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In neuro-oncology, the effects of anti-angiogenic treatments are not predictable, as observed in glioblastomas treated with Avastin. Only a minority of patients show a significant response to treatment. Conventional imaging modalities are not able to evaluate the efficiency in the early phase of the treatment. Thus, the challenge remains to find and to validate new biomarkers that are able to predict the early response to such therapies.The aim of this work is to develop and implement a preclinical multiparametric magnetic resonance imaging (MRI) protocol for the characterization and follow up of early microvascular and microstructural changes in the tumor and its peritumoral regions after treatment with Avastin. For this purpose, the quantification of the blood volume and Kmodel (an apparent coefficient that is related to the contrast agent (CA) uptake rate), and evaluation of brain microarchitecture by diffusion tensor imaging were developed and evaluated as biomarkers.The Rapid Steady State T1 (RSST1) method was initially developed for blood volume quantification in the absence of CA extravasation. In the first part of this thesis, we have implemented and adapted this MRI technique for the quantification of both blood volume and Kmodel in tumors where the CA extravasates. We developed a mathematical model for the RSST1 signals that accounts for the unidirectional bi-compartmental exchange of CA from the vascular towards the extravascular compartment. This development allows to the quantification of vascular parameters in a rat glioma model (C6). The results were confirmed using another MRI modality, the steady state magnetic susceptibility method, and quantitative histology.In the second part, we studied the sensitivity of the RSST1 method for the follow up of the glioma response to anti-angiogenic treatment under clinical conditions. In this study, the effect of Avastin treatment in a murine orthotopic U87 MG glioma model was analyzed. The RSST1 method demonstrated a high reproducibility in the blood volume quantification and a superior sensitivity in comparison to CA enhanced T1-weighted imaging (T1W-Gd-DOTA) for the detection and follow-up of the tumor response to Avastin, especially in early stages of tumor progression. Blood volume quantification by MRI was correlated to measures obtained by two-photon microscopy.In the last part of this thesis, we have studied the capacity of diffusion tensor imaging (DTI) coupled with FLAIR (fluid-attenuated inversion recovery) MRI and T1w-Gd-DOTA, to characterize tumor, peritumoral, and contralateral regions of the U87MG glioma model. We quantified DTI parameters before and during the invasion of tumor cells induced by Avastin in the peritumoral zone for different administration modes: intravenous and intratumoral via Convention-Enhanced Delivery. Therefore, the delineation of peritumoral regions for each tumor in an early stage was based on anatomical images, that took into account the individual tumor progression at later stages. Significant differences were detected for DTI parameters between the tumor, peritumoral, and contralateral regions and a different evolution of these parameters was noticed according to the Avastin injection mode., En neuro-oncologie, les effets des traitements anti-angiogéniques utilisés pour inhiber la microvascularisation tumorale ne sont pas bien maîtrisés, comme dans le cas des glioblastomes traités par Avastin. Seulement une partie des patients montre une réponse significative au traitement. L’imagerie conventionnelle anatomique ne permet pas d’évaluer l’efficacité de ce traitement. Le défi est de trouver et valider des nouveaux biomarqueurs capables de prédire la réponse tumorale précocement. L’objectif principal de cette thèse est de développer et de mettre en place un protocole préclinique d’imagerie par résonance magnétique (IRM) multiparamétrique, qui est capable de caractériser et de suivre précocement l’évolution après traitement par l’Avastin : la microvascularisation et des microstructures dans la tumeur et sa région péritumorales. Dans ce but, la quantification du volume sanguin (VS), du Kmodel (i.e coefficient apparent d’accumulation de l’agent de contraste (AC)) et l’évaluation de la microarchitecture par la technique d’IRM de diffusion DTI ont été développées et évaluées comme biomarqueurs.Dans un premier temps, nous avons développé et mis en place la méthode Rapid Steady State T1 (RSST1) pour la quantification du VS et du Kmodel dans la tumeur où l’AC s’extravase. Cette technique a été développée initialement pour quantifier le volume sanguin en l’absence d’extravasation de l’AC. Le développement ainsi effectué durant ma thèse repose sur la modélisation du signal d’extravasation RSST1 par un modèle mathématique qui prend en compte l’échange bi-compartimental et unidirectionnel de l’AC du compartiment vasculaire vers le compartiment extravasculaire. Ce développement a permis de quantifier les paramètres vasculaires dans le cas du gliome C6 chez le rat. Les résultats ont été confirmés par d’autres modalités d’imagerie (Technique stationnaire de susceptibilité magnétique et par histologie).Dans un second temps, nous avons étudié la sensibilité de la méthode