Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.

Marooned plants : vernacular naming practices in the Mascarene Islands

This article explores possible histories of plant exchanges and plant naming tied to the slave trade between East Africa, Madagascar and the Mascarene Islands. The subsequent 'marronnage' of slaves on these islands - their escape from captivity, sometimes to live in mountain hideouts - continues to inspire cultural references. Inspired by the use of the adjective 'marron/marronne' for a number of plants on Reunion Island, we compile evidence of plant exchanges and plant naming from ecological records, historical accounts and the use of descriptive, emotive or symbolic vernacular names as clues for deepening our knowledge of historical societies and environments. The evidence from the Mascarenes opens a window into the role of the African diaspora in plant introduction, diffusion, domestication and cultivation. We document that maroons relied on a variety of wild, escaped and cultivated plants for their subsistence. We also highlight the role of marronnage in the popular and literary imaginary, with the result that many plants are named 'marron/marrone' in a metaphorical sense. Finally, we identify a few plants that may have been transported, cultivated, or encouraged in one way or another by maroons. Along the way, we reflect on the pitfalls and opportunities of such interdisciplinary work.

Circadian clock orchestration of signaling pathways influences mouse metabolism

Circadian clocks, present in organisms leaving in a rhythmic environment, constitute the mechanisms allowing anticipation and adaptation of behavior and physiology in response to these environmental variations. As a consequence, most aspects of metabolism and behavior are under the control of this circadian clock. At a molecular level, in all the studied species, the rhythmic expression of the genes involved are generated by interconnected transcriptional and translational feedback loops. In mammals, the heterodimer composed of BMAL1 and its partners CLOCK or NPAS2 constitutes a transcriptional activator regulating transcription of Per and Cry genes. These genes encode for repressors of the activity of BMAL1:CLOCK or BMAL1: NPAS2 heterodimers, thus closing a negative feedback loop that generates rhythms of approximately 24 hours. The aim of my doctoral work consisted in the investigation of the role of circadian clock in the regulation of different aspects of mouse metabolism through the rhythmic activation of signaling pathways. First, we showed that one way how the circadian clock exerts its function as an oscillator is through the regulation of mRNA translation. Indeed, we present evidence showing that circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis. In the second part, we showed the involvement of the circadian clock in lipid metabolism. Indeed, the three PAR bZip transcription factors DBP, TEF and HLF, are regulated by the molecular clock and play key roles in the control of lipid metabolism. Here we present evidence concerning the circadian expression and activity of PPARα via the circadian transcription of genes involved in the release of fatty acids, natural ligands of PPARα. It leads to the rhythmic activation of PPARα itself which could then play its role in the transcription of genes encoding proteins involved in lipid, cholesterol and glucose metabolism. In addition, we considered the possible role of lipid transporters, here SCP2, in the modulation of circadian activation of signaling pathways such as TORC1, PPARα and SREBP, linked to metabolism, and its feedback on the circadian clock. In the last part of this work, we studied the effects of these circadian clock-orchestrated pathways in physiology, as clock disruptions have been shown to be linked to metabolic disorders. We performed in vivo experiments on genetically and high-fat induced obese mice devoid of functional circadian clock. The results obtained showed that clock disruption leads to impaired triglycerides and glucose homeostasis in addition to insulin secretion and sensitivity. -- Les rythmes circadiens, présents chez tout organisme vivant dans un environnement rythmique, constituent l'ensemble de mécanismes permettant des réponses comportementales et physiologiques anticipées et adaptées aux variations environnementales. De ce fait, la plupart des aspects liés au métabolisme et au comportement de ces organismes apparaissent être sous le contrôle de l'horloge circadienne contrôlant ces rythmes. Au niveau moléculaire, dans toutes les espèces étudiées, l'expression rythmique de gènes impliqués sont générés par l'interconnexion de boucles de contrôle transcriptionnelles et traductionnelles. Chez les mammifères, l'hétérodimère composé de BMAL1 et de ses partenaires CLOCK ou NPAS2 constitue un activateur transcriptionnel régulant la transcription des gènes Per et Cry. Ces gènes codent pour des répresseurs de l'activité des hétérodimères BMAL1:CLOCK ou BMAL1:NPAS2. Cela a pour effet de fermer la boucle négative, générant ainsi des rythmes d'environ 24 heures. Le but de mon travail de thèse a consisté en l'investigation du rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de certains aspects du métabolisme chez la souris via la régulation de l'activation rythmique des voies de signalisation. Nous avons tout d'abord montré que l'horloge circadienne exerce sa fonction d'oscillateur notamment au niveau de la régulation de la traduction des ARNm. En effet, nous présentons des preuves montrant que l'horloge circadienne influence la traduction temporelle d'un groupe d'ARNm impliqués dans la biogénèse des ribosomes en contrôlant la transcription de facteurs d'initiation de la traduction ainsi que l'activation rythmique des voies de signalisation qui sont impliquées dans leur régulation. De plus, l'oscillateur circadien régule la transcription d'ARNm codant pour les protéines ribosomales et d'ARN ribosomaux. De cette façon, l'horloge circadienne exerce un rôle majeur dans la coordination des étapes de transcription et traduction permettant la biogénèse des ribosomes. Dans la deuxième partie, nous montrons les implications de l'horloge circadienne dans le métabolisme des lipides. En effet, DBP, TEF et HLF, trois facteurs de transcription de la famille des PAR bZip qui sont régulés par l'horloge circadienne, jouent un rôle clé dans le contrôle du métabolisme des lipides par l'horloge circadienne. Nous apportons ici des preuves concernant l'expression et l'activité rythmiques de PPARα via la transcription circadienne de gènes impliqués dans le relargage d'acides gras, ligands naturels de PPARα, conduisant à l'activation circadienne de PPARα lui-même, pouvant ainsi jouer son rôle de facteur de transcription de gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme des lipides, du cholestérol et du glucose. De plus, nous nous sommes penchés sur le rôle possible de transporteurs de lipides, ici SCP2, dans la modulation de l'activation circadienne de voies de signalisation, telles que TORC1, PPARα et SREBP, qui sont liées au métabolisme, ainsi que son impact sur l'horloge elle-même. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié les effets de l'activation de ces voies de signalisation régulées par l'horloge circadienne dans le contexte physiologique puisqu'il a été montré que la perturbation de l'horloge pouvait être associée à des désordres métaboliques. Pour ce faire, nous avons fait des expériences in vivo sur des souris déficientes pour l'horloge moléculaire pour lesquelles l'obésité est induite génétiquement ou induite par la nourriture riche en lipides. Les résultats que nous obtenons montrent des dérèglements au niveau de l'homéostasie des triglycérides et du glucose ainsi que sur l'expression et la réponse à l'insuline.

