Développement de stratégies d'imagerie multimodalités pour la pharmacologie des agents anticancéreux

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Submitted on 31 Oct 2012

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Développement de stratégies d’imagerie multimodalités pour la pharmacologie des agents anticancéreux

Laura Brullé

To cite this version:

Laura Brullé. Développement de stratégies d’imagerie multimodalités pour la pharmacologie des

agents anticancéreux. Médecine humaine et pathologie. Université d’Orléans, 2012. Français. �NNT :

2012ORLE2015�. �tel-00747343�

UNIVERSITÉ D’ORLÉANS

ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

Centre d’Imagerie du Petit Animal (CIPA), TAAM-UPS44 CNRS, Orléans Centre d’Etudes et de Recherches Biologiques (CERB), Baugy

THÈSE présentée par :

Laura BRULLÉ

soutenue le : 24 mai 2012

pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université d’Orléans Discipline : Biologie cellulaire et moléculaire

Développement de stratégies d’imagerie multimodalités pour la pharmacologie des

agents anticancéreux

THÈSE dirigée par :

Alain LE PAPE Directeur de Recherche CNRS, CIPA-TAAM, Orléans

RAPPORTEURS :

Anne CHAUCHEREAU Chargée de Recherche, Inserm UMR981, IGR, Villejuif Valérie TRICHET Maître de Conférences des Universités, LPRO, Inserm

UMR957, Nantes

____________________________________________________________________

JURY

Jean-Michel POUVESLE Directeur de Recherche CNRS, GREMI, Orléans (Président du Jury)

Alain LE PAPE Directeur de Recherche CNRS, CIPA-TAAM, Orléans Anne CHAUCHEREAU Chargée de Recherche, Inserm UMR981, IGR, Villejuif Valérie TRICHET Maître de conférences des Universités, LPRO, Inserm

UMR957, Nantes

Claudine KIEDA Directeur de Recherche CNRS, CBM, Orléans

Eric MARTEL Directeur département pharmacologie, CERB, Baugy

1 121

1 131

1

Ce travail de thèse est le fruit d’une collaboration entre

Le Centre d’Imagerie du Petit Animal (CIPA), TAAM UPS44 du CNRS à Orléans et

Le Centre de Recherches Biologiques (CERB) à Baugy

La troisième partie de mon travail de thèse a été réalisée en

collaboration avec le GREMI (Groupe de Recherche sur

l’Energétique des Milieux Ionisés), UMR 7344 CNRS Orléans,

dans le cadre du projet « Plasmed » soutenu par la Région Centre

Remerciements 1 141

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Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse, Alain LE PAPE pour m’avoir permis de réaliser cette thèse. Merci pour son aide scientifique et pour la grande liberté qu’il a su me laisser dans la gestion de ce projet.

Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à Serge RICHARD, Président Directeur Général du CERB et Pascal CHAMPEROUX, Directeur Recherche et Développement du CERB, pour m’avoir permis de réaliser cette thèse dans les meilleures conditions.

Je tiens à remercier Anne CHAUCHEREAU et Valérie TRICHET qui m’ont fait l’honneur de rapporter ce mémoire ainsi que Jean-Michel POUVESLE et Claudine KIEDA qui ont accepté d’être membres de mon jury de thèse.

Je remercie particulièrement Stéphanie LERONDEL, responsable du CIPA pour m’avoir accueillie dans son service. Merci Stéphanie pour ta disponibilité et ton soutien, merci aussi pour le temps que tu as pris afin de corriger ma thèse.

J’exprime toute ma gratitude à Eric MARTEL, directeur du département pharmacologie au CERB, pour m’avoir encadré au sein du CERB. Merci Eric pour votre disponibilité et votre écoute durant ces deux dernières années.

Je remercie aussi Anne MAURIN, pour son encadrement et en particulier pour les études de cast.

Je remercie mes collègues de « bureau » du service AQ du CERB, Nathalie, Timothé, Christine, Nicole, Romaric et Sylvie pour leur bonne humeur et leur disponibilité. Merci Nathalie et Christine pour vos prêts de marqueurs, ciseaux, agrafeuses…

Je remercie tout le personnel du CERB pour leur disponibilité et leur gentillesse. Merci aux

Directeurs d’Etudes et en particulier Sébastien JUDÉ, pour m’avoir expliqué les subtilités du plan

d’étude, du résumé et du rapport d’étude. Merci aux cadres Techniques, Nelly, Manu, Delphine et tous

les autres pour votre aide. Merci aux techniciens et en particulier à Jérôme, pour sa grande rigueur,

pour avoir entretenu mes cellules lors de mes absences et pour son aide lors des inductions

orthotopiques. Merci aussi à Emilie, pour son œil aiguisé lors des autopsies et à Aurélia pour les

casts. Je remercie aussi les zootechniciens qui ont pris soin de mes animaux, merci Magalie pour ta

bonne volonté et ton aide. Enfin je remercie le personnel de la maintenance, Daniel, Yves pour leur

grande disponibilité et pour tous les « petits travaux » qu’ils ont réalisé et qui ont contribué à

l’amélioration de mes résultats.