RSST1 pour le suivi de la réponse tumorale à traitement antiangiogénique dans des conditions proches de la clinique. Pour cette étude, le modèle du gliome humain U87 MG a été utilisé chez la souris sous traitement par Avastin. La méthode RSST1 s’est avérée reproductible pour la mesure du VS et plus sensible que l’imagerie pondérée T1 (avec injection du Gd-DOTA comme AC, T1w-Gd-DOTA) pour détecter et pour suivre la réponse tumorale à l’Avastin notamment à des stades précoces de la progression tumorale. Nos résultats concernant la mesure du VS ont été corrélés aux mesures effectuées par la microscopie à deux photons.Enfin, dans la dernière partie de cette thèse nous avons étudié la capacité de l’imagerie du tenseur de diffusion (DTI), couplée à l’IRM de type FLAIR (fluid-attenuated inversion recovery) et T1w-Gd-DOTA, pour caractériser les régions tumorales, péritumorales et controlatérales dans le modèle U87MG. La quantification des paramètres DTI nous a permis d’évaluer les changements des microstructures dans la région peritumorale avant et pendant l’invasion cellulaire provoquée par l’Avastin pour différents modes d’administration : intraveineux, intratumoral par convection-enhanced delivery. La délinéation des régions péritumorales a été basée sur les images anatomiques, mais nous avons aussi pris en compte la progression intrinsèque de chaque tumeur. Une différence significative des paramètres DTI a été détectée entre les régions tumorales, péritumorales et controlatérales et une évolution différente de ces paramètres a été constatée selon le mode d’injection de l’Avastin.

Brain tumors are the third most frequent pathology encountered in neurology following stroke and dementia. Approximately 10 new cases are encountered each year in a population of 100.000. Glioblastoma are the most aggressive among brain tumors and despite medical progress they suffer of a poor prognosis (median survival time is 12 months; five years survival rate is 2%).One of the challenges in neuro-oncology is the development of new curative treatments against glioblastoma. One of them, the photoactivation therapy of platinum with synchrotron X-rays (PAT-Plat) was developed during the last years and has shown curative effects in rats bearing the F98 glioma.In the present study, we have attempted to characterize the effects of the PAT-Plat and its different modalities (chemotherapy with cisplatin and synchrotron radiotherapy) on healthy brain tissue and microvasculature as well as on the F98 glioma. Intravital multiphoton microscopy was used as the main imaging tool to investigate the effects of the PAT-Plat and many methodologies were developed (assessement of blood-brain-barrier (BBB) disruption, imaging of tumor microvasculature, staining of astrocytes and elastic fibers).We have shown that a 15Gy/79keV synchrotron irradiation does not induce short term side effects (BBB disruption, diminution of the perfusion, gliosis, ...) in the parietal cortex of nude mice. We have also demonstrated that a synergystic effect between cisplatin and irradiation is at the origin of the effects of the PAT-Plat. Finally, we have shown that the action of the PAT-Plat is not restricted to tumor cells; a decrease in the angiogenic vessels perfusion was also observed in the peritumoral area of the F98 glioma.; Les tumeurs intracrâniennes font partie des pathologies les plus fréquentes en neurologie après les accidents vasculaires cérébraux et les démences. On estime leur incidence à 10 nouveaux cas par an pour 100000 personnes. Les glioblastomes en sont la forme la plus virulente et malgré les avancées médicales des dernières années leur pronostic demeure très pessimiste. En effet, la médiane de survie est de l'ordre de 12 mois et le taux de survie à 5 ans est seulement de 2%.L'un des enjeux actuels de la recherche en neuro-oncologie est de mettre au point de nouveaux traitements à visée curative. C'est le cas de la thérapie de photoactivation du platine par irradiation synchrotron (PAT-Plat), technique qui a été développée au cours des dernières années et qui a montré des effets curatifs chez des rats porteurs du gliome F98.Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à mieux caractériser les effets de la PAT-Plat et de ses différentes modalités (chimiothérapie à base de cisplatine et radiothérapie synchrotron) sur les tissus et la vascularisation cérébrale saine ainsi que sur le gliome F98. La microscopie biphotonique intravitale a été utilisée comme méthode d'observation et notre étude a donné lieu au développement de plusieurs méthodes (observation de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE), imagerie de la vascularisation tumorale, marquage des astrocytes et des fibres élastiques en intravital).Nous avons ainsi démontré qu'une irradiation synchrotron (15Gy/79keV) n'entraînait pas d'effets secondaires à court terme (rupture de la BHE, diminution de la perfusion, gliose, ...) dans le cortex pariétal de souris nude. Nous avons également mis en évidence qu'un effet de synergie entre le cisplatine et l'irradiation était à l'origine des effets spectaculaires de la PAT-Plat. Enfin, nous avons souligné qu'outre son action sur les cellules tumorales, la thérapie entraînait une diminution de la perfusion des vaisseaux angiogéniques.

