Rozprawy doktorskie na temat „Quantification tumorale”

La néo-vascularisation a un rôle pivot dans la croissance et la progression tumorale. Nous proposons une méthode d'étude et de quantification de la vascularisation fonctionnelle des tumeurs mammaires (in vivo et chez l'Homme) par échographie-Doppler. Un modèle de tumeurs mammaires chimio-induites chez le rat a été utilisé. Les animaux ayant des tumeurs étaient traités par épirubicine, radiothérapie et TNP-470. Un composant de l'alimentation a par ailleurs été utilisé (l'acide docosahéxaènoi͏̈que DHA) pour étudier son rôle dans la croissance tumorale et sur la vascularisation tumorale. La diminution de la vascularisation par le DHA n'était pas associée à une modification de la cinétique de croissance des tumeurs. Chez les animaux irradiés, les modifications de la vascularisation précédaient la réponse tumorale de 21 jours. Ces modifications accompagnaient la réponse tumorale à la chimiothérapie et étaient indépendantes de la réponse tumorale au TNP-470. Chez l'Homme, sous Docetaxel, ces modifications précoces n'étaient pas prédictives de la chimiosensibilité. La néo-vascularisation est impliquée dans la réponse aux agents anti-cancéreux
Tumour vascularization is implicated in tumour growth and progression. We aimed to study and quantify the functional vascularization of mammary tumours using Doppler-sonography in animal and in Human. A rat autochtonous mammary tumour system was used. Animals were treated by epirubicin, irradiation and TNP-470. Docosahexaenoique acid (DHA), a nutritional compound, was also used to assess its role in tumour growth and in vascularization. Vascular réduction following DHA administration was not associated with any changes in tumour growth. In irradiated rats, vascular changes occured 21 days before tumour shrinkage. Thèse changes in vascularization occured commensurely with tumour shrinkage subséquent to chemotherapy and were independant of tumour shrinkage following TNP-470 administration. In Human, early vascular changes were not predictive of tumour chemosensitivity following docetaxel. Tumour vascularization is involved in tumour response to anti-cancer agents

L’imagerie de perfusion a démontré son intérêt pour le diagnostic et le suivi thérapeutique des tumeurs cérébrales. Les méthodes d’IRM permettant de mesurer la perfusion peuvent être divisées en deux groupes : les méthodes utilisant des agents de contraste intraveineux et celles qui n’en utilisent pas. Les applications cliniques concernant cette modalité d’imagerie sont encore en évaluation. Après des rappels sur les tumeurs cérébrales, sur l’angiogenèse et les propriétés des produits de contraste, il nous est apparu intéressant de faire le point sur les principales techniques d’imagerie par résonance magnétique de perfusion (IRM), de décrire les différentes séquences d’acquisition et les méthodes d’analyse des images de perfusion. Dans une seconde partie trois études cliniques réalisées en imagerie de perfusion de premier passage, en perméabilité et en perfusion sans injection de produit de contraste sont détaillées, et permettent de caractériser différents types de tumeurs cérébrales (e. G. , méningiomes, glioblastomes). Ces études démontrent bien l’intérêt clinique d’utiliser l’IRM de perfusion pour un meilleur diagnostic des lésions encéphaliques
The perfusion imaging has shown its interest in the diagnosis and therapeutic monitoring of brain tumors. The MRI methods to measure the perfusion can be divided into two groups: methods using intravenous contrast agents and those not using them. The clinical applications on this imaging are still evaluating. After reminders on brain tumors, on angiogenesis and on contrast agent’s properties, we present the basic techniques of magnetic resonance imaging perfusion (MRI),and describe the different sequences acquisitions and analysis methods of perfusion images. In a second part three clinical studies using dynamic susceptibility contrast MR perfusion imaging, permeability and perfusion without injection of contrast are detailed and allow to characterize different types of brain tumors (eg, meningiomas, glioblastomas) These studies demonstrate the clinical use of MRI perfusion for a better diagnosis of encephalic tumors

Cette thèse présente des travaux de modélisation mathématique de la croissance tumorale. On détaille dans ce manuscrit la construction d’indicateurs de bio-imagerie, destinés à quantifier l’hétérogénéité tumorale. Un modèle d’équations aux dérivées partielles constitué de deux types de cellules tumorales est étudié par la suite. Le paramétrage de ce modèle est propre à chaque patient et à chaque lésion. Il est effectué grâce à des données d’imagerie médicale (IRM ou scanner), ce qui constitue une méthode non invasive pour le patient. Les indicateurs ainsi que le modèle décrit ont été utilisés dans le cadre du suivi des métastases des lésions rénales de 5 patients traités avec un médicament anti-angiogénique. Enfin, la dernière partie a pour objectif de distinguer différents types de lésions rénales (malignes ou non) grâce à l’imagerie afin de limiter les chirurgies inutiles. On s’est particulièrement attaché à distinguer les carcinomes rénaux à cellules claires des angiomyolipomes pauvres en graisse
This document deals with mathematical modelling of tumour growth. Biological indicators based on medical images are constructed in order to quantify tumoral heterogeneity. In the first part, a partial differential equations model made of two distinct cell subtypes is being studied. The model’s parameters are unique for each patient and each lesion. They are computed thanks to medical images (MRI or scan), which is a non-invasive method for the patient. Both the indicators and the model described are used on the cases of 5 patients treated with an anti-angiogenic medicine. The last part of the document aims at distinguishing different renal tumour subtypes that can be malignant or benign. Angiomyolipomas and renal cells carcinomas were particulary studied in the last part of the document

Caractériser précisément l’hétérogénéité tumorale constitue un enjeu majeur en cancérologie. Le calcul de biomarqueurs de cette hétérogénéité directement à partir des données d’imagerie présente de nombreux avantages : il est non-invasif, répétable plusieurs fois au cours du traitement, ne nécessite pas d’examen supplémentaire et permet de caractériser la tumeur toute entière et ses éventuelles métastases. Mon projet de recherche visait à développer et évaluer des méthodes pour une caractérisation plus complète de l’activité métabolique des tumeurs. L’analyse de texture des images TEP nécessite un protocole de calcul des index plus complexe que celui des paramètres conventionnels utilisés en clinique. Afin de déterminer l’influence des étapes préliminaires au calcul de ces index, une étude méthodologique a tout d’abord été menée. Cette analyse a montré que certains index de texture étaient redondants et qu’il existait une forte corrélation entre certains d’entre eux et le volume métabolique. Elle a également mis en évidence l’impact de la formule et du taux de discrétisation sur les valeurs des paramètres de texture et permis de clarifier l’interprétation des indices. Après avoir établi un protocole de calcul strict, une seconde partie de ce travail a consisté à évaluer la capacité de ces index pour la caractérisation des tumeurs. L’analyse de texture a ainsi permis de différencier les tissus sains des tissus tumoraux et de distinguer les types histologiques pour les tumeurs mammaires, les lésions pulmonaires ou encore les gliomes.Afin de comprendre le lien entre l’hétérogénéité tumorale quantifiée sur les images TEP et l’hétérogénéité biologique des lésions, nous avons comparé l’analyse de texture réalisée à différentes échelles sur un modèle animal. Cette étude a révélé que la texture mesurée in vivo sur les images TEP reflétait la texture mesurée ex vivo sur les images autoradiographiques
The precise characterization of the biological heterogeneity of a tumor is a major issue in oncology. The calculation of biomarkers reflecting this heterogeneity directly from imaging data offers a number of advantages: it is non-invasive, can be repeated during the therapy, does not require supplementary examinations and the whole tumor and possible metastases can be investigated from the images. My research project was to develop and assess methods to characterize the metabolic activity distribution in tumors.Texture analysis based on PET images requires a protocol to compute index that is somehow more sophisticate than when simply measuring the conventional index used in clinical practice. To determine the role of the different steps that are involved in the computation of texture index, a methodological study was conducted. This study demonstrated that some texture parameters were redundant and that there existed a strong correlation between some of them and the metabolic volume. We have also shown that the formula and the rate of discretization impact the texture analysis and clarified the interpretation of these metrics. After the protocol of texture index computation has been established, the second part of this work was to assess the interest of these indices for the tumor characterization. We showed that some texture indices were different in tumor and in healthy tissue and could identify histological types such as the triple-negative breast tumors, the squamous cell carcinoma from adenocarcinoma in lung tumors, as well as the grade of gliomas.To understand the links between the tumor heterogeneity as measured from PET images and the biological heterogeneity of lesions, we compared the texture analysis based on different scales in a mouse model. This study revealed that the texture measured in vivo based on PET images reflects the texture measured ex vivo from autoradiographic images