Remerciements 1 151 Comment ne pas remercier Corinne ROUBINET, sans qui mon intégration au CERB n’aurait peu être pas été la même. Merci Corinne pour tout. Merci pour ta gentillesse, ton soutien et grâce à toi RS1 et Latex n’ont plus aucun secret pour moi.

Je tiens maintenant à remercier mes collègues du CIPA qui m’ont beaucoup appris sur l’imagerie et avec qui j’ai passé 3 superbes années ...

Marilyne merci pour ta rigueur et ta bonne humeur, travailler avec toi a été un réel plaisir. Même pour les manips de dernière minute, tu as su faire preuve d’une grande adaptabilité. Stéphanie R., la

« maman » du CIPA, merci pour ta gentillesse et ton écoute, je n’oublierai pas tes conseils et recommandations en radioprotection…. Julien, ou pour les Cipasiens « Poupy », merci pour ton aide dans les manips, et ton calme à toute épreuve.

Je remercie Sabrina et Guillaume, les thésards de « première génération ». Merci Sabrina pour ta disponibilité et le partage de tes connaissances en imagerie et plus particulièrement pour m’avoir appris les ficelles de la biolum et de la quantification 3D en TEMP et merci pour les examens d’espèces originales... Guillaume, merci de m'avoir transmis certaines de tes connaissances du scanner, et d’avoir contribué au développement des protocoles d’acquisitions de mes échantillons de cast. Merci pour ta bonne humeur à chaque instant.

Marc, on est arrivé ensemble et on termine pratiquement ensemble, merci pour les bons moments de rigolades et pour tes idées de manips toujours aussi farfelues les unes que les autres. Je me souviendrai de nos excursions à Paris pour les formations et congrès, car on en a passé des heures à attendre dans le train Orléans-Paris…

J’exprime toute ma reconnaissance à l’équipe du GREMI, pour m’avoir permis de tester le plasma gun sur le modèle de cancer du pancréas. Jean-Michel et Eric, je vous remercie de votre confiance et de votre soutien. Vanessa, merci pour ta disponibilité et ton aide lors de certains traitements. Delphine, après de longues heures passées à traiter les cellules et surtout les souris, tu es devenue une pro de la surveillance respiratoire, merci, je te souhaite de réussir dans tes projets.

Je tiens particulièrement à remercier le CEMTHI, nos voisins et en particulier Isidro Da Silva et Thierry Sauvage pour m’avoir fourni le

Cu. Je remercie aussi tout le personnel, toujours disponible pour me scier, poncer et percer des pièces.

Je remercie le Centre de Biophysique Moléculaire d’Orléans, Bouchra RAHBI et le docteur Claudine KIEDA pour m’avoir permis de réaliser les immunomarquages et David GOSSET, responsable technique du service cytométrie pour avoir pris le temps d’imager mes lames en microscopie.

Je remercie Jérôme VICENTE, du laboratoire IUSTI de Marseille pour avoir mis à notre

disposition le logiciel iMorph et avoir fait preuve d’une grande patience pour les explications

nécessaires à son installation et son utilisation.

1 161 Mes derniers remerciements vont à tous ceux qui me sont chers, ma famille et mes amis qui me soutiennent depuis toutes ces années. Moussa, merci de ta patience, d’être toujours là et de me supporter chaque jour. Mon frère merci de ta présence depuis toutes ces années, je te souhaite tout le meilleur. Et bien sûr, je ne peux que remercier mes parents, qui m’ont toujours soutenue dans mes choix et sans qui je ne serai pas là aujourd’hui, papa maman, merci !