Brain tumors are the third most frequent pathology encountered in neurology following stroke and dementia. Approximately 10 new cases are encountered each year in a population of 100.000. Glioblastoma are the most aggressive among brain tumors and despite medical progress they suffer of a poor prognosis (median survival time is 12 months; five years survival rate is 2%).One of the challenges in neuro-oncology is the development of new curative treatments against glioblastoma. One of them, the photoactivation therapy of platinum with synchrotron X-rays (PAT-Plat) was developed during the last years and has shown curative effects in rats bearing the F98 glioma.In the present study, we have attempted to characterize the effects of the PAT-Plat and its different modalities (chemotherapy with cisplatin and synchrotron radiotherapy) on healthy brain tissue and microvasculature as well as on the F98 glioma. Intravital multiphoton microscopy was used as the main imaging tool to investigate the effects of the PAT-Plat and many methodologies were developed (assessement of blood-brain-barrier (BBB) disruption, imaging of tumor microvasculature, staining of astrocytes and elastic fibers).We have shown that a 15Gy/79keV synchrotron irradiation does not induce short term side effects (BBB disruption, diminution of the perfusion, gliosis, ...) in the parietal cortex of nude mice. We have also demonstrated that a synergystic effect between cisplatin and irradiation is at the origin of the effects of the PAT-Plat. Finally, we have shown that the action of the PAT-Plat is not restricted to tumor cells; a decrease in the angiogenic vessels perfusion was also observed in the peritumoral area of the F98 glioma., Les tumeurs intracrâniennes font partie des pathologies les plus fréquentes en neurologie après les accidents vasculaires cérébraux et les démences. On estime leur incidence à 10 nouveaux cas par an pour 100000 personnes. Les glioblastomes en sont la forme la plus virulente et malgré les avancées médicales des dernières années leur pronostic demeure très pessimiste. En effet, la médiane de survie est de l'ordre de 12 mois et le taux de survie à 5 ans est seulement de 2%.L'un des enjeux actuels de la recherche en neuro-oncologie est de mettre au point de nouveaux traitements à visée curative. C'est le cas de la thérapie de photoactivation du platine par irradiation synchrotron (PAT-Plat), technique qui a été développée au cours des dernières années et qui a montré des effets curatifs chez des rats porteurs du gliome F98.Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à mieux caractériser les effets de la PAT-Plat et de ses différentes modalités (chimiothérapie à base de cisplatine et radiothérapie synchrotron) sur les tissus et la vascularisation cérébrale saine ainsi que sur le gliome F98. La microscopie biphotonique intravitale a été utilisée comme méthode d'observation et notre étude a donné lieu au développement de plusieurs méthodes (observation de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE), imagerie de la vascularisation tumorale, marquage des astrocytes et des fibres élastiques en intravital).Nous avons ainsi démontré qu'une irradiation synchrotron (15Gy/79keV) n'entraînait pas d'effets secondaires à court terme (rupture de la BHE, diminution de la perfusion, gliose, ...) dans le cortex pariétal de souris nude. Nous avons également mis en évidence qu'un effet de synergie entre le cisplatine et l'irradiation était à l'origine des effets spectaculaires de la PAT-Plat. Enfin, nous avons souligné qu'outre son action sur les cellules tumorales, la thérapie entraînait une diminution de la perfusion des vaisseaux angiogéniques.