Les ultrasons focalisés de hautes intensités ont la capacité de déposer de l'énergie ultrasonore localement et de façon non invasive dans les tissus biologiques. Il est possible d'exploiter les effets mécaniques et/ou thermiques en fonction des paramètres ultrasonores utilisés. Guidée par un système d'Imagerie de Résonance Magnétique, cette technologie se voit dotée d'une modalité de planification et le suivi en temps réel de la procédure. Les applications actuelles des ultrasons focalisés guidés par IRM sont sur des organes fixes, notamment le cerveau et l'os ou le fibrome utérin. Dans le cas du cœur, d'une part la présence de mouvements cardiaques et respiratoires constitue une difficulté importante, tant pour le traitement ultrasonore (balistique) que pour l'IRM de température (artéfacts sur les images). D'autre part, la cage thoracique joue le rôle de barrière pour la propagation des ultrasons. Dans ce travail de thèse, un ensemble de techniques nouvelles pour l'ablation et la stimulation cardiaque non invasive par ultrasons focalisés guidés par IRM a été développé. Une première étude montre la faisabilité technique de contrôler le rythme cardiaque par des impulsions ultrasonores brèves dirigées vers le myocarde. L'influence des paramètres des impulsions a été étudiée quantitativement sur cœur isolé battant puis in vivo sur un modèle préclinique. Pour cela, un dispositif original a été développé. Une seconde étude présente de nouvelles méthodes rapides d'IRM permettant de cartographier simultanément la température et le déplacement local induit par les ultrasons focalisés. La méthode est validée sur le foie sur un modèle préclinique, et démontre qu'il est possible de corréler la dose thermique obtenue par thermométrie IRM à un changement des propriétés mécaniques des tissus traités mesurés simultanément. Une troisième étude a consisté à développer une technique de mesure de position de la cible en 3D temps réel par quelques éléments de l'émetteur ultrasonore opérant en réception. Cette mesure permet de corriger dynamiquement la position du foyer ultrasonore pour maximiser le dépôt d'énergie au point ciblé, le tout monitoré par thermométrie IRM temps réel à une cadence de 10 images par seconde. Là encore, une validation préclinique est présentée. Ce travail de thèse propose donc des avancées importantes pour lever les verrous actuels de la technologie permettant d'envisager des traitements non invasifs des pathologies cardiaques par voie non invasive, le tout guidé par IRM en temps réel. / High intensity focused ultrasound has the ability to deposit ultrasonic energy locally and non-invasively into biological tissues. It is possible to exploit the mechanical and/or thermal effects according to the ultrasonic parameters used. Guided by a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner, this technology is equipped with a planning modality and real-time monitoring of the procedure. As of now, applications of MRI-guided focused ultrasound are on fixed organs, including brain and bone or uterine fibroid. For the heart, the presence of cardiac and respiratory movements constitutes an important difficulty, both for the ultrasonic (ballistic) treatment and for the temperature monitoring under MRI (artefacts on images). In addition, the rib cage acts as a barrier for the propagation of ultrasounds. In this thesis work, a set of new technological development have been developed for ablation and non-invasive cardiac stimulation using focused MRI-guided ultrasound. A first study shows the technical feasibility of controlling heart rhythm by short ultrasound pulses targeted to the myocardium. The influence of the parameters of the pulses (duration, amplitude, emission time in the cardiac cycle) were studied quantitatively on isolated beating heart then in vivo on a preclinical model. For this, an original device was developed. A second study presents new rapid MRI methods for simultaneously mapping the temperature and local displacement induced by focused ultrasound. The method is validated on the liver on a preclinical model and demonstrates that it is possible to correlate the thermal dose obtained by MR-thermometry with a change in the mechanical properties of the treated tissues measured simultaneously. A third study consisted in developing a technique for measuring the position of the target in 3D real-time using some elements of the ultrasonic transmitter as receivers. This measure allows to dynamically correct the position of the ultrasonic focus to maximize energy deposition at the targeted point. In addition, we monitored in real-time the procedure using MR-thermometry at a rate of 10 images per second. Here again a preclinical validation is presented. This thesis work proposes important advances to remove the current locks of the technology allowing to envision noninvasive treatments of cardiac pathologies, all guided by MRI in real-time.