1

Table des matières 1 171

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Table des matières 1 1A21

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Liste des abréviations 1 1A41

7A931F3A1CD57C978A ^A

5-FU 5-Fluorouracile

ADN Acide Désoxyribonucléique AIF Apoptosis Inducing Factor

AMM Autorisation de Mise sur la Marché AMP Adénosine Monophosphate

ARM Angiographie par Résonance Magnétique ARN Acide Ribonucléique

ATCC American Type Culture Collection ATP Adénosine Triphosphate

ATSM Diacetyl-bis(N4-methylthiosemicarbazone) BMPs Bone Morphogenic Proteins

BOLD Blood Oxygen Level-Dependant Caspase Cysteinyl Aspartyl Proteases CCD Charge Coupled Device

CCM Chromatographie sur Couche Mince CE Cellules Endothéliales

CI50 Concentration Inhibitrice 50 CPT11 CamPtoThécine

CT Computed Tomography

DAPI 4',6'-Diamidino-2-PhénylIndole DBD Décharge à Barrière Diélectrique DEVD Aspartate-Glutamate-Valine-Aspartate DL50 Dose Létale 50

DMEM Dulbecco's Modified Eagle's Medium

Liste des abréviations 1 1A51 DMSO Diméthyl Sulfoxyde

DOTA 1, 4, 7, 10-Tetraazacyclododecane-N, N’, N’’, N’’’-Tetraacetic Acid DPD DihydroPyrimidine Deshydrogénase

DTPA DiethyleneTriaminePentaAcetic acid

EAE Encéphalomyélite Autoimmune Expérimentale EDTA Ethylène Diamine TétraAcétique

EGF Epidermal Growth Factor

EGFP Enhanced Green Fluorescent Protein EGFR Epidermal Growth Factor Receptor EPR Enhanced Permeability and Retention ET-1 Endothéline-1

FAZA FluoroAZomycine-Arabinoside FDG Fluoro-Désoxy-Glucose

FETMIN Fluoroazomycine-arabinoside FHR Fast High Resolution

FITC Fluoresceine IsoThioCyanate

FLAIR Fluid Attenuated Inversion Recovery FLICA Fluorescent Labeled Inhibitor of Caspases F-MISO FluoroMISOnidazole

FMT

Fluorescence Molecular Tomography GEM Gemcitabine

GLUT Glucose Transporteur

Hb Hémoglobine

HEPA High Efficiency Particulate Air

HES Hématoxiline Eosine Safran

HIF Hypoxia Inducible Factor

Liste des abréviations 1 1A61 HRE Hypoxia Response Elements

HYNIC HYdrazino NICotinamide IAZA IodoAZomycin-Arabinoside

IgG ImmunoGlobuline

INCa Institut National du Cancer

IRM Imagerie par Résonance Magnétique MBP Myelin Basic Protein

MDP Méthylène Di-Phosphonate MDR Multidrug Resistance MEC Matrice Extracellulaire MEM Minimum Essential Medium MMP Matrix Métalloprotéinases MTT Methyl Thiazolyl Tetrazolium NaITl Iodure de sodium activé au Thalium OMS Organisation Mondiale de la Santé PBS Phosphate Buffered Saline

PTD Photothérapie Dynamique PGE2 Prostaglandine E2

PHD Prolyl Hydroxylase Domain

PTSM Pyruvaldehyde-bis (N4-methylThioSeMicarbazone) PZT Titano-Zirconate de Plomb

RGD Arginine - Glycine - Acide Aspartique RMN Résonance Magnétique Nucléaire ROS Reactive Oxygen Species

RPE Résonance Paramagnétique Electronique

SE Spin Echo

Liste des abréviations 1 1A71 SEM Standard Error of the Mean

SNC Système Nerveux Central

SO

Saturation en Oxygène de l’hémoglobine

SPECT Single Photon Emission Computed Tomography SRM Spectroscopie par Résonance Magnétique SVF Sérum de Veau Fœtal

99m

Tc Technétium 99 métastable TDM Tomodensitométrie

TEMP Tomographie d’Emission MonoPhotonique TEP Tomographie d’Emission de Positons TGF Transforming Growth Factor

TI Temps d'Inversion

TNF Tumor Necrosis Factor

TRAIL TNF-Related Apoptosis Inducing Ligand TRITC Tetra methyl Rhodamine Iso Thio Cyanate TTP Thymidine Triphosphate

UFT Tegafur-Uracile

UH Unité Hounsfield

UV Ultra Violet

VEGF Vascular Endothelial Growth Factor VHL Von Hippel-Lindau

1

Liste des figures 1 1A81

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Liste des figures 1 1A91

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Liste des figures 1 12B1

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Introduction générale 1 1251 De la découverte d’une nouvelle molécule d’intérêt thérapeutique jusqu’à l’autorisation de mise sur le marché du médicament, le processus de recherche et développement est long et couteux. Ce processus nécessite une succession d’études scientifiques qui ont pour but de connaître le plus précisément possible le profil d'efficacité et de tolérance du futur médicament. Avant d’estimer l’efficacité d’une nouvelle molécule chez l’homme, une étape indispensable est la phase préclinique, qui consiste à évaluer in vivo (dans des systèmes vivants), le comportement du « candidat médicament ». A ce stade, il est primordial de disposer de modèles animaux représentatifs de pathologies humaines ainsi que d’outils performants pour leur suivi afin d’évaluer au mieux son activité, et l’un de ces outils est l’imagerie.