La tomographie d'émission de positons (TEP) est une technique d'imagerie médicale jouant un rôle prépondérant en oncologie. Cependant, les images TEP souffrent d'une résolution spatiale médiocre et d'un niveau de bruit élevé. De ce fait, la caractérisation des lésions tumorales n'a toujours pas fait l'objet de consensus, et de nombreuses méthodes sont sans cesse proposées par la communauté. Une méthode de simulation Monte Carlo a été développée pour produire des images TEP de patients atteints de cancer, indiscernables des images cliniques, et pour lesquelles tous les paramètres sont maîtrisés. La simulation d'un groupe de patients a permis d'évaluer 14 méthodes de quantification dans des conditions réalistes. La méthode proposée a aussi été étendue pour simuler des examens TEP successifs de patients, dans le cadre du suivi thérapeutique, en incluant une modélisation de l'évolution tumorale, et de la variation au cours du temps de la distribution d'activité physiologique non-tumorale. La capacité des simulations Monte Carlo a ensuite été exploitée pour élaborer un modèle précis des phénomènes physiques de détection et l'incorporer dans la reconstruction tomographique. La méthode de reconstruction résultante a été comparée à diverses méthodes de la littérature, sur la base de jeux de données simulées et d'acquisitions cliniques. Nous avons ainsi prouvé la supériorité de la méthode proposée par rapport aux approches équivalentes sur les données simulées, et montré sa robustesse sur les données cliniques. L'utilisation de cette méthode permettra d'améliorer la précision des mesures quantitatives effectuées en routine clinique
Positron emission tomography (PET) is a medical imaging technique that plays a major role in cancer diagnosis and cancer patient monitoring. However, PET images suffer from a modest spatial resolution and high noise. As a result, there is no consensus on how the metabolically active tumour volume and the tumour uptake should be characterized. Ln the meantime, research groups keep producing new methods for tumour characterization based on PET images, which need to be assessed in realistic conditions. A Monte Carlo simulation based method has been developed to produce PET images of cancer patients that are indistinguishable from clinical images, and for which all parameters are known. Fourteen quantification methods were compared in realistic conditions using a group of patient data simulated using this method. Ln addition, the proposed method was extended to simulate serial PET scans in the context of patient monitoring, including modelling of tumour changes and variability over time of non-tumour physiological uptake. Ln a second part of the work, Monte Carlo simulations were used to study the detection probability inside the crystals of the tomograph. A model of the crystal response was derived and included in the system matrix involved in tomographic reconstruction. The resulting reconstruction method was compared with other sophisticated methods proposed in the literature. Using simulated data, we demonstrated that the proposed method improved the noise/resolution trade-off over equivalent approaches. We illustrated the robustness of the method using clinical data. The proposed method might lead to an improved accuracy in tumour characterization from PET images

A l’ère de la médecine personnalisée, de la génomique et des thérapies ciblées, les outils quantitatifs en imagerie médicale, et en particulier en imagerie fonctionnelle par Tomographie par Emission de Positons (TEP), apparaissent incontournables. Au-delà de la mesure de l’intensité de la fixation, il est possible de disposer d’index quantitatifs caractérisant l’ensemble du volume tumoral métabolique et d’en évaluer l’hétérogénéité. L’objectif de ce travail a été d’étudier la valeur de nouveaux indices quantitatifs en imagerie TEP, permettant une analyse plus globale de la tumeur. Une première partie du travail est méthodologique et concerne la caractérisation et la compréhension de l’hétérogénéité tumorale à partir de l’image métabolique, étape ayant permis d’identifier les indices de texture les plus pertinents pour les applications cliniques. Deux séries de patients seront ensuite utilisées pour explorer l’apport de ces indices volumétriques et de texture. Pour des cancers pulmonaires, nos résultats suggèrent que la mesure de l’hétérogénéité tumorale reflète des caractéristiques histologiques de la tumeur. Une deuxième série de résultats montrent que les mesures de volumes métaboliques sont des critères plus pertinents que les indices conventionnels pour l’évaluation des chimiothérapies néoadjuvantes au cours des cancers pulmonaires de stade localement avancé. Une corrélation entre les modifications quantitatives sous traitement et les résultats histologiques post-thérapeutiques a permis de valider l’utilisation de ces indices. Dans les cancers mammaires, nos résultats suggèrent que les tumeurs présentant des signes histologiques d’agressivité, notamment les tumeurs de phénotype triple négatif, présentent une texture plus hétérogène que les autres types. Ainsi, nos travaux montrent qu’une approche quantitative plus globale de la tumeur en imagerie TEP permet d’améliorer l’évaluation pronostique pré-thérapeutique et sous traitement des cancers
In the era of personalized medicine, genomics and targeted therapies, the availability of quantitative tools assisting the interpretation of medical images is essential. In Positron Emission Tomography (PET), beyond measurements of uptake intensity, it is possible to derive quantitative index characterizing the metabolic volume or the tumoral heterogeneity. The objective of this work was to investigate the value of new quantitative indices to enhance PET imaging, allowing for a more comprehensive analysis of the whole tumor. The first part of the work deals with methodological issues associated with the measurement of tumor heterogeneity using textural index. In particular, we identified the most robust and informative textural index for clinical applications. Two sets of patients have then been used to explore the contribution of metabolic volume and texture analysis in PET. In lung cancer patients, our results suggest that the measurement of tumor heterogeneity gives some information regarding the histological features of the tumor. A second set of results shows that metabolic volume is more relevant than conventional indices for evaluating the impact of neoadjuvant chemotherapy in locally advanced stages. A correlation between quantitative changes during treatment and post-treatment histology results was used to demonstrate the relevance of these indices. In breast cancer patients, our results suggest that tumors with aggressive immunohistological patterns, particularly triple-negative phenotype, have a more heterogeneous texture than other types. In summary, our results suggest that a more comprehensive quantitative characterization of the metabolic activity distribution in tumor using PET imaging improves the pre-therapeutic and prognostic evaluation of cancer

