Tumeurs cérébrales & rayonnement synchrotron : développements méthodologiques en imagerie quantitative de la perfusion et en radiothérapie renforcée par effet photo-électrique.

Brain tumors and Synchrotron Radiation : quantitative brain perfusion imaging and radiation therapy of primary brain tumors

• Auteur / Autrice : Jean-François Adam
• Direction : François Estève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biologique et médical
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gliomes

Synchrotrons

Résumé

Les gliomes de haut grade sont les tumeurs cérébrales primitives les plus fréquentes chez l'adulte. Ils restent incurables et leur traitement est essentiellement palliatif, malgré les progrès des outils de diagnostic et de suivi, de certaines thérapies nouvelles, et de la biologie moléculaire. Il est établi que la néo-angiogénèse joue un rôle fondamental dans le mécanisme de croissance des gliomes et que la perfusion est représentative de l'activité tumorale. La tomodensitométrie quantitative par rayonnement synchrotron est une des seules techniques qui permet, in vivo, de mesurer de façon absolue des paramètres clés de la perfusion cérébrale, à partir de la quantification des concentrations d'un agent de contraste. Les propriétés particulières du rayonnement synchrotron (haut flux et rayonnement monochromatique) trouvent des applications, non seulement dans le domaine de l'imagerie médicale, mais aussi dans celui de la radiothérapie. En radiothérapie conventionnelle, le traitement des gliomes reste un point très délicat, car la dose de radiation qui peut être délivrée à la tumeur est limitée par la forte radiosensibilité des tissus sains adjacents. Une solution pour augmenter le dépôt d'énergie spécifiquement dans la zone tumorale, est d'injecter au patient un agent de contraste de numéro atomique élevé pendant l'irradiation. Celui-ci qui va préférentiellement s'accumuler dans la tumeur, à cause de la rupture localisée de la barrière hémato-encéphalique. L'irradiation est réalisée en mode tomographique (CT-Thérapie), le faisceau est ajusté aux dimensions de la tumeur, celle-ci étant placée au centre de rotation du dispositif. L'augmentation du dépôt de dose à la tumeur par rapport aux tissus sains, résulte de la combinaison d'un effet balistique (dû à la géométrie de l'irradiation) et de l'activation photonique des atomes lourds de l'agent de contraste (effet photoélectrique). Les rayons X issus d'une source synchrotron sont idéaux pour ce genre de traitement, car on peut aisément régler l'énergie d'irradiation et la largeur du spectre d'énergie. On obtient ainsi une irradiation quasi-monochromatique de basse énergie, optimisée pour un différentiel optimal entre dose la dose délivrée à la tumeur et la dose délivrée aux tissus sains. Les deux méthodes développées dans cette thèse apportent de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes de développement des tumeurs et dans leur traitement par radiothérapie. Elles mettent en avant l'intérêt du rayonnement synchrotron pour les mesures tomographiques quantitatives de la perfusion cérébrale ainsi que pour a mise en œuvre de nouvelles modalités thérapeutiques des tumeurs cérébrales.

High-grade gliomas are the most frequent type of primary brain tumors in adults. Unfortunately, the management of glioblastomas is still mainly palliative and remains a difficult challenge, despite advances in brain tumor molecular biology and in some emerging novel therapies. Synchrotron radiation opens new fields for medical imaging and radiation therapy by using monochromatic intense x-ray beams. It is now well known that angiogenesis plays a critical role in the tumor growth process and that brain perfusion is representative of the tumor mitotic activity. Synchrotron Radiation Quantitative Computed Tomography is one of the most accurate techniques for measuring in vivo contrast agent concentration and thus computing precise and accurate absolute values of the brain perfusion key parameters. In conventional radiotherapy, treatment of brain tumors remains a delicate challenge, because the damages to the surrounding normal brain tissue limit the amount of radiation that can be delivered. One strategy to overcome this limitation is to infuse an iodinated contrast agent to the patient during the irradiation. The contrast agent accumulates in the tumor, through the broken blood brain barrier, and the irradiation is performed with kilovoltage X-rays, in tomographic mode, the tumor being located at the center of rotation and the beam size adjusted to the tumor dimensions. The dose enhancement results from the photoelectric effect on the heavy element and from the irradiation geometry. Synchrotron beams, providing high intensity, tunable monochromatic X-rays, are ideal for this treatment. The beam properties allow the selection of monochromatic irradiation, at the optimal energy, for a maximal dose deposit in the tumor, while sparing healthy tissues. The two complementary methods developed in this thesis offer new perspectives in the understanding of glioma growth process and in their treatment by radiation therapy. They show the potential of synchrotron radiation for absolute brain perfusion imaging, and for new therapeutic modalities using intense monochromatic X-rays.