Les méthodes classiques de suivi longitudinal in vivo nécessitent le sacrifice régulier de groupes d’animaux, impliquant donc l’utilisation de grands effectifs. L’intérêt des méthodes d’imagerie pré-clinique, pour la plupart issues des modalités d’imagerie médicale, est l’amélioration du suivi de la pathologie au cours du temps et de l’action des thérapeutiques chez le même animal, et cela de façon totalement non invasive. La puissance statistique de l’étude est ainsi renforcée et le nombre d’animaux nécessaire peut être réduit en accord avec les règles éthiques de l’expérimentation animale (règle des 3R : Raffiner, Réduire, Remplacer).

A ce jour, l’imagerie in vivo chez le petit animal est en plein essor et présente un intérêt reconnu dans les domaines de la recherche biomédicale et du développement de nouveaux médicaments.

Les applications de l’imagerie du petit animal sont principalement :

• La compréhension des mécanismes de développement d’une pathologie.

• L’activité et l’efficacité biologique d’une nouvelle molécule.

• L’étude et l’évaluation spécifique de la sécurité et de la toxicité de nouvelles thérapies.

Par ailleurs, les modalités d’imagerie du petit animal étant pour la plupart issues de la clinique, elles vont permettre d’explorer les paramètres par les mêmes méthodologies et la même démarche intellectuelle que chez l’homme, et ainsi s’inscrire dans le cadre de la

« recherche translationnelle ». Ce type de démarche vise à accélérer l’innovation et le passage

en clinique des nouvelles thérapies.

Introduction générale 1 1261 Un des grands axes de développements thérapeutiques est la cancérologie. En effet, le cancer est la première cause de mortalité dans le monde avec chaque année plus de 12 millions de nouveaux cas et 7,6 millions de décès (données OMS, 2008) soit 13% de la mortalité mondiale. Malgré des efforts de dépistage, il est encore parfois difficile d’établir un diagnostic précoce. Les thérapies actuelles entraînent souvent des effets secondaires et des mécanismes de résistance. La recherche biomédicale doit donc apporter de nouvelles solutions diagnostiques et thérapeutiques afin de limiter la mortalité et d’améliorer la spécificité des traitements. Dans ce contexte, l’imagerie pré-clinique en oncologie présente tout son intérêt.

En effet, les avantages de l’imagerie in vivo en cancérologie sont nombreux. Elle permet notamment d’évaluer des paramètres inaccessibles par les méthodes conventionnelles, comme par exemple le volume d’une tumeur implantée dans un organe profond de l’animal, tels que les poumons, le cerveau, le pancréas (Bouvet and Hoffman, 2009, Dinca, et al., 2010, Fushiki, et al., 2009, Snyder, et al., 2009) : d’étudier la biodistribution au sein de l’organisme de molécules ou de cellules tumorales préalablement marquées (Mordant, et al., 2011, Serwer, et al., 2011) ; ou encore d’obtenir des informations supplémentaires permettant l’identification des mécanismes à l’origine de l’activité des nouveaux agents anticancéreux, tout en réduisant le nombre d’animaux utilisés lors de ces études. L’imagerie est donc essentielle pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques en oncologie.

L’objectif de cette thèse a été de développer et de caractériser différents modèles expérimentaux de cancer chez le petit animal et d’évaluer les effets de thérapies grâce à plusieurs modalités d’imagerie. Les techniques mises en œuvre ont été l’imagerie optique (bioluminescence et fluorescence), la Tomographie d’Emission MonoPhotonique (TEMP), la Tomographie d’Emission de Positons (TEP) et la Tomodensitométrie X (TDM X). Ces techniques ainsi que leurs applications seront détaillées dans la première partie de ce mémoire.

Le développement de modèles orthotopiques de cancer fera l’objet de la seconde partie : - Un modèle d’adénocarcinome colorectal, HCT116-luc, induit au niveau du colon et

permettant de générer des métastases a été mis au point. L’évolution tumorale de ce

modèle ainsi que l’effet d’un traitement au 5-fluorouracile (traitement de référence

dans le traitement du cancer colorectal chez l’homme) ont été étudiés par imagerie de

bioluminescence.

