Life Sciences Université Paris-Saclay

Ensemble, deux plateformes de l’Institut des Sciences du Vivant Frédéric Joliot (CEA, Centre de Saclay) –  la plateforme de marquage isotopique (DMTS/SCBM, Saclay) et la plateforme de radiochimie (SHFJ/BIOMAPS, Orsay) – « unissent » des demi-vies extrêmes des radioisotopes du carbone qu’ils manipulent, et apportent la preuve de concept d’une stratégie « click » pour le marquage isotopique de molécules pharmaceutiques contenant des urées ou des carbamates !

Contexte et résultats : Le marquage de molécules organiques par des isotopes radioactifs du carbone est indispensable au développement de médicaments. D'un côté, le carbone-14 (14C), au temps de demi-vie long (5730 ans), est utilisé en préclinique pour étudier le métabolisme et la biodistribution des candidats médicaments. De l'autre, le carbone-11 (11C), au temps de demi-vie ultra-court (20 minutes) est exploité pour marquer des molécules utilisées pour l'imagerie moléculaire par tomographie par émission de positons. Bien que partageant des propriétés chimiques identiques, ces deux isotopes radioactifs présentent des propriétés physiques opposées, qui nécessitent généralement des stratégies différentes pour leur insertion dans des structures organiques. Or, étant donné la complémentarité de leur utilisation, des procédures de marquage communes seraient bénéfiques pour la R&D pharmaceutique. Dans les deux cas, la source de carbone est la même : le dioxyde de carbone (CO2). Le travail en synergie des deux plateformes a permis de réaliser le marquage par l'insertion directe du CO2 radioactif (11C ou 14C) dans des molécules organiques contenant des urées ou des carbamates cycliques, en une seule étape et en quelques minutes. Ces motifs moléculaires entrent dans la composition de nombreux produits pharmaceutiques, phytosanitaires ou encore de plastiques.

En savoir plus ? Del Vecchio et al. Chem. Comm. 2020.

La plateforme de marquage isotopique du CEA / Paris-Saclay (Institut Joliot, Département Médicaments et Technologies pour la Santé, Service de Chimie Bioorganique et de Marquage, Gif-sur-Yvette) est unique sur le territoire Paris-Saclay. Forte de son expertise dans la préparation (synthèse, contrôle de qualité) et formulation de molécules marqués, elle assure régulièrement des prestations et collaborations, académiques comme industrielles, dans le domaine du (radio)marquage moléculaire. Elle offre également à la demande, son expertise et environnement unique de travail (laboratoires « chauds », équipements dédiés) pour l’analyse et la caractérisation d’échantillons radioactifs : mesure de puretés chimique et radiochimique par HPLC, détermination d'enrichissements isotopiques et d'activités spécifiques par SM, analyse et détermination structurale par RMN liquide comme solide, mesure d’activités radioactives par comptage à scintillation.

La plateforme de radiochimie du CEA / Paris-Saclay (Institut Joliot, SHFJ, BioMaps, Orsay) a pour vocation de synthétiser des radiotraceurs pour la recherche biomédicale, en particulier pour l’imagerie par tomographie d’émission de positons, à partir d’émetteurs de positons produits sur site (carbone-11, oxygène-15, -18) ou importés (par exemple -89).

Contact : Davide Audisio (davide.audisio@cea.fr) et Fabien Caillé (fabien.caille@cea.fr)

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texte adapté de l’actualité scientifique parue sur le site web de l’Institut JOLIOT

Dans le cadre d’une collaboration entre l’Institut des sciences du vivant Frédéric Joliot du CEA de Saclay (SIMoS, NeuroSpin et BioMaps) et l’Institut Butantan de Sao Paulo (Brésil), des chercheurs ont mis en évidence des altérations fonctionnelles et morphologiques du système nerveux périphérique (SNP) chez un modèle murin expérimental de sclérose en plaques (SEP), une maladie auto-immune démyélinisante caractérisée par une infiltration de cellules mononucléées dans le système nerveux central (SNC). Ces travaux, publiés dans la revue Journal of Neuroinflammation, représentent une avancée notable dans l’étude de cette maladie car la perte d'auto-tolérance immunologique au peptide MOG (pour Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein) chez les patients atteints de SEP peut être attribuée à l'expression restreinte de cet antigène dans l'environnement immunologiquement privilégié non seulement du SNC mais aussi du SNP.