L’utilisation de nanoparticules de haut numéro atomique pour potentialiser les effets de la radiothérapie fait l’objet de nombreux travaux de recherches. Historiquement, l’intérêt porté à ces nanoparticules repose sur un principe d’action physique : en densifiant la matière, les nanoparticules localisées dans une tumeur augmentent localement la probabilité d’interaction des rayonnements ionisants avec celle-ci. L’augmentation de la dose délivrée localement serait alors associée à un stress oxydatif et à une augmentation des lésions de l’ADN. Ainsi la radio-sensibilisation liée aux nanoparticules permettrait d’une part de lutter contre la radio-résistance et d’autre part d’améliorer l’index thérapeutique. La radiothérapie constitue l’un des piliers du traitement du cancer du sein. Néanmoins, les tumeurs mammaires sont hétérogènes et plusieurs sous populations coexistent avec des sensibilités différentes aux traitements. Les cellules souches cancéreuses (CSC) et le processus de transition épithélio-mésenchymateuses (TEM) contribuent principalement à cette hétérogénéité et confèrent aux cellules tumorales des propriétés de plasticité, de tumorogénicité et de résistance à la mort cellulaire. Dans le cas particulier du cancer du sein, les cellules issues de la TEM et les cellules souches cancéreuses partagent un même phénotype surfacique caractérisé par la perte d’expression de la protéine membranaire CD24 et la surexpression de CD44. Ce travail de thèse vise à évaluer l’efficacité de nanoparticules métalliques de nature (or, platine), de taille (5 à 35 nm) et de charges (positives, négatives) différentes comme agents potentialisateurs des effets de l’irradiation sur des modèles de tumeurs mammaires aux statuts épithélio-mésenchymateux différents. Face à la difficulté à mettre en évidence un effet biologique significatif du double traitement in vitro, j’ai cherché à comprendre quels paramètres physiques, chimiques et biologiques sont nécessaires pour observer l’effet radiosensibilisant. L’un des principaux enjeux a été de parvenir à une bonne diffusion des nanoparticules au sein des tumeurs. Pour comprendre les mécanismes, nous avons comparé la réponse transcriptomique de cellules cancéreuses mammaires, au fond génétique commun mais de phénotype épithélial ou mésenchymateux (triées selon leur niveau d’expression CD24/CD44), exposées à un groupe de nanoparticules de composition physico-chimique différente de manière à s’affranchir d’un l’effet qui serait spécifique à une nanoparticule. L’analyse du transcriptome souligne l’importance des structures membranaires et extracellulaires dans la reconnaissance et l’interaction préférentielle des nanoparticules avec les cellules mésenchymateuses. Ces résultats sont d’autant plus importants que l’identification de gènes et de mécanismes clés favorisant l’accumulation de nanoparticules dans les cellules cancéreuses les plus résistantes aux traitements devrait permettre d’améliorer la conception de nouvelles nanoparticules à haut potentiel thérapeutique
The use of high-Z nanoparticles to enhance radiotherapy effects has gained momentum over the last decade. Historically, as nanoparticles increase tumor density, they were thought to improve radiation dose by locally increasing the probability of interactions with ionizing radiations. Local dose enhancement is then associated with increased oxidative stress and DNA damage. Therefore, radiosensitization with nanoparticles could impair radioresistance as well as improve therapeutic index. Radiotherapy is a cornerstone of breast cancer treatment. However, mammary tumors are heterogeneous and comprise distinct populations of cancer cells that respond differently to treatments. Cancer stem cells (CSC) and epithelial to mesenchymal transition (EMT) are major factors contributing to cancer cells plasticity, tumor heterogeneity, and escape from programmed cell death (apoptosis). In breast cancer, both CSC and cells undergoing EMT are characterized by the expression of two surface markers CD24 and CD44 (CD24-/low, CD44 high). This work aims to evaluate the efficiency of high-Z nanoparticles of different nature (gold, platinum), different size (from 5 to 35 nm) and different surface charge (positive and negative) as potent radiosensitizer on several breast cancer models of different epithelial or mesenchymal state. As no significant change could initially be observed in vitro following the combination of nanoparticles with radiation compared to radiation alone, I gain insight on the influence of physical, chemical and biological parameters required for characterizing radio-enhancement. Among them, I focused on improving the diffusion of nanoparticles and their internalization in tumor cells. I showed that nanoparticles uptake by breast cancer cells was depending on their mesenchymal state: nanoparticle internalization by cancer cells is dramatically increased in mesenchymal-like cancer cells compared to epithelial-like cells across a panel of several breast cancer cell lines. Importantly this discrepancy was not affected by the charge, size or surface chemistry of the nanoparticles themselves. This strongly suggests a cell-dependent mechanism, in opposition to the current paradigm that nanoparticles uptake is mainly governed by their inherent physical/chemical properties. This study emphasized the importance of membrane and extracellular structures in nanoparticle recognition and preferential interaction with cells. Our results are of peculiar interests as the identification of genes or mechanisms facilitating nanoparticles accumulation into radioresistant cancer cells could further conception of promising therapeutic nanoparticles

L’échographie dynamique de contraste (DCE-US) est actuellement proposée comme technique d’imagerie fonctionnelle permettant d’évaluer les nouvelles thérapies anti-angiogéniques. Dans ce contexte, L'UPRES EA 4040, Université Paris-Sud 11, et le service d'Echographie de l'Institut Gustave Roussy ont développé une méthodologie permettant de calculer automatiquement, à partir de la courbe de prise de contraste moyenne obtenue dans la tumeur après injection en bolus d’un agent de contraste, un ensemble de paramètres semi-quantitatifs. Actuellement, l’état hémodynamique du patient ou encore les conditions d’injection du produit de contraste ne sont pas pris en compte dans le calcul de ces paramètres à l’inverse d’autres modalités (imagerie par résonance magnétique dynamique de contraste ou scanner de perfusion). L’objectif de cette thèse était donc d’étendre la méthode de déconvolution utilisée en routine dans les autres modalités d’imagerie à l’échographie de contraste. Celle-ci permet de s’affranchir des conditions citées précédemment en déconvoluant la courbe de prise de contraste issue de la tumeur par la fonction d’entrée artérielle, donnant ainsi accès aux paramètres quantitatifs flux sanguin, volume sanguin et temps de transit moyen. Mon travail de recherche s’est alors articulé autour de trois axes. Le premier visait à développer la méthode de quantification par déconvolution dédiée à l’échographie de contraste, avec l’élaboration d’un outil méthodologique suivie de l’évaluation de son apport sur la variabilité des paramètres de la microvascularisation. Des évaluations comparatives de variabilité intra-opérateur ont alors mis en évidence une diminution drastique des coefficients de variation des paramètres de la microvascularisation de 30% à 13% avec la méthode de déconvolution. Le deuxième axe était centré sur l’étude des sources de variabilité influençant les paramètres de la microvascularisation portant à la fois sur les conditions expérimentales et sur les conditions physiologiques de la tumeur. Enfin, le dernier axe a reposé sur une étude rétrospective menée sur 12 patients pour lesquels nous avons évalué l’intérêt de la déconvolution en comparant l’évolution des paramètres quantitatifs et semi-quantitatifs de la microvascularisation en fonction des réponses des tumeurs obtenues par les critères RECIST à partir d’un scan effectué à 2 mois. Cette méthodologie est prometteuse et peut permettre à terme une évaluation plus robuste et précoce des thérapies anti-angiogéniques que les méthodologies actuellement utilisées en routine dans le cadre des examens DCE-US
Dynamic contrast-enhanced ultrasonography (DCE-US) is currently used as a functional imaging technique for evaluating anti-angiogenic therapies. A mathematical model has been developed by the UPRES EA 4040, Paris-Sud university and the Gustave Roussy Institute to evaluate semi-quantitative microvascularization parameters directly from time-intensity curves. But DCE-US evaluation of such parameters does not yet take into account physiological variations of the patient or even the way the contrast agent is injected as opposed to other functional modalities (dynamic magnetic resonance imaging or perfusion scintigraphy). The aim of my PhD was to develop a deconvolution process dedicated to the DCE-US imaging, which is currently used as a routine method in other imaging modalities. Such a process would allow access to quantitatively-defined microvascularization parameters since it would provide absolute evaluation of the tumor blood flow, the tumor blood volume and the mean transit time. This PhD has been led according to three main goals. First, we developed a deconvolution method involving the creation of a quantification tool and validation through studies of the microvascularization parameter variability. Evaluation and comparison of intra-operator variabilities demonstrated a decrease in the coefficients of variation from 30% to 13% when microvascularization parameters were extracted using the deconvolution process. Secondly, we evaluated sources of variation that influence microvascularization parameters concerning both the experimental conditions and the physiological conditions of the tumor. Finally, we performed a retrospective study involving 12 patients for whom we evaluated the benefit of the deconvolution process: we compared the evolution of the quantitative and semi-quantitative microvascularization parameters based on tumor responses evaluated by the RECIST criteria obtained through a scan performed after 2 months. Deconvolution is a promising process that may allow an earlier, more robust evaluation of anti-angiogenic treatments than the DCE-US method in current clinical use