Plusieurs types cancéreux prolifèrent par leur capacité à exprimer les marqueurs de régulation négative du système immunitaire, tels que les récepteurs PD-L1 et CD80/86 qui inhibent l’activation et la prolifération des lymphocytes T. L’inhibition de ces voies par des anticorps peut ainsi réactiver la réponse immunitaire chez certains patients. D’autres voies de signalisations sont aujourd’hui explorées, incluant la signalisation purinergique (ATP/adénosine) dans la modulation du microenvironnement tumoral. L’adénosine triphosphate extracellulaire (ATPe) est classifiée parmi les molécules de danger extracellulaire et joue un rôle crucial dans l’activation de l’inflammasome NLRP3, un médiateur important de l’activation des réactions pro-inflammatoires. Les ultrasons sont des ondes mécaniques de haute pression capable d’engendrer la cavitation inertielle des microbulles. Il a été démontré que les microbulles (MB) stimulées par ultrasons (US) libèrent de l’ATP dans le muscle squelettique et dans le muscle cardiaque. Nous posons l’hypothèse selon laquelle le traitement US+MB appliqué sur une tumeur de cancer du sein murin (4T1) in vivo peut libérer de l’ATPe localement dans le but d’activer des réactions pro-inflammatoires pour l’immunothérapie du cancer. Dans ce mémoire, nous présentons la quantification du signal d’ATPe d’une culture de cellules 4T1, puis in vivo dans le muscle et dans une tumeur solide sous-cutanée chez la souris à la suite d’une stimulation par US+MB. Nos études démontrent que la thérapie US+MB libère de l’ATP in vitro et in vivo. En comparant le signal découlant de l’injection IM d’ATP avec celui du muscle et des tumeurs post-US+MB, nous pouvons conclure que le traitement US+MB libère une quantité d’ATPe supérieure à 250 µM, ce qui est supérieur à la quantité d’ATPe dans un microenvironnement tumoral et qui persiste pour une durée d’au moins 60 min dans le muscle et 45 min dans la tumeur. La transfection stable de cellules MC38 (carcinome colorectal) à travers le gène PLenti-PmeLUC, codant la synthèse de luciférase sur la face externe de la membrane cellulaire, est explorée afin d’augmenter le rapport signal sur bruit en bioluminescence (annexe A). L’utilisation de POM-1 (inhibiteur pharmacologique de CD39) et l’utilisation de souris knockout du gène CD39 sont discutées pour la suite du projet afin d’inhiber la dégradation de l’ATP extracellulaire (Annexe B). / Several cancer types proliferate due to their ability to express the negative regulatory markers of the immune system (PD-L1 and CD80/86) which inhibit the activation and proliferation of T cells. Inhibition of these pathways by antibodies (anti-PDL-1, anti-PD-1, anti-CTLA-4) can thus reactivate the immune system in some patients. Other signaling pathways are currently being explored, including purinergic signaling (ATP/adenosine) in the modulation of the tumor microenvironment. Extracellular Adenosine triphosphate (eATP) is classified as danger signal plays a critical role in the activation of the NLRP3 inflammasome, an important mediator of the innate immune response. Ultrasound (US) and microbubbles (MB) have been shown to release ATP in skeletal and cardiac muscle. Thus, we hypothesized that US+MB treatment in 4T1 breast cancer cells could locally activate pro-inflammatory responses by releasing an eATP in tumors for cancer immunotherapy. In this thesis, I present the quantification of the eATP signal after US+MB stimulation in vitro (4T1 cell culture), then in muscle and subcutaneous solid tumors in the mouse. Our studies demonstrate that US+MB treatment releases ATP both in vitro and in vivo. In comparison with the IM injection of ATP, we can conclude that US+MB released a large amount of ATP (>250 µM), which is more than the eATP concentration in the untreated tumor microenvironment, and which persisted for at least 60 min in muscle and 45 min in tumor. The stable transfection of MC38 cells (colorectal carcinoma) through the Plenti-PmeLUC gene, encoding the synthesis of luciferase on the external surface of cell membrane is explored to increase the signal to noise ratio in bioluminescence (see appendix A). The use of POM-1 (pharmacological inhibitor of CD39) and CD39 gene knockout mice to inhibit the degradation of eATP signal are discussed for the continuation of the project.

Cette thèse présente des développements techniques et méthodologiques visant une alternative viable pour le traitement des cancers digestifs (rectum, œsophage). Par rapport aux méthodes standards de thérapie, les ultrasons de contact de haute intensité sous guidage IRM sont une approche moins invasive. L’IRM offre 2 avantages: bonne résolution spatiale et contrôle en temps réel de la température. Cette méthode de traitement demande efficacité et sécurité. Trois prototypes d’antenne RF intégrées à des transducteurs ultrasonores ont été réalisés afin d’améliorer la résolution spatiale et temporelle des images IRM et la précision de la mesure de température. Les antennes intégrées ont montré une meilleure sensibilité par rapport à une antenne extra corporelle standard. Des images IRM haute résolution, anatomiques (voxel0.4x0.4x5 mm3) et de thermométrie (voxel 0.75x0.75x8 mm3, 2s/image) ont été acquises in-vivo.La température a été mesurée, dans un rayon de 20 mm au-delà du ballon, avec un écart type<1°C. Les artéfacts de flux causés par l’eau circulante à l’intérieur du ballon de refroidissement ont pu être projetés hors de la région d’intérêt. L’évolution de la température a été contrôlée automatiquement, à des profondeurs variables, avec un point de contrôle par faisceau. Le contrôleur a montré une grande précision in-vivo (écart type <5%). Le transducteur ultrasonore matriciel permet d’activer successivement plusieurs faisceaux pendant la même dynamique de tir.Des simulations ont été conduites afin de proposer une planification du traitement optimale pour une tumeur désignée. Un nouveau concept de sonde ultrasonore à 256 éléments avec focalisation géométrique naturelle a été proposé. / This thesis presents technical and methodological developments aiming tooffer a viable alternative for the treatment of digestive cancers (rectum and esophagus). Compared to the standard methods of therapy, the high intensity contact ultrasound guided by MRI is a less invasive approach. MRI offers 2 advantages: good spatial resolution, and real-time temperature control. This treatment method requires efficacy and safety. Three prototypes of RF coil integrated with ultrasound transducers were built in order to increase the spatial and temporal resolution ofthe MR images, and the accuracy of the temperature measurement. The integrated coils showed a better sensitivity compared to a standard extracorporeal coil. Anatomical (voxel 0.4x0.4x5 mm3)and thermometry (voxel 0.75x0.75x8 mm3, 2s/image) high resolution MR images were acquired in-vivo. The temperature was measured, within a radius of 20 mm from the balloon, with a standard deviation <1°C. The flow artifacts caused by the water circulating inside the cooling balloon could be shifted out of the region of interest. The temperature evolution was controlled automatically, at different depths, with one control point per beam. The controller showed a good accuracy during in-vivo experiments (standard deviation less than 5%). The phased-arrayultra sound transducer permits the successive activation of multiple beams during the same dynamic of sonication. Simulations were conducted in order to offer an optimal treatment planning for a defined tumor. A new design of ultrasound transducer with 256 elements with revolution symmetry, based on a natural geometrical focalization, was proposed.