SUMMARY :
Aim: ln this thesis different approaches have been studied to improve incorporation of radiolabelled nucleotide analogs in tumor cells using a mild fluorodeoxyuridine (FdUrd) pretreatment, searching for innovative solutions for tumor diagnosis and treatment.
Material and methods: Lymphoma, glioblastoma, breast and colon cancer cell lines were used in cell culture and as xenografts in immunodeficient mice. The effect of FdUrd on 5-[125I]-Iodo-2'-deoxyuridine ([125I]-ldUrd) incorporation in tumors was studied in i vitro and im vivo with biodistribution experiments. The cell cycle modification due to FdUrd was assessed by flow cytometry techniques. A therapy protocol consisting of an intravenous injection of FdUrd, followed by intratumoral administration of [ml]-ldUrd was tested to evaluate its impact on tumor growth. ln the diagnostic approach, in vitro and in vivo, experiments were conducted with 3'-dcoxy-3'-[18F]-fluorothymidine ([18F]- FLT), the radiopharmaceutical used for clinical imaging of cell proliferation, Biodistribution studies as well as dynamic and static microPET experiments were performed in mice bearing different tumor xenografts and pretreated or not with FdUrd. The immunohistochemical proliferation status of tumor cells was correlated with high energy MRI and microPET observations.
Results: Short incubations with IidUrd led to high accumulation of tumor cells ini DNA synthesis phase (S phase) that avidly incorporated [ml]-ldUrd; the effect lasted for over 48 hours. Transposed in an animal model, biodistribution experimerrts revealed an important (up to 8.6 fold) enhancement of [ml]-IdUrd tumor incorporation in FdUrd pretreated mice. However, the effect of different pretreatment strategies did not last much more than 6 hours. Moreover, cell cycle analyses by flow cytometry of in vivo FdU1?d exposed tumor cells showed only a marginal accumulation in S phase. ln therapy p protocols the efhcacy of [125 I]-IdUrd treatment on tumor growth was not improved by the addition of FdUrd, probably in relation with the absence of cell synchronization in vivo. ln the cell proliferation PET study approach, biodistribntion experiments revealed strong incorporation increase of []SF]-FLT in different tumors after FdUrd pretreatment of mice. The mean factors of enhanced [Nl?]-FLT tumor accumulation were 2.6 to 7.5 after FdUrd compared with control mice. Moreover, comparison with 2-[l8F]-fluoro-2- deoxy-D-glucose was clearly in favor of the [ISE]-FLT and FdUrd combination. In vitro , experiments showed an incorporation enhancement, after FdUrd coincubation, ranging from 1.2 to 2.1. FdUrd influenced only inflow of [l8F]-FLT , whereas [ISF]-FLT outflow was similar in FdUrd pretreated and non-pretreated cells, Dynamic microPET revealed a continuous increase over 1.5 hours of the [ISF]-FLT incorporation by the various tumor xenografts exposed to FdUrd. Finally, microPET cell proliferation imaging of 2 different tumors did correlate with T2 weighted, MRI and histopathology results. V Conclusion: While FdUrd induced a strong in vivo, Itumor incorporation of [ml]- IdUrd, it failed to retain cells in S phase for more than a few hours. ['2SI]-ldUrd ` influenced tumor growth that was not enhanced by the association with FdUrd. With regard to imaging, non-toxic FdUrd pretreatmcnt was able to enhance multiple fold tumor uptakc of [HF]-FLT in different tumor xenografts, resulting in much higher tumor-to- normal tissue radioactivity ratios than observed in control animals without pretreatment. These results have been translated into a clinical study in breast cancer patients that has already been approved by the Ethics Committee and is currently under evaluation by SwissMedic.
RESUME
But : Cette thèse décrit les différentes approches qui ont été conduites afin d'améli0rer I la prise d'analogues de la thymidine radiomarqués par des cellules tumorales en utilisant un prétraitement à la 5-fluoro-Zïdésoxyuridine (F dUrd), Le but est d'offi?ir des solutions - innovantes pour le diagnostic et le traitement de cancers.