Les nucléotides, terme regroupant les nucléosides monophosphate, diphosphate et triphosphate, sont impliqués dans de nombreux processus cellulaires. Ils représentent les éléments constitutifs des acides nucléiques, fournissent de l'énergie à des réactions métaboliques, jouent le rôle de transporteurs et seconds messagers. L'exploration des pools nucléotidiques apparaît indispensable afin de connaître leur rôle précis dans des situations physiologiques ou pathologiques. Nous avons développé une méthode de dosage des nucléotides endogènes (formes mono-, di- et triphosphate) par extraction en ligne sur colonne WAX couplée à la LC-MS/MS. La séparation analytique est réalisée sur colonne Hypercarb, sans agent de paire d'ions dans la phase mobile. Grâce à l'utilisation d'un triple quadripôle et une ionisation en mode positif, les nucléotides endogènes sont identifiés sans équivoque, y compris ceux possédant la même masse molaire. L'extraction et la séparation des nucléotides sont réalisées en 20 min. L'ensemble de la méthode, en comptant la ré- équilibration des colonnes, dure 37 min. La méthode de dosage a été validée pour les formes mono- et triphosphate et est applicable à des séries d'une vingtaine d'échantillons biologiques. D'autre part, dans une étude pré-analytique basée sur les plans d'expériences, nous avons comparé les conditions de préparation d'échantillons en vue du dosage de nucléotides intracellulaires dans 4 lignées cellulaires : 2 adhérentes (Messa et NCI-H292) et 2 en suspension (RL et L1210). Nous avons montré que les conditions pré-analytiques optimales dépendent de la lignée cellulaire soulignant ainsi l'importance de cette phase dans l'analyse des nucléotides. Enfin, l'expérience et les connaissances acquises lors du développement de la méthode de dosage des nucléotides ainsi que la large palette de molécules analysables avec cette méthode (nucléosides, nucléotides sucrés, autres métabolites), nous ont permis de développer des collaborations dans le domaine de la cancérologie avec différentes équipes de recherche. Par exemple, nous avons étudié l'implication des pools nucléotidiques dans le stress réplicatif induit par le stress oxydant et dans la reprogrammation cellulaire observée dans les cellules cancéreuses. Ainsi, les informations apportées par notre approche analytique, complémentaires des autres approches utilisées, ont montré l'implication des pools nucléotidiques dans la tumorigénèse. En conclusion, ce travail a permis de développer une technique analytique et de mettre en place une méthode de travail pour le dosage des nucléotides endogènes dans différents milieux biologiques
Nucleotides, term including nucleoside mono-, di- and triphosphates, are endogenous compounds playing various roles in biology. They are components of nucleic acids, provide energy to metabolic reactions and act as carriers or second messenger. The study of endogenous nucleotides has become of great interest in physiological and pathological conditions. We developed a method for the quantification of endogenous nucleotides, using an on-line extraction on a WAX column coupled with LC-MS/MS. Analytical separation is performed on a Hypercarb column, without ion pairing agent in the mobile phase. The use of a triple quadrupole mass spectrometer following positive mode ionization allows the unambiguous identification of nucleotides presenting the same mass. Extraction and separation of nucleotides are achieved within 20 min and the method including re-equilibration of the two columns within 37 min. The method was validated for the quantification of nucleoside mono- and triphosphates, and could be applied to series of more than twenty biological samples. Secondly, in a study based on design of experiments, pre-analytical parameters influencing results of intracellular nucleotides were compared in four cell lines. We demonstrated that optimal pre-analytical parameters depend on cell lines. This clearly highlights the importance of pre- analytical conditions for the quantification of intracellular nucleotides to be as representative as possible of the real levels in cells. Then, thanks to experience acquired during the development and the validation of the analytical method, scientific collaborations have been established with several cancer research teams. For example, implication of nucleotide metabolism in replicative stress induced by oxidative stress or in the metabolic reprogramming in cancer cells was studied. Results obtained by our analytical approach were complementary to those obtained by other techniques. To conclude, our work consisted on the study of the entire workflow for the analysis of endogenous nucleotides in various biological samples

Les glioblastomes sont les tumeurs cérébrales les plus fréquentes avec une incidence en France de l'ordre de 4 nouveaux cas par an et pour 100 000 habitants (2400/ an). Le traitement standard pharmacologique des glioblastomes nouvellement diagnostiqués consiste en première ligne en une administration de témozolomide (75 mg/m2/j) pendant la radiothérapie, suivie d’une consolidation de 6 cycles. Cependant, malgré ce traitement, la médiane de survie n’est que de 15 mois et de 3 à 9 mois pour les rechutes. De nouvelles approches thérapeutiques sont donc indispensables. Parmi elles, ont été évalués le recours à d’autres chimiothérapies (irinotecan) et à l’inhibition de l’angiogénèse. L'angiogenèse est en effet un processus critique dans la progression GBM. L'inhibition de l'angiogenèse, induisant une réduction des vaisseaux sanguins, permet une diminution de l’apport des nutriments et d'oxygène à la tumeur. De manière générale, l’efficacité des traitements du glioblastome est soumise, dans un premier temps, à leur passage intra-cérébral au travers de la barrière hémato-encéphalique (BHE). L’objectif de notre travail était d’une part d’étudier l’impact de l’expression du transporteur d’efflux ABCB1 sur la distribution cérébrale du témozolomide (TMZ) et de l’irinotecan (CPT-11), et d’autre part, d’évaluer le rôle du bevacizumab (BVZ)(inhibiteur de l’angiogénèse) dans la modulation du passage intra-cérébral et intra-tumoral du TMZ et du CPT-11. A l'aide d'une étude pharmacocinétique comparative chez les souris CF1 mdr1a (+/+) et les souris CF1 mdr1a (-/-), nous avons mis en évidence un efflux actif du TMZ, du CPT-11 et de son métabolite actif le SN-38 du cerveau vers le plasma, impliquant ABCB1 au niveau de la BHE. Nous avons également démontré in vivo que le TMZ s'accumule dans la tumeur cérébrale et que le prétraitement par BVZ augmente la distribution tumorale de TMZ. En revanche, le BVZ n’a montré aucun effet sur la distribution cérébrale ou tumorale du CPT-11. Le BVZ apparaitrait donc comme un moyen intéressant d’augmenter la distribution intratumorale du TMZ. Dans ce même objectif, une collaboration initiée dans le cadre de cette thèse a permis de mettre en évidence l’intérêt de l’utilisation d’ultrasons dans l’ouverture de la BHE et l’amélioration de la distribution cérébrale des médicaments
Glioblastomas are the most common brain tumors occurring in France with an incidence of 4 new cases per year per 100 000 population (2400/year). The gold standard pharmacological treatment of newly diagnosed glioblastoma relies on temozolomide administration (75 mg/m2/d) concomitant to radiotherapy, followed by six cycles consolidation. However, despite this treatment, the median survival is only 15 months and relapse occurs within 3 to 9 months. New therapeutic approaches are needed. Among them, other chemotherapies (irinotecan) and inhibition of angiogenesis were explored. Angiogenesis is a critical process in GBM progression. Inhibition of angiogenesis, inducing a reduction of the blood vessels, reduces supply of nutrients and oxygen to the tumor. The effectiveness of GBM treatment is subjected to intra-brain diffusion through the blood-brain barrier. The objective of this study was firstly to study the impact of efflux transporter ABCB1 brain expression on temozolomide (TMZ) and irinotecan (CPT-11) brain distribution, and secondly, to assess the role of bevacizumab (BVZ)(angiogenesis inhibitor) in the modulation of TMZ and CPT-11 brain and tumor distribution. Using a comparative pharmacokinetic study in CF1 mdr1a (+/+) and CF1 mdr1a (-/-) mice, we demonstrated an active efflux of TMZ, CPT-11 and its active metabolite SN-38 from the brain to the plasma involving ABCB1. We also demonstrated in vivo that TMZ accumulates in brain tumor and BVZ pretreatment increased TMZ tumor distribution. However no effect of BVZ on CPT-11 brain or tumor distribution was evidenced. Therefore BVZ would appear to be an interesting way to increase TMZ tumor distribution. The same objective was pursued through a different approach using ultrasound unfocused to open the BBB (Carthera collaboration)