L'encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est le modèle murin expérimental de SEP humaine le plus couramment utilisé et le plus pertinent, d’un point de vue clinique, car il reproduit chez l'animal les altérations anatomiques et comportementales observées chez l'homme atteint de cette maladie, incluant notamment l'inflammation du SNC, la démyélinisation des neurones et les anomalies motrices. Une évaluation multiple de l'excitabilité nerveuse périphérique, entreprise in vivo au moyen d'une méthode électrophysiologique peu invasive, révèle que des anomalies fonctionnelles, caractéristiques d’un processus de démyélinisation, se produisent au niveau du SNP de souris EAE, 2 et 4 semaines après leur immunisation avec le peptide MOG. En accord, l'épaisseur de la gaine de myéline des nerfs sciatiques des souris EAE, déterminée in vitro en utilisant la microscopie électronique à transmission, est réduite par rapport à celle des animaux témoins (CFA).

Contact : evelyne.benoit@cea.fr

Figure 1: Estimation par simulation GATE de la distribution de la dose lors d'un traitement d'une tumeur cérébrale par faisceaux d'ions carbone-12

Des scientifiques de la collaboration internationale OpenGATE, dont certains chercheurs du laboratoire BioMaps (coordinateur scientifique de la collaboration entre 2003 et 2018), ont montré l’intérêt de la plateforme de simulation numérique GATE dans le cadre d’une utilisation clinique pour la planification des traitements du cancer en radiothérapie par utilisation de faisceaux d’ions légers, l’hadronthérapie.

La simulation numérique est largement utilisée pour optimiser et individualiser les protocoles de radiothérapie conventionnelle (utilisation de photons pour traiter la cible tumorale) chez les patients. Cette approche souffre néanmoins d’un manque de précision pour des applications en hadronthérapie qui concernent des faisceaux de protons ou d’ion carbone-12.   

GATE est un code de calcul qui s’est développé ces dernières années pour modéliser des systèmes d’imagerie médicale (imagerie nucléaire, radiographie par rayons X, imagerie optique) et également les systèmes de radiothérapie. La plateforme GATE propose un calcul des interactions particules/matière par approche Monte-Carlo, permettant d’atteindre un niveau de précision supérieure aux techniques analytiques classiquement utilisées pour ces applications.  

Ce travail a permis de valider l’utilisation de GATE pour simuler des traitements en hadronthérapie sur la base de protocoles concrets d’hadronthérapie réalisés dans 3 grands centres européens (Imagerie protonique et calcul de dose en protonthérapie au Centre Antoine Lacassagne, Nice, France et au Christie NHS Foundation Trust, Manchester, Royaume-Uni ; calcul de la dose en faisceaux de protons et d'ions carbone au centre MedAustron IonTherapy, Wiener Neustadt, Autriche). Les applications présentées utilisent trois machines totalement différentes (constructeurs et technologies), ce qui a permis de mettre en évidence la polyvalence et l’applicabilité de la plateforme de simulation Opensource GATE dans un environnement clinique.

Ce nouveau pont entre la recherche fondamentale en physique des particules, la simulation numérique, et l’expérience des thérapeutes utilisateurs de faisceaux d'ions légers montre la pertinence de la collaboration OpenGATE au profit de l’optimisation des protocoles de radiothérapie du cancer.

Contact : Sébastien Jan sebastien.jan@cea.fr

Site du laboratoire : http://www.biomaps.universite-paris-saclay.fr/

Article

GATE‐RTion: a GATE/Geant4 release for clinical applications in Scanned Ion Beam Therapy.

1. Grevillot, D.J. Boersma, H. Fuchs, A. Aitkenhead, A. Elia, M. Bolsa, C. Winterhalter, M. Vidal, S. Jan, U. Pietrzyk, L. Maigne, D. Sarrut. Medical Physics,  doi.org/10.1002/mp.14242, 2020.