Introduction générale 1 1271 - Un modèle orthotopique d’adénocarcinome pancréatique par injection de cellules MIA PaCa2-luc a été validé. L’évolution tumorale ainsi que la réponse à un traitement de référence, la Gemcitabine ont été évalués par imagerie de bioluminescence. Certains paramètres permettant de caractériser la physiologie de la tumeur ont été déterminés par imagerie TEP.

Dans une troisième partie nous présenterons l’évaluation d’une nouvelle thérapie ciblée, par plasma (gaz ionisé) fibré, sur le modèle orthotopique de carcinome pancréatique MIA Paca-luc.

Enfin, dans la quatrième partie sera détaillé le développement de nouveaux outils pour l’optimisation et la caractérisation de modèles ainsi que pour l’évaluation de l’efficacité de nouvelles stratégies thérapeutiques par imagerie in vivo et ex vivo, en nous appuyant sur :

- Un modèle de métastases osseuses obtenu par injection de cellules de carcinome prostatique PC3M-luc soit directement au niveau de l’os, soit en intracardiaque par injection de cellules au niveau du ventricule gauche. Nous présenterons notamment comment la mesure de pression intraventriculaire permet d’optimiser l’administration intracardiaque de cellules. L’évolution tumorale de ce modèle a été ensuite évaluée par imagerie de bioluminescence et par TDM, la caractérisation de la nature ostéolytique des cellules PC3M-luc étant effectuée par imagerie TEMP.

- Le développement d’une technique permettant une imagerie ex vivo à haute résolution

de la vascularisation. Cette technique dite de « casting de la vascularisation », plus

simplement appelée Cast, permet de reconstruire l’architecture tridimensionnelle des

vaisseaux afin d’étudier par TDM l’effet de certaines molécules ou pathologies sur la

vascularisation de manière quantitative et avec une grande sensibilité.

Chapitre 1 1 1281

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1.1. Les modalités d’imagerie du petit animal

Historiquement, pour les études précliniques, le suivi longitudinal des effets de nouvelles thérapies nécessitaient le sacrifice régulier de groupes d’animaux. Aujourd’hui, les méthodes d’imagerie précliniques pour la plupart issues des modalités d’imagerie médicale facilitent le suivi de la pathologie au cours du temps et améliorent la connaissance en permettant d’obtenir des informations sur les modes d’action des traitements.

Afin d’utiliser les modalités d’imagerie clinique chez le petit animal et de réaliser des images de sensibilité et de résolution comparativement du même ordre de grandeur que celles obtenues chez l’homme, mais pour des animaux de taille 100 fois plus petite, des ruptures technologiques ont été nécessaires.

Par ailleurs, de nouvelles modalités spécialement développées pour l’imagerie préclinique sont apparues et permettent de s’affranchir de certaines contraintes pour leur exploitation, comme par exemple l’utilisation de la radioactivité, et autorisent une imagerie à plus haut débit, tout en permettant d’accéder à des informations de type moléculaire ou d’expression génique.

Ce chapitre fait l’état des lieux des modalités d’imagerie disponibles à ce jour pour le petit animal avec leurs principaux avantages et limitations.

1.1.1. Les modalités d’imagerie issues de la médecine

En imagerie, on distingue les modalités d’imageries anatomiques, telles que le scanner X ou l’IRM, et les modalités d’imagerie fonctionnelles et moléculaires comme la Tomographie d’Emission MonoPhotonique (TEMP) et la Tomographie d’Emission de Positons (TEP)

Nous présenterons dans un premier temps les imageries mises en œuvre au cours de ce

travail de thèse (TDM X, TEMP, PET) puis ferons un bref descriptif des autres modalités

disponibles pour l’exploration des modèles animaux (IRM, Ultrasons).

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 13B1 1.1.1.1. La Tomodensitométrie X

La Tomodensitométrie X (TDM) appelée aussi scanner X, a été inventée par GN Hounsfiel et AM Cormack au début des années 70. Elle est couramment utilisée chez l’homme et consiste à mesurer l'absorption des rayons X par les tissus puis, par traitement informatique, à numériser et enfin reconstruire des structures anatomiques.

L’acquisition des données emploie la technique d'analyse tomographique ou "par coupes", en soumettant l’échantillon au balayage d'un faisceau de rayons X.

L’image radiographique résulte de la différence d’atténuation des rayons X dans les différents milieux traversés. Chaque tissu a son coefficient d'absorption propre qui dépend de la densité du tissu et de l'énergie du faisceau de rayons X le traversant.

