techniques d'acquisitions et d'analyse ont été testées et un protocole de calibration simplifié a été proposé. Un accent particulier est mis sur la détermination du facteur de calibration (CF) et du temps mort (τ ) de l'appareil de TEM pour la correction et la quantification des images acquises. D'une évaluation de l'équation qui gouverne le comportement de détection de l'appareil de TEM, une nouvelle formulation plus concise et analysable mathématiquement a été proposée. Celle-ci permet l'extraction des deux facteurs de façon approximative, mais simple ainsi que la proposition d'un nouveau protocole de calibration. Avec des images bien quantifiées en activité (biodistribution du radiopeptide dans le corps), il est possible, par simulations Monte Carlo (MC), de calculer le dépôt de dose. Une deuxième étape a été la validation du code irtGPUMCD. Il s'agit d'un code MC, fonctionnant sur processeur graphique (GPU), pour le calcul de la dose absorbée lors d'une TRRP et précédemment développé au sein du Groupe de recherche en physique médicale du CHU de Québec - Université Laval. Le code irtGPUMCD a été adapté pour l'utilisation dans des conditions standard et validé sur les modèles informatiques de la International Commission on Radiological Protection (ICRP110), non seulement pour le ¹⁷⁷Lu, mais aussi pour le ¹³¹I et ⁹⁹ᵐTc. Avec les simulations exécutées sur une géométrie de référence et une comparaison avec d'autres résultats présents en littérature, le code a été validé. Dans le cadre de l'optimisation en termes de temps et exactitude des résultats fournis par irtGPUMCD, un algorithme de traçage de rayons (raytracing) ainsi qu'une technique de réduction de variance ont été implémentés, testés et validés. Ces changements de code ont permis une réduction d'un facteur dix du temps de calcul pour une simulation. Les images/cartes de dose absorbée tridimensionnelle bien quantifiées donnent la possibilité de calculer les histogrammes dose-volume (DVH) et d'extraire toutes les informations dosimétriques intéressantes tel que fait dans d'autres branches de la radiothérapie. Une petite section de cette thèse est consacrée à la proposition de techniques statistiques, qui permettent, en associant les données dosimétriques avec celles du patient, de construire des modèles de probabilité de complication des tissus normaux (NTCP). Le principal impact de cette étude est l'introduction de toute une chaîne, bien validée, pour la quantification dans les TRRP. Avec une calibration adéquate de l'appareil d'imagerie de TEM et l'utilisation du code MC irtGPUMCD, il sera possible d'effectuer des études dosimétriques et statistiques plus avancées, par rapport à l'état de l'art en médicine nucléaire, et se diriger vers une personnalisation plus poussée des traitements. / The present thesis work concerns quantification in three-dimensional molecular imaging (3D), in particular, in the context of peptide receptor radionuclide therapy (PRRT) with ¹⁷⁷Lu for neuroendocrine tumors (NET). The ¹⁷⁷Lu is a beta emitting radioisotope, with short-range in tissue (2 mm), and gamma, with energies usable for single-photon emission computed tomography (SPECT) imaging. These characteristics make ¹⁷⁷Lu a good radioisotope for the PRRT of NETs: small and widespread in the body. In addition, with several SPECT images taken during a treatment, it is possible to quantify the distribution of the radioisotope in the patient body and assess the progress of the treatment itself. The main objective of the project is the development and validation of tools, experimental and computational, for the absorbed dose quantification during a ¹⁷⁷Lu PRRT, with the possibility to extend the methods to other radioisotopes. Two main steps were necessary. The first step was the calibration and characterization of the SPECT imaging device. In this context, several acquisition and analysis techniques were tested and a simple calibration protocol was proposed. Particular emphasis is given to the determination of the calibration factor (CF) and dead time (τ ) constant of the SPECT device for the correction and quantification of the acquired images. From an evaluation of the equation describing the behavior of the SPECT system, a new, more concise and mathematically tractable formulation has been proposed. This formulation allows the extraction of the two factors in an approximate but simple way as well as the proposal of a new calibration protocol. With well-quantified images in activity (bio-distribution of the radio-peptide in the body) it is possible to calculate the dose deposition by Monte Carlo simulations (MC). A second step was the validation of the irtGPUMCD code. It is a MC code, operating on a graphics processing unit (GPU), previously developed within the Research Group in Medical Physics of the CHU de Québec, which allows the calculation of the absorbed dose received during a PRRT. The irtGPUMCD code has been used and validated under standard conditions with International Commission on Radiological Protection (ICRP110) phantoms, not only for the ¹⁷⁷Lu, but also for the ¹³¹I and ⁹⁹ᵐT c. With the simulations performed on a referenced geometry and with a comparison to other results present in literature, the code was validated. In the context of the optimization in time and accuracy of the results provided by irtGPUMCD, a new raytracing algorithm and a variance reduction technique were introduced, tested and validated. These code changes have led to a reduction in execution time of a factor ten for a simulations. The well quantified three-dimensional absorbed dose images/maps give the possibility of calculating dose-volume histograms (DVH) and extracting all the dosimetric information of interest as done in other branches of radiotherapy. A small part of this thesis is dedicated to the proposal of statistical techniques, which allow, by linking the dosimetric data with patient outcomes, to build models of normal tissues complication probability (NTCP). The main impact of this study is the introduction of a whole chain, well validated, for the quantification in PRRT. With an accurate calibration of the SPECT imaging system and the use of the irtGPUMCD MC code, it will be possible to carry out more advanced dosimetric and statistical studies, compared to the state of the art in nuclear medicine, and to head towards a more personalized treatment.