Le cancer du sein est une pathologie fréquente pour lequel les examens TEP/TDM au ¹⁸F-FDG et IRM mammaire sont fréquemment réalisés en routine. Il existe cependant une sous-utilisation des informations apportées par chacune de ces techniques d'imagerie. En pratique, l’interprétation de ces examens est principalement basée sur l’analyse visuelle et l'analyse « quantitative » se résume généralement au SUVmax seul en TEP/TDM et à l’étude du rehaussement du signal après injection de produit de contraste en IRM mammaire (DCE-MRI). L’arrivée de nouvelles machines hybrides TEP/ IRM, nous a amené à évaluer l'apport d’une quantification avancée des images issues de chacune de ces modalités séparément et en combinaison. Cela rejoint un domaine en expansion « la radiomique » qui consiste à extraire un grand nombre de caractéristiques quantitatives des images médicales pour décrypter l’hétérogénéité tumorale ou améliorer la prédiction du pronostic.L’objectif de notre travail était d’étudier l’apport des données radiomiques extraites de l’imagerie TEP au ¹⁸F-FDG et de l’IRM avec injection de produit de contraste réalisées avant traitement pour caractériser l’hétérogénéité tumorale dans le cancer du sein, en prenant en compte les différents sous-types moléculaires de cancer du sein, à savoir les tumeurs luminales (Lum A, Lum B HER2- et Lum B HER2+), triple-négatives et HER2+. Une importance particulière a été portée sur la valeur prédictive des informations radiomiques extraites de ces 2 techniques d’imagerie pour prédire le pronostic dans un groupe de patientes traitées par chimiothérapie néo-adjuvante. L’influence de variations physiologiques telles que l’âge sur le calcul des données radiomiques dans le tissu mammaire normal et cancéreux séparément a également été explorée, de même que la variabilité multicentrique des index radiomiques. L’extraction de ces données radiomiques a été effectuée grace au logiciel LiFex développé au sein du laboratoire IMIV sur une base de données-patientes recueillie en rétrospective.Nous avons rapporté pour la première fois l’influence de l’âge sur le calcul des indices « radiomiques » en TEP dans le tissu mammaire sain dans 2 institutions différentes mais aussi dans les tumeurs mammaires notamment celle triple-négatives. Des associations significatives entre le « phénotype tumoral radiomique » en imagerie TEP et IRM et des données pronostiques reconnues dans le cancer du sein ont été mises en évidence. En outre, nous avons démontré l’existence d’une grande variabilité pour le « profil radiomique » en TEP parmi les tumeurs présentant le même sous-type moléculaire. Cela suggére l’existence d’informations non-redondantes au sein du « phénotype tumoral métabolique » de chaque tumeur mammaire défini par les données radiomiques. L’exploration de cette variabilité s’est révélée intéressante pour améliorer la prédiction de la réponse histologique chez les patientes avec des tumeurs triple-négatives traitées par chimiothérapie néo-adjuvante. Par ailleurs, les mesures effectuées dans la région mammaire péri-tumorale chez les patientes traitées par chimiothérapie néo-adjuvante se sont montrées prédictives pour les patientes avec des tumeurs Lum B HER2-. En IRM nous avons montré l’importance de standardiser la méthode de mesure des caractéristiques radiomiques. Nous avons observé que les caractéristiques radiomiques issues des images DCE-MRI étaient moins associées aux caractéristiques moléculaires des tumeurs et avaient une valeur prédictive moindre. Nous avons également proposé une nouvelle méthode relativement standardisée pour le calcul des données radiomiques en IRM mammaire avec des résultats intéressants mais cette méthode doit encore être optimisée. Cependant, nos résultats suggèrent que les données extraites de la totalité du volume tumorale en IRM compléteraient efficacement les caractéristiques radiomiques TEP et le sous-type moléculaire pour prédire la réponse à la chimiothérapie néo-adjuvante
Breast cancer is a common disease for which ¹⁸F-FDG PET/CT and breast MRI are frequently performed in routine practice. However, the different information provided by each of these imaging techniques are currently under-exploited. Indeed, in routine the interpretation of these scans is mainly based on visual analysis whereas the « quantitative » analysis of PET/CT data is generally limited to the sole use of the SUVmax while in breast MRI, simple parameters to characterize tumor enhancement after injection of contrast medium are used. The advent of PET/MRI machines, calls for an evaluation of the contribution of a more advanced quantification of each of the modalities separately and in combination in the setting of breast cancer. This is along with the concept of « Radiomics » a field currently expanding and which consists in extracting many quantitative characteristics from medical images used in clinical practice to decipher tumor heterogeneity or improve prediction of prognosis. The aim of our work was to study the contribution of radiomic data extracted from ¹⁸F-FDG PET and MRI imaging with contrast injection to characterize tumor heterogeneity in breast cancer taking into account the different molecular subtypes of breast cancer, namely luminal (Lum A, Lum B HER2- and Lum B HER2 +), triple-negative and HER2 + tumors. In this context, we focused on the prediction of prognosis in patients treated with neo-adjuvant chemotherapy. The influence of physiological variations such as age on the calculation of radiomic data in normal breast and breast tumors separately was also explored, as well as the multi-center variability of radioman features. Radiomic features were extracted using the LiFex software developed within IMIV laboratory. The patient database used for the studies were all retrospective data. We reported for the first time the influence of age on the values of radiomic features in healthy breast tissue in patients recruited from 2 different institutions but also in breast tumors especially those with a triple-negative subtype. Similarly, significant associations between the radiomic tumor phenotype in PET and MRI imaging and well-established prognostic factors in breast cancer have been identified. In addition, we showed a large variability in the PET « radiomic profile » of breast tumors with similar breast cancer subtype suggesting complementary information within their metabolic phenotype defined by radiomic features. Moreover, taking into account this variability has been shown to be of particular interest in improving the prediction of pathological response in patients with triple-negative tumors treated with neoadjuvant chemotherapy. A peri-tumoral breast tissue region satellite to the breast tumor was also investigated and appeared to bear some prognostic information in patients with Lum B HER2- tumors treated with neoadjuvant chemotherapy. In MR, we demonstrated the need to harmonize the methods for radiomic feature calculation. Overall, we observed that radiomic features derived from MR were less informative about the molecular features of the tumors than radiomic features extracted from PET data and were of lower prognostic value. Yet, the combination of the enhanced tumor volume in MR with a PET radiomic feature and the tumor molecular subtype yielded enhanced the accuracy with which response to neoadjuvant therapy could be predicted compared to features from one modality only or molecular subtype only

L'objectif de cette thèse est de développer l'imagerie de transfert de saturation des agents de contraste lipoCEST pour la détection de l'angiogenèse dans un modèle souris de tumeur cérébrale U87. Un lipoCEST offrant un seuil de sensibilité in vitro de 100 pM est optimisé afin de répondre aux contraintes de l'imagerie CEST in vivo. Grâce à la mise en place d'un dispositif expérimental dédié à l'imagerie CEST, nous évaluons les performances des lipoCEST pour détecter de façon spécifique l'angiogenèse tumorale. Nous montrons pour la première fois qu'il est possible de détecter un lipoCEST in vivo dans un cerveau de souris suite à une injection intraveineuse. De plus, l'utilisation d'un lipoCEST fonctionnalisé avec un peptide RGD permet de cibler spécifiquement l'intégrine ανβ3 surexprimée lors de l'angiogenèse tumorale. L'association spécifique du RGD-lipoCEST est confirmée grâce à des données d'immunohistochimie et de microscopie de fluorescence. Enfin, dans le but de tendre vers un protocole d'imagerie moléculaire par IRM-CEST, nous mettons en place un outil de quantification des lipoCEST. Cet outil repose sur la modélisation des processus d'échange de protons in vivo. Grâce à la prise en compte des inhomogénéités de champs B0 et B1 qui peuvent se révélées être délétères pour le contraste CEST, nous démontrons que la précision de notre outil de quantification est de 300 pM in vitro. La quantification des données CEST acquises chez la souris U87 permet d'estimer à 1,8 nM la concentration maximale en RGD-lipoCEST liés à leur cible moléculaire.

Le processus metastatique reste une des causes majeures de l'echec des traitements anticancereux. Les differentes etapes impliquees dans la formation de metastases font intervenir la migration cellulaire. De nombreuses etudes s'interessent a la correlation pouvant exister entre l'invasion tumorale et la migration cellulaire. Nous avons utilise une methode de quantification basee sur une approche de flot optique qui permet d'estimer le mouvement a partir de sequences d'images en contraste de phase sans segmentation prealable. Nous avons valide la pertinence de cette approche sur des images de synthese puis dans differents contextes biologiques : au niveau individuel ou nous avons observe l'existence d'une periodicite dans la deformation spontanee de cellules et au niveau de la population ou nous avons pu quantifier la dynamique de l'ensemble de la couche cellulaire lors du processus de recolonisation apres blessure in vitro, en presence ou non d'un marqueur de l'adn le hchst 3342. Cette approche a ete appliquee a un systeme experimental constitue de cellules issues d'un carcinome colorectal et de cellules issues de metastase peritoneale, provenant d'un meme patient. Nous avons etudie la migration de ces cellules en relation avec l'expression de la proteine cd9/mrp1. Il s'agit d'une proteine transmembranaire qui a ete decrite comme etant associee au potentiel metastatique de certaines tumeurs. Dans notre cas, cette proteine est plus fortement exprimee dans les cellules issues de la tumeur primaire et a une contribution positive dans la migration cellulaire.