L'ordinateur attribue à chaque pixel d'image une valeur d'échelle de gris proportionnelle à l'absorption des rayons X par le volume corporel correspondant. La densité mesurée en unités Hounsfield (UH) va de -1000 pour l'air à +1000 pour l'os dense cortical, en passant par -50 pour la graisse et 0 pour l'eau (figure 1).

Figure 1 : Echelle Hounsfield

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 13A1 1.1.1.1.1. Principe de formation de l’image

Le scanner est une chaîne radiologique composée d’un générateur, d’un tube à rayons X et d’un ensemble de détecteurs disposés en couronne (figure 2).

Figure 2 : Principe du scanner X

Une partie du rayonnement incident qui entre en contact avec le corps est absorbée par les tissus traversés. Le rayonnement qui a traversé est ensuite capté par les détecteurs électroniques qui tournent en même temps que le tube à rayons X.

Les détecteurs électroniques recueillent donc le rayonnement résiduel après traversée de l’organe à explorer et, par comparaison avec un rayonnement témoin, mesurent l’atténuation des rayons X. Les détecteurs convertissent les signaux des rayons X en signaux électroniques eux-mêmes convertis en informations numériques exploitables par les logiciels de l’ordinateur.

1.1.1.1.2. Constitution d’un scanner X

Les éléments de base nécessaires au fonctionnement du scanner X sont retrouvés au niveau du statif et de la chaine radiologique.

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1321 Le statif

Le statif est composé de deux ensembles mobiles et solidaires, le tube et les détecteurs qui vont se déplacer autour du patient. Plusieurs générations de statifs se sont succédées.

La dernière génération a permis d’ouvrir de nouvelles perspectives en tomodensitométrie et consiste en une rotation continue associée à une acquisition hélicoïdale caractérisée par la rotation continue du couple tube/détecteurs autour du lit d'examen qui se déplace à vitesse constante durant l'acquisition. Le tube à rayons X réalise ainsi un déplacement en hélice, décrivant un cylindre (figure 3).

Figure 3 : Principe de l’acquisition hélicoïdale (Boyer et al. 2003)

Les avantages de ce scanner sont qu’il permet de générer un plus grand nombre de coupes en un temps plus court et de générer des coupes jointives, ce qui permet d’obtenir une reconstruction en 3D de meilleure qualité. Le principal inconvénient de cette méthode est la dose absorbée qui est plus importante, ce qui peut être gênant pour des études de cancérologie. En effet, dans le cas de tumeurs radiosensibles, la dose administrée à la tumeur lors de l’imagerie X peut, à elle seule, avoir un impact sur la prolifération tumorale (Kersemans, et al., 2011).

La chaine radiologique

• Le générateur de rayons X : Le générateur alimente le tube à rayons X et délivre

une haute tension continue ainsi qu’une intensité constante.

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1331

• Le tube : il génère les rayons X suite à l’application d’une haute tension électrique entre deux électrodes qui produit un courant d’électrons de la cathode vers l’anode. Les électrons, freinés par les atomes de la cible, provoquent un rayonnement continu de freinage dont une partie du spectre est dans le domaine des rayons X. Parmi les tubes on distingue les tubes à cathode froide et les tubes à cathode chaude, ces derniers étant les plus utilisés et entrent eux-mêmes dans la composition des tubes à anode tournante qui permettent d’obtenir des intensités de rayons X plus importantes.

• Filtration et collimation : la filtration et la collimation vont permettre la mise en forme du faisceau de rayons X.

• Les détecteurs : les détecteurs transforment les photons X en signal électrique. On distingue 2 types de détecteurs : les chambres d’ionisation au Xénon et les détecteurs solides qui équipent les systèmes récents. Dans ce cas, les photons X sont absorbés par un scintillateur puis convertis en photons lumineux eux-mêmes convertis en signal électrique par une matrice de photodiodes.

1.1.1.1.3. Acquisition et reconstruction de l’image

En Tomodensitométrie le choix des paramètres d'acquisition (Binning, voltage, temps exposition….) influence directement la qualité de l'image. Selon le but recherché, il est nécessaire de trouver des compromis pour obtenir une qualité d'image optimale sans perturber l’état physiologique ou, dans notre cas, la croissance tumorale. Les principaux paramètres modifiés selon les acquisitions sont les suivants :

• Tension et intensité: la modulation de ces paramètres vise à améliorer le compromis entre qualité d’image et irradiation et à diminuer le bruit de fond. Plus on augmente la tension, plus les rayons X sont énergétiques et donc traversant.