Dans une étude publiée dans Scientific Reports, des chercheurs et des médecins (Ingrid Leguerney, Dr Alexandre Ingels, Pr Nathalie Lassau) de l’équipe « imagerie en cancérologie » du laboratoire d’imagerie biomédicale multimodale (BioMaps, Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, Inserm), située à Gustave Roussy, ont évalué par imagerie moléculaire ultrasonore la réponse au sunitinib dans un modèle de carcinome rénal à cellules claires (ccRCC). Cette étude s’est faite en étroite collaboration avec le Lab MICS de CentraleSupelec (Paul-Henry Cournède) et les service d’urologie (Pr J Irani) et d’anatomopathologie du Kremlin Bicêtre (Sophie Ferlicot).

Le sunitinib, traitement de première intention recommandé pour le ccRCC, est un inhibiteur de protéines tyrosine kinase, y compris les récepteurs du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGFR), qui jouent des rôles clés dans la vasculogenèse et l’angiogenèse. Néanmoins, à ce jour, il n’y a aucun marqueur validé pour prédire la réponse aux thérapies ciblées. L'échographie est largement utilisée en routine clinique permettant des évaluations en temps réel. L’intérêt de l’imagerie de contraste ultrasonore basée sur la détection de microbulles a été démontré pour de vastes indications cliniques. Des microbulles fonctionnalisées permettent désormais de quantifier des évènements à l’échelle moléculaire, en détectant le signal issu des microbulles fixées sur des récepteurs spécifiques présents à la surface des cellules endothéliales.

L’équipe a réalisé une étude originale en évaluant le VEGFR-1 et le FSHR (Follicle Stimulating Hormone Receptor) sur un modèle de greffe dérivé du patient. Des tumeurs de rein ont été prélevées immédiatement après néphrectomie de patients dans des zones non-nécrotiques et non-kystiques, puis implantées sous la capsule rénale de souris dans des conditions strictes d’asepsie. Les souris ont été randomisées entre les traitements placebo et sunitinib, puis imagées avant thérapie puis aux jours 7, 14 et 28 suivant le début des administrations. L’imagerie moléculaire a permis de quantifier le signal spécifique et d’évaluer les modifications d’expression des récepteurs VEGFR-1 et FSHR au cours du temps et de les comparer au signal non spécifique. Une expression significativement plus faible des signaux d'imagerie par ultrasons moléculaires VEGFR-1 et FSHR a été observée dans le groupe sunitinib à tout moment du traitement. Ces résultats montrent le potentiel de ces cibles pour suivre la réponse au sunitinib dans le ccRCC. L’imagerie moléculaire par ultrasons permet de suivre des changements moléculaires de la tumeur se produisant avant les changements de vascularisation et de volume tumoral après les thérapies de ciblage VEGFR.

Légende Figure : Ultrasound molecular imaging acquisitions after injections of non-targeted (NT) microbubbles and microbubbles targeted to VEGFR-1 and FSHR. The targeting is determined 10 minutes after the bolus injection to allow the targeted microbubbles to bind to their endothelial molecular receptors. The microbubbles are then destroyed for a very short time before visualizing the replenishment. The specific signal (DTE, Differential Targeted Enhancement) in arbitrary unit (a.u.) corresponds to the difference between the signal at 10 minutes and the signal after the replenishment. The quantity is proportional to the amount of biomarkers within the region of interest.

Contact : ingrid.leguerney@gustaveroussy.fr

L’imagerie multimodale offre des perspectives uniques en cancérologie. L’approche TEP-IRM multiparamétrique utilisant l’imagerie de diffusion reste limitée en oncologie thoracique, en raison de nombreux artéfacts de distorsion géométrique. Des chercheurs de l’université Paris-Saclay (équipe BioMaps, Laboratoire de mathématiques d’Orsay, Hôpital Marie Lannelongue), de l’AP-HP (GH Paris-Saclay, CHU Bicêtre) et GE Healthcare ont validé une technique de correction de ces artéfacts sur des cancers pulmonaires, permettant de réaliser, à l’échelle du voxel, des analyses multiparamétriques beaucoup plus fiables. Leurs travaux font l’objet d’une publication récente dans Radiology.

La méthode d’inversion de codage de phase permet de corriger les distorsions en imagerie de diffusion echo-planar. Cette méthode a été implémentée sur dispositif TEP-IRM 3T, validée pour la première fois sur fantôme expérimental, et appliquée sur 12 patients consécutifs présentant un cancer du poumon.

