Study of the impact of cell radiolabelling with β+ emitters for PET imaging : dosimetric development on a multi-cellular scale, analysis of influencing parameters and application for ¹⁸F-FDG labelling
Etude de l’impact du radiomarquage de cellules avec des émetteurs β+ pour l'imagerie TEP : développement dosimétrique à l'échelle multi-cellulaire, analyse des paramètres d'influence et application au cas du ¹⁸F-FDG
Résumé
In vitro labelling of cells with β+-emitting radionuclides combined with nuclear medicine imaging is a potential method for in vivo cell trafficking analysis with PET imaging. The labeling-associated exposition of cells to high levels of activity still raises some concerns since it may result in cell death and therefore a loss of image quality. In addition, the administration of potentially damaged cells rises essential questions regarding the safety of such procedure. This research work was conducted with a view of better understand the issues underlying the radiolabelling procedure in order to optimize the current clinical practice. More precisely, this thesis focused on the calculation of the absorbed doses to cells during in vitro ¹⁸F-FDG radiolabelling and the correlation to the biological observed effects. As a first step, computing tools at the multi-cellular scale were developed and optimized. Based on a generic approach, we explored and compared several hybrid methods mixing Monte Carlo simulations, analytic approaches or molecular dynamics. Then, JURKAT and adipose mesenchymal stem cells (adMSCs) were radiolabelled with ¹⁸F-FDG and tested for clonogenic survival assay, cell cycle analysis and ᵧ-H2AX phosphorylation quantification. A multi-cellular dosimetry model describing the full experiment, from the incubation of cells with ¹⁸F-FDG, washing steps, to culture of cells for functional assays was developed. Dynamic changes in cell density, as well as experimentally determined activity uptake and retention with time were thus considered. Lastly, the mean cell absorbed dose was correlated with the three biological endpoints and results were compared with X-ray irradiation. The results helped to better understand the irradiation features associated to ¹⁸F-FDG labelling and the observed biological effects, thus providing a knowledge base in favour of harmonizing the labelling methods.
En médecine nucléaire, suite au marquage de cellules in vitro avec des radionucléides, l’évaluation des doses reçues à la cellule est essentielle pour comprendre les effets biologiques associés et comparer différentes expériences entre elles. Réalisée notamment avec des émetteurs β+ pour le suivi de cellules par imagerie TEP, la procédure implique l’utilisation de fortes activités dans un volume restreint pouvant alors induire des doses élevées et entrainer une mortalité cellulaire et par la même une perte de la qualité de l’image. Ce travail de recherche s’inscrit dans la perspective de mieux appréhender les enjeux qui sous-tendent cette procédure et d’éclairer les pratiques actuelles. Dans ce cadre, l’étude a porté plus précisément sur l’évaluation réaliste des doses reçues aux cellules lors d’un radiomarquage de cellules au ¹⁸F-FDG pour l’imagerie TEP et leur corrélation aux effets observés. Une première partie du travail de thèse a reposé sur le développement et l’optimisation d’outils de calculs de dose à l’échelle cellulaire. Une analyse comparée de plusieurs méthodes de calculs hybrides a été réalisée en s’appuyant sur des approches analytiques, Monte Carlo ou de la dynamique moléculaire. L’impact de différents facteurs comme la densité cellulaire et l'efficacité de marquage sur les doses aux cellules a pu être ainsi étudié et discuté. Dans un second temps, des expériences de radiomarquage de cellules mésenchymateuses et lymphoblastoïdes au ¹⁸F-FDG ont été réalisées suivies d’une évaluation de la survie clonogénique, du cycle cellulaire et de la cinétique d’apparition et réparation de cassures double brins. Pour relier les effets observés à des doses précises, un modèle dosimétrique multi-cellulaire a été développé, prenant en compte l’ensemble des étapes de l’expérience. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre l’exposition des cellules au cours des étapes de marquage et des conséquences fonctionnelles sur les cellules marquées, apportant ainsi une base de connaissances pour une future standardisation des méthodes de marquage.
Origine : Version validée par le jury (STAR)