La translation vers la clinique de nouveaux médicaments anti-cancéreux peut échouer à différentes étapes, notamment lors du passage des modèles animaux à l'humain. Pour améliorer la prédictibilité des tests précliniques, de nouveaux modèles in vitro humains recréant le microenvironnement tumoral sont nécessaires. Dans le cadre du mélanome cutané, les vaisseaux sanguins et lymphatiques dermiques sont des composantes essentielles à la progression tumorale, tout comme les cellules immunitaires. Nous avons émis l'hypothèse qu'il est possible de microvasculariser des substituts cutanés avec des capillaires sanguins et lymphatiques, puis d'appliquer ce contexte tissulaire à la modélisation du mélanome. Notre modèle, basé sur la méthode d'auto-assemblage, est constitué, dans un premier temps, de fibroblastes, de cellules endothéliales microvasculaires humaines et de kératinocytes. Deux types de réseaux ont été observés dans les substituts cutanés en coupe et sur tissu entier. Ils présentent des morphologies distinctes et sont caractérisés par des marquages CD31 (pan-endothéliale) et podoplanine (spécifique aux cellules lymphatiques). La capacité des cellules endothéliales à former des réseaux en fonction de leur origine, cellules de nouveau-né ou d'adulte, a été évaluée. Il a également été confirmé que la présence d'un épiderme formé de kératinocytes influe sur la formation des réseaux de capillaires sanguins et lymphatiques. Les peaux doublement microvascularisées ont permis l'étude du mélanome dans un microenvironnement humain in vitro. Ce modèle a été formé en ajoutant des sphéroïdes de mélanome aux substituts cutanés (6 lignées). Une fois incorporées dans le microenvironnement cutané, les tumeurs répondent à un traitement chronique (12 jours) au vemurafenib de façon dose-dépendante (diminution de la prolifération des cellules de mélanome et augmentation significative de l'apoptose). Par la suite, des cellules immunitaires humaines primaires (dérivées du sang périphérique) ont été incorporées dans la tumeur ainsi que dans le tissu environnant, résultant notamment en la présence de monocytes/macrophages (CD14+, CD163+), lymphocytes CD8+ et cellules HLA-DR+. Ces tissus avec ou sans cellules immunitaires ont été stimulés avec du lipopolysaccharide (LPS), menant à une modification de la proportion des sous-populations immunes présentes dans le modèle. Ce modèle humain répondant à des thérapies anti-cancéreuses et pouvant contenir une composante immunitaire est un outil prometteur pour l'étude du mélanome ainsi que pour l'évaluation de futures molécules en oncologie, incluant des immunothérapies. / Clinical translation of new oncology compounds can fail at different stages, including the translation from animal to human studies. To improve the predictability of preclinical testing, new in vitro human models mimicking the tumor microenvironment are needed. In skin melanoma, blood and lymphatic capillaries are key features of tumor progression, as well as immune cells. We hypothesize that it is possible to microvascularize skin substitutes with both blood and lymphatic capillaries in order to use these tissues to model and study melanoma in vitro. Our self-assembled model was produced using primary human fibroblasts, microvascular endothelial cells and keratinocytes. Two subtypes of capillary networks were present in the reconstructed skin as observed after labeling on cryosections and whole mount samples. Their morphology differs, and they were characterized by immunostaining against CD31 (pan-endothelial) and podoplanin (lymphatic endothelial cells). The ability of endothelial cells from newborn or adult to form networks was assessed. It was also confirmed that the keratinocytes can affect the capillary networks, formed by blood and lymphatic endothelial cells. The microvascularized reconstructed skin allowed to study melanoma in a human microenvironment in vitro. The melanoma model was produced by adding melanoma spheroids to the skin substitutes (with 6 melanoma cell lines). After tumor incorporation in the 3D model, it was treated chronically (12 days) with vemurafenib and displayed a dose-dependent response (significant decrease of proliferation and increase of apoptosis). The last step was to incorporate human primary blood-derived immune cells in the tumor and in the surrounding skin, leading to the presence for example monocytes/macrophages (CD14+, CD163+), CD8+ lymphocytes and HLA-DR+ cells. The different tissues were stimulated with LPS, leading to a modification of immune cell subpopulations in the model (with 4 different donors and 2 melanoma cell lines). This human melanoma model which responds to a known therapy and can include an immune component is a promising tool to study melanoma and to test new therapeutic compounds, including immunotherapies.