L'objectif de ce travail était de développer des méthodes pour permettre une évaluation in vivo plus robuste du réseau vasculaire dans la tumeur par imagerie de contraste ultrasonore. Trois aspects de l'analyse de donnée ont été abordé: 1) la régression des modèles paramétriques de flux sur les données de puissance linéaire, 2) la compensation du mouvement 3) l’évaluation d’une méthode de clustering pour identifier les hétérogénéités dans les tumeurs. Un modèle multiplicatif est proposé pour décrire le signal DCE-US. Une méthode de régression en est dérivée. La caractérisation du signal permet la mise au point d’une méthode de simulation de séquences 2D+T. La méthode de régression permet une diminution de la variabilité des paramètres de flux fonctionnels extraits, sur données simulées expérimentales. La méthode de simulation est appliquée pour évaluer une méthode combinant estimation du mouvement et estimations des paramètres micro-vasculaires dans un unique problème mathématique d'optimisation. Cette nouvelle méthode présente en plus l'avantage d'être indépendante de l'opérateur. Il est montré que dans une large majorité des cas l'estimation du mouvement est meilleure avec la nouvelle méthode qu'avec une méthode de références. Une méthode de clustering est adaptée et évaluée sur données DCE-US simulées et in-vivo. Elle permet de détecter des hétérogénéités dans la structure vasculaire des tumeurs. Les méthodes développées permettent d'améliorer l’évaluation du réseau microvasculaire par DCE-US grâce à une description rigoureuse du signal, à la mise au point d'outil diminuant l'intervention de l'opérateur et la prise en compte de l'hétérogénéité du réseau vasculaire
This work aimed to develop methods to robustly evaluate in vivo functional flow within the tumor vascular network with Dynamic contrast-enhanced ultrasound (DCE-US). Three aspects of data analysis were addressed: 1) insuring best fit between parametric flow models and the experimentally acquired echo-power curves, 2) compensating sequences for motion and 3) evaluating a method to discriminate between tissues with different functional flow. A multiplicative model is proposed to describe the DCE-US signal. Based on this model, a new parametric regression method of the signal is derived. Characterization of the statistical properties of the noise and signal is also used to develop a new method simulating contrast-enhanced ultrasound 2D+t sequences. A significant decrease in the variability of the functional flow parameters extracted according to the new multiplicative-noise fitting method is demonstrated using both simulated and experimentally-acquired sequences. The new sequence simulations are applied to test a method combining motion estimation and flow-parameter estimation within a single mathematical framework. Because this new method does not require the selection of a reference image, it reduces operator intervention. Tests of the method on both simulations and clinical data and demonstrate in a majority of sequences a more accurate motion estimation than the commonly used image registration method. Finally, a non-parametric method for perfusion curve clustering is evaluated on 2D+t sequences. The aim of this method is to regroup similar filling patterns without a priori knowledge about the patterns. The method is tested on simulated and on pre-clinical data

Les travaux de recherche de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la caractérisation du cancer du sein dans le but de réaliser une nouvelle approche pour l'extraction et la modélisation de la cinétique du traceur en imagerie TEP. La mesure du taux de comptage d'un traceur dans une région d'intérêt (ROI) estimée au moyen d'une extension d'une Carte de Dissimilarité Locale à Valeurs Réelles (CDLVR) proposée en niveaux de gris et l'utilisation des modèles dynamiques comme la méthode d'Analyse Factorielle des Séquences d'Images Médicales (AFSIM) appliquée sur la ROI permettent la quantification automatique et précoce du métabolisme glucidique. Plus spécifiquement, il s'agit de déterminer un nouveau paramètre empirique KFPQ. Il est calculé à partir des deux compartiments obtenus dans la région d'intérêt tumorale et tel que évalué durant le premier passage du traceur 18F-FDG dans les images TEP précoces
The research of this thesis proposes in the context of the breast cancer characterization in order to achieve a new approach for the extraction and modeling of the tracer kinetics in PET imaging.The measurement of the counting rate of a tracer in a region of interest (ROI) estimated using an extension of a Real Valued Local Dissimilarity Map (RVLDM) proposed grayscale and the use of dynamic models as the method of factor analysis of medical image sequences (FAMIS) applied on the ROI enable an automatic early quantification of glucose metabolism. More specifically, it is to determine a new KFPQ empirical parameter. It is calculated from the two compartments obtained in the region of interest and tumor as assessed during the first pass of the 18F-FDG tracer in the early PET images

La quantification de la perfusion tissulaire à partir de données dynamiques d’échographie de contraste repose sur une modélisation appropriée de la cinétique de la concentration en agent de contraste dans le tissu étudié. De nombreux facteurs, expérimentaux ou physiologiques, rendent la comparaison inter ou intra-individu de ces paramètres de perfusion difficile. Dans cette thèse, la reproductibilité et la comparaison de différentes méthodes de quantification ont été étudiées dans le cadre d’une étude préclinique de test-retest et sur des simulations numériques. Les méthodes étudiées ont été : le modèle log-normal, le modèle compartimental avec fonction d’entrée et le modèle compartimental avec tissu de référence. Les études précliniques ont montré la difficulté d’estimation d’une fonction d’entrée artérielle et la nécessité de corriger localement le temps d’arrivée de l’agent de contraste dans le tissu pour que l’approximation des cinétiques expérimentales par le modèle soit de qualité suffisante. Une estimation linéaire sous contrainte des paramètres du modèle compartimental avec tissu de référence tirant profit de différentes zones d’intérêt dans l’image a été ensuite proposée pour obtenir à l’échelle régionale et/ou locale des valeurs relatives cohérentes de débit sanguin tissulaire et de volume sanguin tissulaire, exprimées par rapport aux valeurs dans le tissu de référence. Il a été montré que cette approche est la plus robuste et la plus reproductible. L’influence des facteurs tels que la durée d’acquisition, la fréquence d’échantillonnage, le nombre de régions utilisées et l’amplitude du bruit a été étudiée sur des simulations et a permis de formuler des recommandations pour l’acquisition et le traitement des études en échographie de contraste
Quantification of tissue perfusion from dynamic contrast-enhanced ultrasound data relies on appropriate modeling of the curve representing the evolution of the contrast-agent concentration inside the studied tissue. Many factors, experimental or physiological, make inter-subject or intra-subject comparison of these perfusion parameters difficult. In this thesis, the reproducibility and the comparison of various quantification methods was investigated through preclinical test-retest experiments and through simulations. The investigated methods were: the log-normal model, the one-compartment model using an arterial input function, and the one-compartment model using a reference tissue. The preclinical experiments revealed the difficulty to estimate an arterial input function directly from the image, as well as the necessity to locally correct for the time of arrival of the contrast agent in the tissue in order to ensure the model accurately fits the experimental enhancement curves. A regularized linear estimation of the parameters of the one-compartment model using a reference tissue taking advantage of multiple tissue regions was then proposed to obtain homogeneous relative values of the tissue blood flow and tissue blood volume, expressed relatively to the parameter value inside the reference tissue. The improved robustness and reproducibility of the method was demonstrated. The influence of factors such as the exam duration, the sampling frequency, the number of tissue regions in the analysis, and the noise amplitude were investigated through simulations, and allowed us to formulate recommendations regarding the acquisition and the analysis of contrast-enhanced ultrasound studies