La méthode a corrigé les déformations géométriques du fantôme expérimental, et réduit significativement les erreurs des valeurs des coefficients de diffusion apparent (ADC) de la majorité des voxels situés initialement dans les zones artéfactées. Chez tous les patients, une amélioration significative de l’alignement des données d’imagerie multimodales a été observée, modifiant significativement les valeurs d’ADC des tumeurs pulmonaires. Les images de diffusion non biaisées ont permis d’effectuer des analyses régionales tumorales multiparamétriques beaucoup plus fiables à l’échelle du voxel. L’inversion de codage de phase améliore l’imagerie de diffusion en TEP-IRM appliquée au cancer du poumon, et offre de nombreuses perspectives d’imagerie multiparamétrique TEP-IRM quantitative en oncologie thoracique.

Contact : florent.besson@aphp.fr

Le phénomène d’hyper-progression sous immunothérapie (hyper-progressive disease, HPD) correspond à une accélération paradoxale et inattendue de la croissance tumorale chez des patients lors de l’initiation d’un traitement par immunothérapie. Alors que les critères habituels utilisés en imagerie pour l’évaluation tumorale (ex. RECIST 1.1) ne prennent pas en compte la cinétique évolutive de la maladie, les chercheurs privilégient une approche dynamique permettant d’apprécier un taux de croissance tumorale (tumor growth rate, TGR). Cependant, il n’existe pas de consensus pour la méthode de calcul du TGR si bien que la définition même de l’HPD peut varier d’un centre à l’autre. Il est donc essentiel d’établir une définition consensuelle afin de mieux décrire la prévalence de l’HPD, et de trouver des biomarqueurs permettant de prédire sa survenue. Ces critères permettraient d’optimiser les conditions de prescription de l’immunothérapie chez les patients atteints de cancer.

Dans un article publié dans JAMA Oncology, des chercheurs de l’unité BioMaps (Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, Inserm) travaillant à Institut Gustave Roussy ont analysé les données d’imagerie issues d’une importante cohorte de 406 patients traités par immunothérapie pour un cancer bronchique métastatique.

Cette cohorte, déjà décrite dans une précédente publication (Ferrara et al. 2018), a permis de tester les différents critères de définition de l’HPD décrits dans la littérature. De façon tout à fait surprenante, les différentes définitions de l’HPD ont mené à une stratification des patients très hétérogène d’un modèle à l’autre. La prévalence de l’HPD et même la répartition des patients dans le groupe des hyper-progresseurs pouvait être différente selon les modèles. Un nouveau modèle a donc été proposé afin de faire correspondre les « pires pronostics » avec les « pires cinétiques de progression tumorale » et ainsi mieux rendre compte de la réalité clinique. A partir de ce modèle, une nouvelle définition de l’HPD basée sur des critères dynamiques de progression tumorale sous immunothérapie a pu être proposée et doit maintenant être évaluée et validée à partir des cohortes indépendantes.

Contact : caroline.caramella@gustaveroussy.fr 

L’immunothérapie est devenue un grand espoir dans la lutte contre le cancer. Un point clé dans cette stratégie anti-tumorale est l’inhibition des points de contrôles immunitaires (tels que CTLA4, PD-1, PD-L1) au moyen d’anticorps afin d’entraver l’immunosuppression provoquée par la tumeur. Récemment, les divers succès des approches thérapeutiques utilisant par exemple l’ipilimumab (anti-CTLA4), le pembrolizumab et le nivolumab (anti-PD-1) ont vivement stimulé cet axe de recherche en oncologie. Dans le cas des thérapies anti-PD-L1, il est bien établi que le niveau d'expression pré-traitement de PD-L1 est prédictif de l’efficacité thérapeutique anti-PD-L1/PD-1.

