Multi-scale dosimetry for Targeted Radionuclide Therapy optimisation

Dosimétrie multi-échelle pour l'optimisation de la radiothérapie interne vectorisée

Sara Marcatili (1)

1 CRCT - Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse

Targeted Radionuclide Therapy (TRT) consists in killing tumour targets by using radiolabeled vectors (radiopharmaceuticals) that selectively bind to tumour cells. In a context of TRT optimization, a better determination of energy deposition within biologic material is a prerequisite to the definition of the absorbed dose-effect relationship and the improvement of future cancer treatment. This requires being able to quantitatively assess activity distribution (with the most appropriate molecular imaging technique) and perform radiation transport at the scale at which biologically relevant phenomena occur. The methodologies that should be applied and the problematic to be faced strictly depend on the scale (cell, tissue, body) of the application considered, and on the type of radiation involved (photons, electrons, alpha). This research work consisted in developing dedicated dosimetric techniques (single-scale dosimetry) capable of taking into account the peculiarity of different experimental scenarios (cellular, pre-clinical, clinical TRT). All methods developed were tested in the framework of actual research applications and experiments: • The development and validation of a 3D cellular model allowed a better understanding of the radiative and non-radiative processes associated to cellular death in the case of clonogenic survival experiments involving beta emitters. • A Monte Carlo based application for the calculation of the absorbed dose distributions in ex-vivo mouse tumours helped in assessing the absorbed dose- effect relationship for three different antibodies labelled with an alpha emitter (212Pb). • In addition, a comparison of different absorbed dose calculation algorithms in a diagnostic context highlighted the potential limits of standard dosimetric approaches currently employed in the clinic. • An adaptive resolution approach to clinical dosimetry (multi-scale dosimetry) is also proposed in order to increase the accuracy of absorbed dose delivery in small radiosensitive organs.

La Radiothérapie Interne Vectorisée (RIV) consiste à détruire des cibles tumorales en utilisant des vecteurs radiomarqués (radiopharmaceutiques) qui se lient sélectivement à des cellules tumorales. Dans un contexte d'optimisation de la RIV, une meilleure détermination du dépôt d'énergie dans les tissues biologiques est primordiale pour la définition d’une relation dose absorbée - effet biologique et pour l'optimisation des traitement du cancer. Cela nécessite une évaluation quantitative de la distribution de l'activité (avec la technique d’imagerie moléculaire la plus appropriée) et d’effectuer le transport du rayonnement à l'échelle à laquelle se produisent les phénomènes biologiques pertinents. Les méthodologies à appliquer et les problématiques à établir dépendent strictement de l'échelle (cellule, tissu, organe) de l'application considérée, et du type de rayonnement en cause (photons, électrons, particules alpha). Mon travail de recherche a consisté à développer des techniques dosimétriques dédiées (dosimétrie mono-échelle) et innovantes, capables de prendre en compte la particularité de différents scénarios expérimentaux (cellulaire, pré-clinique, RIV clinique). Les méthodes mises en œuvres au cours de cette thèse (dans le cadre d’application dosimétrique réelles) sont : • Le développement et la validation d'un modèle cellulaire 3D qui ont permis une meilleure compréhension des processus radiatifs et non radiatifs associés à la mort cellulaire dans le cadre d'expériences de survie clonogénique avec des émetteurs bêta. • Une application Monte-Carlo pour le calcul des distributions de dose absorbée dans les tumeurs de souris ex vivo qui a permis d’établir une relation dose absorbée - effet pour trois anticorps différents marqués par un émetteur alpha (212Pb). • Une comparaison des différents algorithmes de calcul de dose absorbée dans un contexte de diagnostic qui a mis en évidence les limites potentielles des approches dosimétriques standards actuellement utilisées en clinique. • Une approche de résolution adaptative pour la dosimétrie clinique (dosimétrie multi-échelle) également proposée afin d'augmenter la précision sur la dose absorbée dans de petits organes radiosensibles.

Mots clés: Targeted radionuclide therapy; Cellular dosimetry; Preclinical dosimetry; Clinical dosimetry; Monte Carlo modelling – Multi-scale dosimetry; Targeted radionuclide therapy; Cellular dosimetry; Preclinical dosimetry; Clinical dosimetry; Monte Carlo modelling – Multi-scale dosimetry

Mots clés: Radiothérapie interne vectorisée; dosimétrie cellulaire; dosimétrie préclinique; dosimétrie clinique; modélisation Monte Carlo; dosimétrie multi-échelle; Radiothérapie interne vectorisée; dosimétrie cellulaire; dosimétrie préclinique; dosimétrie clinique; modélisation Monte Carlo; dosimétrie multi-échelle

Domaines: Physique Médicale [physics.med-ph]

Sara Marcatili. Multi-scale dosimetry for Targeted Radionuclide Therapy optimisation. Medical Physics [physics.med-ph]. Universite Toulouse III Paul Sabatier, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01248412v2⟩