L'expression de récepteurs inhibiteurs tels PD-1, TIM-3, LAG-3, TIGIT sur les lymphocytes T participe à l'immunosuppression dans l'environnement tumoral. Le ciblage de PD-1 par les immunothérapies anti-PD-1/PD-L1 notamment révolutionne depuis peu la prise en charge de nombreux types de cancers en particulier dans le mélanome, cancer du poumon et aussi du rein. Dans la plupart des cancers comme dans celui du poumon et le mélanome, l'infiltrat CD8 et la réponse Th-1/IFN-gamma sont associés à un meilleur pronostic, contrairement aux tumeurs du rein et aux hémopathies. Les travaux de ma thèse s'intéressent à la caractérisation de l'expression des récepteurs inhibiteurs des lymphocytes, notamment PD-1 et TIM-3 dans le carcinome rénal et dans le lymphome. Mes travaux de thèse ont été réalisés avec des outils d'exploration du microenvironnement tumoral permettant une analyse multiplexe de nombreux paramètres in situ. En théorie jusqu'à 7 protéines peuvent être mises en évidence à la fois, j'ai pu mettre au point des comarquages de 4 protéines membranaires et/ ou nucléaires + Dapi ainsi que la détection d'ARN in situ dans les tumeurs. L'utilisation d'un outil technologique de microscopie à fluorescence multispectrale a permis une étude fine de la coexpression de PD-1 et Tim-3 sur les lymphocytes T CD8 (LT-CD8) grâce à la visualisation aisée de la colocalisation de ces 3 marqueurs. De la même façon, j'ai mis en évidence de l'expression de leurs ligands PD-L1 et Galectin-9 (Gal-9) dans l'environnement des tumeurs du rein. J'ai démontré que la co-expression de Tim-3 et PD-1 sur les CD8 dans le carcinome rénal avait un rôle délétère aussi bien sur le plan (i) fonctionnel puisque les LT-CD8 sécrétaient moins d'IFN-gamma, (ii) et clinique puisque les patients présentant un infiltrat de LT-CD8 double positifs pour PD-1 et TIM-3 récidivaient plus fréquemment. La présence des ligands PD-L1 et Gal-9 a été mise en évidence dans l'environnement tumoral laissant suggérer des interactions possibles avec les récepteurs inhibiteurs exprimés par les LT. J'ai également caractérisé les LT-CD8 PD-1+ TIM-3+ dans les lymphomes en combinant un marquage CD20 (quadruple + Dapi). Selon le type de lymphome, TIM-3 était coexprimé avec PD-1 à la surface des CD8 et plus ou moins au contact avec les cellules lymphomateuses CD20+. D'autre part, lorsque TIM-3 était coexprimé, les LT-CD8 étaient plus volontiers proliférant (comarquage Ki-67) en comparaison aux PD-1+ TIM-3-. Afin de poursuivre dans la caractérisation Th-1/IFN-gamma, j'ai élaboré la mise au point de la détection d'ARN dans les lymphocytes T in situ dans la tumeur, permettant de faire des liens avec leur fonctionnalité. Au total mes travaux de thèse ont permis de mettre en évidence des biomarqueurs immunologiques composites en lien avec l'expression des récepteurs inhibiteurs PD-1 et/ou TIM-3 et la perte de fonctionnalité (IFN-gamma) des lymphocytes T intratumoraux
It has been mainly described that the inhibitory receptors coexpression (PD-1, TIM-3, LAG-3, TIGIT) by lymphocytes in the tumor microenvironment (TME) induces a local immunosuppression. Targeting these receptors particularly PD-1 and its ligand PD-L1 is of great clinical benefit in cancer many types treatment (melanoma, renal and lung cancer in particular). In the most cases of cancer, like melanoma and lung cancer, a CD8-T cell and Th-1/IFN-gamma response is of good prognosis. But this is not the case in renal cancer and in hemopathies. My PhD work attempts to characterize clinical and biological implication of PD-1 and TIM-3 expression by intra-tumor lymphocytes in the setting of renal cancer and lymphoma. My PhD work has been conducted thanks to new methods of multiplexed characterization of the TME. Multispectral immunofluorescence lead to identify 7 parameters at the same time, and in this study I elaborated the identifications of lymphocytes markers in situ within the tumor: 4 membrane and/or nuclear proteins + nuclei (Dapi counterstain) and also coupled with the RNA detection. This tool allows me to accurately study the coexpression of PD-1 and TIM-3 at the CD8-T cell surface thanks to colocalisation identification and counting of these 3 markers. With the same method, I found that PD-L1 and Gal-9, which are PD-1 and TIM-3 ligands, were also expressed in the TME of renal carcinoma. I found that the coexpression of TIM-3 together with PD-1 in the CD8-T cells had a double relevance (i) at functional level, CD8-T cells were less able to secrete gamma-IFN (ii) at clinical level, patients harboring a higher infiltrate were more likely to relapse. The presence of PD-L1 and Gal-9 suggested interactions with inhibitory receptors of T cells. I also characterized CD8-T cells expressing PD-1 and TIM-3 in lymphomas, combining a CD20 staining (quadruple staining + Dapi). TIM-3 was more or less expressed depending of the lymphoma type near to CD20+ cells. TIM-3 PD-1 CD8-T cells were more likely Ki-67+ compared to TIM-3- cells, suggesting a more proliferative capacity. In order to continue the characterization of the Th-1/gamma-IFN-gamma immune response, I elaborate a technic to detect the gamma-IFN RNA in situ, together with lymphocytes staining, allowing the exploration of functionality within the tumor. To summarize, during my PhD work I could characterize composite immune biomarkers linked to the functionality of CD8-T cell and gamma-IFN Th-1 response

L’analyse de l’ADN circulant a déjà démontré son potentiel en oncologie en tant que biomarqueur pour le diagnostic, le pronostic des rechutes, la détection d’une maladie résiduelle, pour le suivi de l’évolution clonale tumorale et des résistances acquises, ainsi que comme outil théranostique dans la prédiction de l’efficacité de certaines thérapies ciblées. Mais hormis l’approbation récente par la FDA de deux tests pour la recherche de certaines altérations du gène de l’EGFR sur ADN tumoral circulant en vue de l’instauration d’un traitement par Gefitinib ou Afatinib dans le cadre du cancer du poumon non à petites cellules, aucune application de l’ADN circulant en oncologie n’est encore validée en pratique clinique. Un des principaux freins bien identifié depuis des années, et donc un des principaux enjeux pour la communauté scientifique et médicale, est l’harmonisation et la standardisation des procédures pré-analytiques de traitement des échantillons ainsi que des techniques d’analyse associées. Mais il semble que d’autres problématiques plus récentes soient apparues, notamment la nécessité d’avoir des procédures adaptées à des applications cliniques particulières. Toujours dans un but d’optimisation de l’analyse de l’ADN circulant, un des deux objectifs de ma thèse a été de m’intéresser dans un premier temps à l’étude de l’influence de paramètres pré-analytiques et démographiques sur la quantification d’ADN circulant d’origine nucléaire et mitochondriale, sur une cohorte composée de 104 individus sains et 118 patients atteints de cancer colorectal métastatique. Nous avons notamment pu montrer une différence significative entre groupes d’individus sains inférieur et supérieur ou égal à la médiane d’âge (Mann-Whitney U test, Pvalue = 0.009), ainsi qu’entre femmes et hommes (Mann-Whitney U test, Pvalue = 0.048). L’analyse multivariée de ces données à ensuite permis de confirmer que l’âge était le seul critère prédictif d’une concentration élevée en ADNcir d’origine nucléaire chez les individus sains de notre cohorte (Odd Ratio = 2.41, Pvalue = 0.033). Tous les autres paramètres étudiés n’ont montré d’influence sur la quantification d’ADNcir nucléaire ou mitochondrial, chez les individus sains ou les patients atteints de cancer colorectal métastatique. Dans un second temps, conscients des difficultés observées sur le manque d’harmonisation et l’hétérogénéité des résultats dans la littérature, nous avons proposé un guideline plus complet et détaillé que celui proposé par El Messaoudi et al en 2015, mais surtout adapté à différentes applications cliniques en oncologie et à différents autres domaines comme la transplantation d’organes ou le dépistage prénatal. Conçu à partir de nos propres observations ainsi que d’une revue non exhaustive de la littérature, ce guideline est valable uniquement pour l’analyse de l’ADNcir d’origine nucléaire, des spécificités propres à l’étude de l’ADN circulant mitochondrial étant maintenant établies et nécessitant un guide entièrement dédié à son analyse. Le deuxième objectif de ma thèse était l’évaluation de la valeur pronostique de l’analyse de l’ADN circulant dans la détection précoce des récidives chez les patients traités pour un cancer colorectal stade II/III, dans le cadre d’une étude clinique prospective et multicentrique appelée « DNAcir » promue par le CHU de Limoges. Mais à ce stade d’investigation, les résultats de ce projet ne sont que préliminaires et donc les hypothèses émises dans ce manuscrit sont à prendre avec précaution. Ce travail de thèse fournit une revue récente de la littérature sur le domaine des ADN circulants et leur applications cliniques, tout en apportant des nouvelles connaissances en matière de traitement pré-analytique des échantillons mais aussi en ouvrant de nouvelles pistes de réflexion notamment sur l’effet potentiel de la chirurgie sur la quantification d’ADN circulant, voire même de la thérapie adjuvante le cas échéant
The analysis of circulating DNA has already demonstrated its potential in oncology as a biomarker for diagnosis, prognosis of relapses, detection of minimal residual disease, monitoring tumor clonal evolution and acquired resistances, as well as a theranostic tool in predicting the efficacy of some targeted therapies. But apart from the recent approval by the FDA of two tests for the detection of EGFR gene alterations in circulating tumor DNA before the initiation of treatment with Gefitinib or Afatinib in non-small cell lung cancer, no application of circulating DNA in oncology has yet been validated in clinical practice. One of the main hurdles that has been well identified for several years, and therefore one of the main challenges for the scientific and medical community, is the harmonization and standardization of pre-analytical procedures for sample processing and associated analytical techniques. In addition, it seems that other recent issues have emerged, including the need for procedures adapted to particular clinical applications. Still with the aim of optimizing the analysis of circulating DNA, one of the two objectives of my thesis project was to study the influence of pre-analytical and demographic parameters on the quantification of circulating nuclear and mitochondrial DNA on a cohort of 104 healthy individuals and 118 patients with metastatic colorectal cancer. In particular, we showed a significant difference between healthy individuals with an age below and above or equal to the median value (Mann-Whitney U test, Pvalue = 0.009), and between females and males (Whitney U test, Pvalue = 0.048). Multivariate analysis of these data then confirmed that age was the only predictive factor of a high nuclear-related circulating DNA concentration in our healthy individuals’ cohort (Odd Ratio = 2.41, Pvalue = 0.033). All other parameters studied did not show any influence on the quantification of nuclear or mitochondrial circulating DNA in healthy individuals or patients with metastatic colorectal cancer. In a second step, aware of the difficulties observed in the literature regarding the lack of harmonization and heterogeneity of results, we proposed a more complete and detailed guideline than that proposed by El Messaoudi et al in 2015, but mainly adapted to different clinical applications in oncology and other fields such as organ transplantation and non-invasive prenatal testing. Based on our own observations and a non-exhaustive review of the literature, this guideline is only validated for the analysis of nuclear circulating DNA. Specificities relative to the study of mitochondrial circulating DNA are now established and require a guideline entirely dedicated to its analysis. The second objective of my thesis project was to evaluate the prognostic value of circulating DNA analysis in the early detection of recurrences in patients curatively treated for stage II/III colorectal cancer, as part of a prospective multicentric clinical study called "DNAcir" promoted by the Limoges University Hospital. At this stage, the results of this project are preliminary and therefore the hypothesis made in this manuscript should be taken with caution. In addition, this thesis work provide a recent review of the literature in the field of circulating DNA and their clinical applications, while providing new knowledge on pre-analytical treatment of samples and also opening up new avenues for reflection, particularly on the potential effect of surgery on the quantification of circulating DNA, or even adjuvant therapy if necessary