Au sein du Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ, Institut Joliot, CEA/Saclay, Orsay) et plus particulièrement de l’UMR BioMaps (CEA / CNRS / INSERM / UPSaclay) des chercheurs s’intéressent particulièrement à caractériser la distribution in vivo de cette protéine pour proposer un score prédictif thérapeutique. L’imagerie non invasive par tomographie par émission de positons (TEP) permet de suivre et de quantifier au cours du temps la distribution de l’expression de biomarqueurs tels que PD-L1, non seulement au niveau de la charge tumorale complète mais également au niveau du corps entier. L’utilisation de la TEP pour optimiser la translation et l'application des immunothérapies contre le cancer est aujourd’hui un concept très novateur allant vers une médecine de plus en plus personnalisée. À cet égard, il existe un besoin urgent de développer des stratégies qui mesurent la biologie de la charge tumorale complète d'un patient (tumeur et infiltrat) tout au long du développement tumoral notamment lors des traitements. L’objectif est ainsi de compléter, voire d’aiguiller les données obtenues en immunohistologie sur des biopsies. Notre expertise en immunoTEP - association d’un anticorps avec un radioisotope pour l’imagerie tomographique - permet de répondre à cet objectif. L’immunoTEP permet d’une part de caractériser la pharmacocinétique et la biodistribution d’un anticorps thérapeutique et d’autre part permet de développer des outils entièrement dédiés à l’imagerie pour le suivi de l’évolution de biomarqueurs d’intérêt [en savoir plus ?].

Dans ce cadre, une preuve de concept sur l’utilisation d’un anticorps (IgG) pour imager PD-L1 a été réalisée par la plateforme d’imagerie in vivo microTEP (SHFJ / imagerie préclinique, in vivo, microTEP) au sein de tumeurs présentant différents profils d’expression. Il a notamment été montré sur des modèles précliniques (souris) que l’IgG développée spécifiquement pour l’imagerie de PD-L1 détectait les changements aigus d’expression de PD-L1 induits par la chimiothérapie. Cet anticorps radiomarqué avec du Zirconium 89 (demi-vie de 3,3 jours) reconnait spécifiquement l’épitope extracellulaire PD-L1 murin et humain [Truillet et al, Bioconj. Chem. 2018]. Plusieurs stratégies sont aujourd’hui en cours d’évaluation sur la plateforme afin d’optimiser l’accumulation des ligands radiomarqués dans la tumeur, tout en favorisant leur élimination rapide dans les organes non ciblés. L’objectif est ainsi de proposer des ligands et une méthodologie associée pour un transfert vers la clinique. A ce titre, les chercheurs de BioMaps s’associent avec les plus grands experts locaux dans ce domaine, en interne CEA / JOLIOT (SiMOS ou Service d’ingénierie moléculaire pour la santé) pour l’ingénierie des ligands mais aussi avec l’écosystème clinique de Paris Saclay (Gustave Roussy). A suivre donc !

Le SHFJ compte plusieurs plateformes dédiées à l’imagerie clinique ou préclinique in vivo par TEP, dont SHFJ / imagerie préclinique, in vivo, microTEP, objet du présent FOCUS PLATEFORME.

La plateforme d’imagerie TEP préclinique du SHFJ offre les équipements nécessaires pour préparer les animaux et réaliser de l’imagerie corps entier par tomographie par émission de positons (TEP) ou TEP couplée à la tomodensitométrie (CT) chez le rongeur, au moyen de radiotraceurs extérieurs ou produits sur site. Les services associées (hébergement des animaux, autoradiographie, immunohistochimie) peuvent compléter les prestations.

Vous souhaitez consulter d’autres FOCUS PLATEFORME relatifs au Service Hospitalier Frédéric Joliot ? N’hésitez pas à cliquer sur SHFJ / Radiochimie et SHFJ / Imagerie préclinique et clinique, in vivo, TEP/IRM !

Contact : Alexandra Winkeler (alexandra.winkeler@cea.fr)

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La plupart des médicaments sont éliminés par la voie hépatobiliaire. La captation hépatique puis l’excrétion biliaire des molécules et de leurs métabolites nécessitent la contribution de systèmes de transport actif. Le transporteur MRP2 (Multidrug resistance-associated protein 2) est responsable de la sécrétion du foie vers la bile d’un grand nombre de xénobiotiques et substances endogènes. On sait qu’un déficit fonctionnel en MRP2 peut provoquer une accumulation anormale de ces substances dans le foie et générer une hépatotoxicité. Les approches de pharmacocinétique conventionnelles, qui reposent principalement sur le dosage des médicaments et métabolites dans les fluides biologiques, ne permettent pas d’apprécier la capacité de transport hépatique par MRP2 chez l’Homme.