L’intensité influence le nombre de rayons X émis par unité de temps, plus l’intensité est élevée plus la quantité de signal détectée est grande ce qui améliore la précision de la mesure (augmente la statistique de comptage) ainsi que le contraste de l’image mais augmente d’autant la dose délivrée à l’animal.

• Binning : c’est le processus d'addition de la valeur des voxels adjacents pour produire un nouveau pixel de plus grande dimension, il est parfois appelé

« regroupement de pixels ». Cette technique permet d'améliorer le rapport

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1341 signal/bruit mais dégrade la résolution. En principe, le bruit est dispersé dans une image de manière uniforme, mais le signal est concentré dans des zones spécifiques.

• Temps d’exposition : le temps d’exposition joue sur la qualité des images ; plus le temps d’exposition est grand, plus le signal recueilli est important et donc meilleure est l’image. Ce paramètre est évidemment lié à la dose d’irradiation délivrée au patient, le temps d’exposition devant donc être choisi le plus faible possible et compatible avec l’obtention d’une image exploitable.

• Gain : il correspond à la tension en volt appliquée au détecteur, plus le gain augmente, plus la sensibilité est améliorée mais plus le bruit augmente aussi.

• Nombre de projections : le fait d’augmenter le nombre de projection permet d’augmenter le nombre de mesures ce qui réduit le bruit de fond. Toutefois, l’augmentation de cette valeur signifie un temps d’acquisition plus long.

• Frame average (projection moyennée): permet de réduire le bruit de fond, en réalisant une moyenne de plusieurs projections acquises sous le même angle de vue.

La tomodensitométrie X est une méthode relativement simple et rapide à mettre en œuvre pour obtenir des images avec une bonne résolution (<100 µm en routine). Compte tenu de cette résolution, il est parfois nécessaire de synchroniser l’acquisition sur des paramètres biologiques (électrocardiogramme, mouvement de la cage thoracique…) afin de s’affranchir du flou physiologique lié aux battements cardiaques et à la respiration.

Mais, de part l’émission de rayons X, les examens ne peuvent être répétés trop souvent et la dose délivrée doit être contrôlée.

L’imagerie par tomodensitométrie X qui permet d’obtenir des images anatomiques est

souvent associée aux imageries métaboliques et fonctionnelles (TEP/TDM, SPECT/TDM) en

tant que bimodalité de repérage anatomique.

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1351 1.1.1.2. L’imagerie nucléaire

L’imagerie nucléaire regroupe les modalités d’imagerie qui mettent en œuvre des radio- isotopes utilisés pour marquer une molécule ou un système biologique et suivre son devenir in vivo.

L’utilisation de radio-isotopes en médecine a débuté rapidement après la découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896. Dès 1913, du radium était injecté par voie intraveineuse afin de traiter diverses pathologies. Les premières études utilisant des radiotraceurs chez l’animal ont débuté en 1924 (de Hevesy, 1950) et permettaient d’améliorer la compréhension des processus métaboliques. Toutefois, l’essor de l’imagerie nucléaire commença véritablement avec le développement de la gamma caméra d’Anger (Anger, 1952), des cyclotrons (Mitchell, 1946) et des radioisotopes artificiels comme le technétium.

Les deux principales techniques d’imagerie nucléaire sont : la Tomographie par Emission de Positons (TEP) lorsque l’isotope utilisé émet des positons, et la scintigraphie planaire ou la Tomographie d’Emission MonoPhotonique (TEMP) lorsque l’isotope utilisé émet des photons gamma (figure 4).

L’imagerie nucléaire permet de réaliser, grâce à l’utilisation de radiotraceurs, une imagerie fonctionnelle quantitative apportant des informations relatives à l’activité métabolique ou moléculaire d’un organe/tissu étudié.

Emetteur positon

Energie max du positon (MeV)

Demi-vie

18

F 0,64 110 min

11

C 0,96 20,4 min

64

Cu 0,65 12,7 h

Emetteur gamma

Energie principale (keV) + abondance (%)

Demi-vie

99m

Tc 140 (88) 6,02 heures

123

I 159 (83) 13,2 heures

111

In 171 (90) 245 (94)

2,8 jours

Figure 4 : Les principaux radioisotopes utilisés en imagerie nucléaire

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1361 Les radiotraceurs utilisés peuvent être soit des atomes seuls, soit des traceurs (molécules simples, médicaments, cellules, hormones ou anticorps) marquées avec un atome radioactif.