Les tumeurs sont composées de cellules malignes et d'une grande variété de cellules non-tumorales, en particulier des cellules immunitaires qui forment le micro-environnement tumoral (MET). Il a été démontré que la composition du MET était associée au devenir clinique des patients, en termes de survie et de réponses thérapeutiques. Avec le développement récent des immunothérapies qui ciblent des éléments spécifiques du MET, l'immunité anti-tumorale a soulevé un intérêt majeur. Plusieurs méthodologies ont été mises au point afin d'étudier la composition du MET, avec une précision toujours plus grande. En particulier, des méthodes comme MCP-counter permettent d'exploiter les données transcriptomiques de la tumeur entière afin de quantifier les différentes populations qui composent le MET. Le volet méthodologique de ce travail de thèse a ainsi consisté à proposer une amélioration de MCP-counter, en particulier pour l'analyse de données RNA-Seq. Une adaptation de la méthode pour des données issues de modèles murins (mMCP-counter) est également proposée. MCP-counter permet d'analyser rapidement le MET de larges séries de tumeurs. Un second volet de cette thèse consiste en l'application de cette méthode pour établir une classification immunitaire des sarcomes des tissus mous, un type de cancer rare, hétérogène et agressif. Cette classification immunitaire a permis de mettre en évidence des groupes de tumeurs faiblement ou fortement infiltrés, ainsi qu'un groupe marqué par une forte vascularisation. De manière intéressante, la classification immunitaire permet de prédire la réponse des patients aux immunothérapies. Ce travail a aussi démontré un rôle important des structures lymphoïdes tertiaires (SLT). Les SLT sont des structures de type noeud lymphatique composées de lymphocytes B et T qui se forment dans la tumeur ou à proximité de celle-ci. Au sein des SLT, une réponse immunitaire anti-tumorale peut se former et maturer. L'intérêt porté aux SLT est de plus en plus important pour de nombreux types de cancers. Dans la plupart des types de cancer, une forte infiltration de la tumeur par des lymphocytes T, en particulier CD8+, est associée à une meilleure survie des patients. Cependant, le carcinome rénal à cellules claires et le cancer de la prostate sont des exceptions à cette règle. En effet, dans ces deux cancers urologiques, la présence dans la tumeur de lymphocytes T est associée à une survie plus courte des patients, ainsi qu'à une rechute et une progression plus précoce. Ces exceptions sont détaillées dans une troisième partie de cette thèse, par une description minutieuse du MET, ainsi que par l'analyse de l'implication du système du complément. Dans leur ensemble, les résultats présentés dans cette thèse démontrent qu'en combinant différentes méthodes d'analyse, in silico, in situ et in vivo, il est possible d'obtenir une vision extrêmement complète du MET. La connaissance des types cellulaires présents dans la tumeur ainsi que leur orientation fonctionnelle permet de guider le soin apporté aux patients et d'améliorer leur devenir clinique. La description complète du MET ouvre la voie à une médecine personnalisée pour les patients atteints de cancer
Tumors are composed not only of malignant cells but also contain a vast variety of non-malignant cells, notably immune cells forming the tumor microenvironment (TME). The composition of the TME was shown to be associated with clinical outcome for cancer patients, in terms of survival and therapeutic responses. With the relatively recent development of immunotherapies targeting specific elements of the TME, tumor immunology has risen a strong interest and holds a strong therapeutic potential. Several methodologies have been developed to study the composition of the TME with an increased precision. Notably, some methods such as MCP-counter enable the use of the tumor bulk transcriptome to quantify cell populations composing the TME. The methodological aspect of this PhD project consisted in setting up an enhanced version of MCP-counter that can be readily applied to RNA-Seq data, as well as propose an adaptation of the method for mouse models. Using MCP-counter, the TME of large series of tumors can be easily analyzed. The application part of this PhD work consisted of applying MCP-counter to establish an immune-based classification of soft-tissue sarcoma, a rare, aggressive and heterogeneous cancer type. The immune classification notably allowed to identify immune low and high groups, and a group characterized by a strong vasculature. Interestingly, the classification was notably found to be predictive of the patients' response to immunotherapies. It also highlighted an important role of tertiary lymphoid structures (TLS). TLS are lymph-node-like structures composed of T and B cells that form within the tumor or in close proximity. They are a site of formation and maturation of antitumoral immune responses. TLS are raising a growing interest in many malignancies. In most cancer types, a strong infiltration by T cells, in particular CD8+ T cells, is associated with a favorable clinical outcome. However, clear-cell renal cell carcinoma and prostate cancer are exceptions to this general rule. Indeed, in these urological cancers, an increased infiltration by T cells is associated with a decreased patient survival and with earlier relapse and disease progression. In a third part of this thesis, these exceptions are investigated with more details by scrutinizing the TME, and questioning the implication of the complement system. Overall, this thesis presents how the combination of several analysis methods, in silico, in situ and in vivo, can help achieve an extremely precise description of the TME. Knowing accurately what cell populations and what their functional orientation can help guide patients care and improve clinical outcome. Complete description of the TME opens the way towards personalized medicine for cancer patients

La thérapie des tumeurs cérébrales invasives demeure aujourd'hui un véritable challenge en dépit des progrès réalisés en neurochirurgie, radiothérapie et chimiothérapie ces vingt dernières années. Les tumeurs solides sont des systèmes dynamiques présentant une forte hétérogénéité de structure et de vascularisation et qui varie d'une tumeur à une autre. La stratégie de délivrance des drogues dans ces tissus néoplasiques (cérébraux ou non) s'est révélée être un point critique dans le succès d'une chimiothérapie, notamment en raison de l'existence de mécanismes physiologiques intratumoraux s'opposant à une délivrance efficace dans l'ensemble du tissu tumoral. L'administration locale convective (Convection-Enhanced Delivery, CED) s'est avérée être une technique prometteuse pour distribuer par voie intracérébrale des volumes cliniquement significatifs d'agents thérapeutiques à des concentrations interstitielles élevées tout en réduisant les risques de toxicité systémique. Ce travail a porté sur l'étude de la distribution CED de traceurs in vitro pendant injection et in vivo en post-injection par deux modalités d'imagerie (imagerie par RMN et tomographie quantitative par rayonnement synchrotron). Les données in vitro ont été corrélées à un modèle numérique d'écoulement et de transport du traceur. Finalement, ces résultats sont discutés à la lumière des éléments prédictifs de la littérature. A ce jour, la compréhension et l'optimisation de la distribution CED de drogues in vivo pendant et après infusion restent une étape critique dans le traitement des tumeurs cérébrales et nécessitent davantage d'efforts.