Matériel et méthodes : Des lignées cellulaires de lymphomes, de glioblastomes, de ' cancers du sein et du côlon ont été utilisées en culture ainsi qu'en xénogreffes chez des i souris immunodéficientes. L'effet de la FdUrd sur l'incorporation de la 5-[ml]-iodo-2'- i désoxytnidine ([1251]-d'ldUrd) dans les tumeurs a été étudiée in vitro et in vivo. La i modification du cycle cellulaire induite par la FdUrd a été suivie par cytornétrie de flux. Un protocole thérapeutique consistant en une injection intraveineuse de FdUrd, suivie de l'administration intratumorale de [125 I]-IdUrd a été étudié afin d'évaluer l'impact sur la A croissance ttunorale. Finalement, des expériences in vitro et in vivo ont été entreprises q avec la 3'-deoxy-3'-[1SF]-fluorothymidine ([18F]-FLT), un marqueur de la prolifération cellulaire utilisé dans des études cliniques. Des études de biodistribution et d'imagerie dynamique et statique par microPET ont été menées chez des souris portant différentes I xénogreffes et ayant reçu ou non de la FdUrd. Les résultats ont été et corrélés à l'IRM et aux données immunohistochimiques de prolifération cellulairci l Résultats : In vitro, la FdUrd a induit une accumulation des cellules en phase de _ i synthèse d'ADN (phase S), et a permis une incorporation importante de la [125I]-IdUrd ; cet effet a été maintenu pendant plus de 48 heures. In vivo, les expériences de i biodistribution ont montré une forte augmentation (jusquà 8.6 fois) de la [ml]-IdUrd à dans les tumeurs après FdUrd. Cependant, cet effet n'a duré que quelques heures. De 9 l/mt rf D plus, l'analyse in vivo du cycle cellulaire par FACS n'a montré qu'une accumulation marginale des cellules en phase S, suite au prétraitement à la FdUrd. Le protocole thérapeutique, tout cn montrant l'efficacité de la ['25I]-IdUrd sur la croissance des tiuneurs, n'a pas démontré d'amélioration due à la FdUrd. Concernant l'approche diagnostique, les expériences de biodistribution ont indiqué ` une forte augmentation de la prise de la [18Fl-FLT après prétraitement à la FdUrd dans les différentes tumeurs. Comparé aux souris contrôles, les facteurs moyens d'augmentation, avec FdUrd, étaient de 2.6 à 7.5. De plus la comparaison avec le 2-[ISF]-fluoro-2-deoxy- , D-glucose a clairement montré la meilleure efficacité de la combinaison FdUrd - [IBF]- l FLT. In vitro, les expériences ont montré une incorporation de 1.2 à 2.] fois supérieure, J suite à la FdUrd. Seule Pinternalisation de la [IXF]-FLT a été influencée par la FdUrd, p alors que Fexternalisation de la [IBF]-F LT était semblable pour les cellules traitées et non traitées. Sur les enregistrements dynamiques par microPETs la prise de la [ISF]-FLT se `I poursuivait pendant 1.5 heures. Les images obtenues pas microPET et IRM d'une tumeur A nécrosante et d'une tumeur non-nécrosante étaient en 'adéquation avec les résultats immunohistochimiques.
Conclusion : Alors que la FdUrd induit, in vivo, une fort incorporation tumorale de la [125I]-ldUrd, les cellules ne sont pas bloquées en phase S plus de quelques heures. La [125I]-IdUrd a affecté la croissance tumorale mais le prétraitement à la FdUrd n'a pas renforcé son efficacité thérapeutique. Concernant la [IBF]-FLT, le prétraitement à la FdUrd a grandement augmenté la prise de la [18F]-FLT par les différentes xénogreffes. Ces résultats ont conduit à proposer une étude clinique par [18F]-FLT PET après J prétraitement à la FdUrd chez des patientes atteintes de cancer du sein. Cette étude a été approuvée par le comité d'éthique et est en cours d'évaluation par SwissMedic.