Dans une étude parue dans Pharmaceutics, des pharmacologues de l’unité BioMaps (Laboratoire d’imagerie médicale multimodale Paris-Saclay, CEA, CNRS, Inserm) et de l’Université de Vienne (Autriche) ont repositionné la 99mTc-mebrofénine, un radiopharmaceutique largement utilisé pour la réalisation de gamma-scintigraphies hépatobiliaires, comme sonde d’imagerie moléculaire. En effet, la 99mTc-mebrofénine est un substrat MRP2 et présente l’avantage de ne pas être métabolisée. Des modèles pharmacocinétiques ont été mis au point pour quantifier la capacité de transport MRP2 dans différentes conditions d’inhibition pharmacologique. Les chercheurs ont notamment pu montrer que l’inhibition ciblée de MRP2 peut être obtenue avec certains médicaments et notamment de très faibles doses de ciclosporine, sans moduler l’activité d’autres transporteurs ni la perfusion hépatique, mesurée par imagerie ultrasonore.

La combinaison des modalités d’imagerie clinique et l’inhibition pharmacologique sélective de MRP2 sont réalisables chez l’Homme, en milieu hospitalier.

Cette stratégie d’imagerie pharmacocinétique devrait permettre d’étudier la régulation de la réserve fonctionnelle de transport MRP2 dans différentes situations pathologiques pour donner une explication mécanistique et moléculaire à certains phénomènes d’hépatotoxicité encore mal expliqués.

Contact : nicolas.tournier@cea.fr

C’est au Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) du CEA à Orsay (DRF/Institut des Sciences du Vivant Frédéric Joliot), dans l’UMR d’Imagerie Biomédicale Multimodale Paris-Saclay BIOMAPS, que la magie opère. Là-bas, à l’abri des regards, la plateforme de radiomarquage (SHFJ/Radiochimie) met en œuvre une étrange alchimie : elle transforme un simple atome radioactif en un outil diagnostique puissant pour l’imagerie tomographique à émission de positons (TEP). Que ce soit avec du carbone-11 (demi-vie 20,4 min) ou du fluor-18 (demi-vie 109,8 min), produits sur place avec un cyclotron médical pour radiomarquer de façon covalente de petites molécules, ou avec du zirconium-89 (demi-vie 78,4 heures) complexé avec des « biologics » (protéines, anticorps), une myriade de radiotraceurs est mise à la disposition de la science. Oncologues, neurologues, pharmaciens, biologistes se précipitent pour étancher leur soif de recherche, qu’elle soit biomédicale (chez l’Homme) ou préclinique (sur petits et gros animaux). Marquage isotopique de médicaments, traceurs de la neuroinflammation, des agrégats protéiques ou des récepteurs neuronaux, métabolisme et hypoxie tumorale, imagerie de l’infection… Voilà une liste non exhaustive des prouesses réalisées par la plateforme de radiochimie du SHFJ, à votre service. Equipées de 4 automates de synthèses, d’un laboratoire de contrôle qualité et d’une radiopharmacie toujours de garde, les petites fées de la plateforme sont parées pour exhausser vos souhaits. D’autant que la famille s’agrandit. En 2020, un nouveau laboratoire de production de radiopharmaceutiques en salle blanche verra le jour, doublant la capacité de production actuelle. De quoi ravir toute demande en radiotraceurs et radiopharmaceutiques originaux pour faire de l’imagerie TEP, l’outil diagnostique et pronostique par excellence.

Vous êtes intéressés mais vos activités semblent trop éloignées d’Orsay ? Pas de panique ! Grâce à notre service de livraison Express, nous livrons à domicile ces produits de qualité pharmaceutique en un temps record.

La plateforme de Radiochimie du SHFJ (SHFJ / Radiochimie) a pour vocation de synthétiser des radiotraceurs pour la recherche biomédicale, en particulier pour l’imagerie par tomographie d’émission de positons, à partir d’émetteurs de positons produits sur site (Carbone 11, Oxygène 15, Fluor 18) ou importés (par exemple Zirconium 89).

Contact : fabien.caille@cea.fr