Ces radioisotopes doivent pouvoir se fixer chimiquement sur leur cible sans en altérer ses propriétés.

Le choix de l’isotope radioactif se fait sur plusieurs critères :

• La nature de son rayonnement, selon que l’on veut réaliser une imagerie TEP ou TEMP.

• La demi-vie de l’isotope doit être suffisamment longue pour permettre le suivi du processus biologique mais suffisamment courte pour ne pas irradier le patient inutilement.

• L’énergie des photons gamma doit être suffisamment élevée pour qu’ils puissent traverser l’organisme afin d’être détectés mais pas trop forte pour permettre une interaction efficace avec les détecteurs ; une haute sensibilité de détection permettant la mise en œuvre de doses réduites de radioactivité.

1.1.1.2.1. La Tomographie d’Emission MonoPhotonique

La Tomographie d'Emission MonoPhotonique (TEMP) appelée SPECT en anglais (Single Photon Emission Computed Tomography) a été décrite pour la première fois par Ronald J.

Jaszczak (Jaszczak, et al., 1976). C’est une technique d'imagerie médicale nucléaire tomographique basée sur le même principe que la scintigraphie planaire mais permettant de réaliser des images tridimentionnelles.

La TEMP utilise des isotopes qui se désintègrent en émettant directement un photon 1 qui

sera recueilli par une gamma-caméra (figure 5).

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1371 Figure 5 : Emission d’un photon Gamma après remaniement nucléaire

Dispositif d’acquisition et de reconstruction

La gamma caméra est l’élément principal du dispositif d’acquisition. Elle permet de détecter et de comptabiliser les photons gamma émis par le radiotraceur dans l’organisme, de recueillir et de stocker des informations relatives à ces photons (position, énergie). A partir de ces données l’algorithme de reconstruction pourra déterminer la localisation des sources d’émission.

La gamma caméra est constituée des éléments suivants (figure 6) :

• Le collimateur : il sert à sélectionner les photons 1 arrivant selon une incidence particulière. Réalisé dans un matériau absorbant comme le plomb ou le tungstène, il peut être parallèle, convergent/divergent ou pinhole. L’avantage du collimateur parallèle est qu’il permet de conserver une bonne sensibilité alors que le pinhole permet d’améliorer la résolution au détriment de la sensibilité.

• Le cristal scintillant : il permet de transformer l’énergie déposée par les photons incidents en énergie lumineuse via un effet photoélectrique. Il est en général constitué d’iodure de sodium activé au Thalium (NaITl).

• Les photomultiplicateurs : ils détectent les photons incidents émis par le cristal scintillant et transfèrent les données à l’ordinateur.

L’image finale représente ainsi l’accumulation des photons détectés en chaque point de la

gamma caméra.

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1381 Figure 6 : Principe de fonctionnement d’une gamma caméra d’Anger

(Source: JM Lina et C. Laporte)

Des appareils de Tomographie d’Emission MonoPhotonique spécialement dédiés au petit animal ont été développés. Il s’agit en général de systèmes constitués de plusieurs détecteurs qui tournent autour de l’animal et peuvent être couplés à un scanner X ce qui va permettre de donner des informations supplémentaires, notamment anatomiques, et permettre une meilleure localisation des foyers visualisés en TEMP.

Ces nouveaux appareils permettent de réaliser des images avec une résolution effective inférieure au millimètre. Afin d’obtenir une telle résolution, la multiplication des détecteurs n’était pas suffisante. Une rupture technologique, basée sur l’utilisation de collimateurs multi- pinholes multiplexés, a permis d’augmenter cette résolution tout en conservant la sensibilité.

(système NanoSPECT Bioscan Inc, (figure 7)).

Imagerie préclinique et cancérologie expérimentale 1 1391 Figure 7 : Principe de la TEMP/TDM

A : NanoSPECT/CT (Bioscan) ; B : positionnement des détecteurs (Buvat, 2006)

En effet, pour chaque collimateur (4 pour la NanoSPECT) on obtient autant d’images haute résolution qu’il y a de pinholes mais elles sont partiellement superposées (9 par collimateurs pour la nanoSPECT).

Figure 8 : Schémas illustrant deux types de collimation en imagerie TEMP du petit animal a) collimateur pinhole simple ; b) collimateur multi-pinhole plan avec recouvrement partiel de

projections. (Constantinesco, 2007)

A la fin de l’acquisition, les images vont subir une déconvolution afin d’obtenir des images non superposées qui pourront alors être additionnées pour restaurer la sensibilité finale (figure 9).

A B