Co-evolution of Policy Sectors: Health Care and Public Health in five Countries

Cette thèse analyse la co-évolution de deux secteurs dans la politique de la santé: santé publique (public health) et soins aux malades (health care). En d'autres termes, la relation entre les dimensions curative et préventive de la politique de la santé et leur développement dans la durée. Une telle recherche est nécessaire car les problèmes de la santé sont complexes et ont besoin de solutions coordonnées. De plus, les dépenses de la santé ont augmenté sans arrt durant les dernières décennies. Un moyen de réduire une future augmentation des dépenses pourrait consister en davantage d'investissement dans des mesures préventives. En relation avec cette idée, ma recherche analyse les politiques de la santé publique et les soins aux malades de cinq pays: Allemagne, Angleterre, Australie, Etats-Unis et Suisse. En m'appuyant sur la littérature secondaire, des statistiques descriptives et des entretiens avec des experts et des politiciens, j'analyse la relation entre les deux secteurs depuis la fin du dix-neuvième siècle. En particulier, je me focalise sur la relation des deux champs sur trois niveaux: institutions, acteurs et politiques. Mes résultats montrent les similitudes et les différences d'évolution entre les cinq pays. D'un c^oté, lorsque la profession médicale est politiquement active et que le pays consiste en une fédération centralisée ou en un gouvernement unitaire, les deux secteurs sont intégrés au niveau institutionnel, ralliant les professions et groupes d'intérêt des deux secteurs la cause commune dans une activité politique. Par contre, dans tous les pays, les deux secteurs ont co-évolué vers une complémentarité malgré de la politisation des professions et la centralisation du gouvernement. Ces résultats sont intéressants pour la science politique en général car ils soulignent l'importance des professions pour le développement institutionnel et proposent un cadre pour l'analyse de la co-évolution des politiques publiques en général. -- This Ph.D. thesis analyzes the co-evolution of the health care and the public health sectors. In other words, the relation between preventive and curative health policy and its evolution over time. Such research is necessary, because current health problems are complex and might need coordinated solutions. What is more, health expenditures have increased continuously in the last decades. One way to slow down further increase in health spending could be to invest more in preventative health policies. Therefore, I am connecting individual health care and public health into a common analysis, taking Australia, Germany, Switzerland, the UK and the U.S. as examples. Based on secondary literature, descriptive statistics and interviews with experts and policymakers, I am analyzing how the two sectors' relations co-evolved between the late nineteenth and the early twenty-first century. Specifically, I am researching how health care and public health were related on the levels of institutions, actors and policies. My results show that there are differences and similarities in the co-evolution of policy sectors between these countries. On the one hand, when the medical profession was politically active and the country a centralized federation or a unitary state, there was institutional integration and common political advocacy of the sectors' interest groups and professions. On the other hand, in all countries, both sectors co-evolved towards complementarity, irrespectively of the politicization of professions and centralization of government. These findings are interesting for the political science literature at large, because they underline the importance of professions for institutional development and propose an analytical framework for analyzing the co-evolution of policy sectors in general.

Application of intravoxel incoherent motion perfusion imaging to shoulder muscles after a lift-off test of varying duration.

Intravoxel incoherent motion (IVIM) MRI is a method to extract microvascular blood flow information out of diffusion-weighted images acquired at multiple b-values. We hypothesized that IVIM can identify the muscles selectively involved in a specific task, by measuring changes in activity-induced local muscular perfusion after exercise. We tested this hypothesis using a widely used clinical maneuver, the lift-off test, which is known to assess specifically the subscapularis muscle functional integrity. Twelve shoulders from six healthy male volunteers were imaged at 3 T, at rest, as well as after a lift-off test hold against resistance for 30 s, 1 and 2 min respectively, in three independent sessions. IVIM parameters, consisting of perfusion fraction (f), diffusion coefficient (D), pseudo-diffusion coefficient D* and blood flow-related fD*, were estimated within outlined muscles of the rotator cuff and the deltoid bundles. The mean values at rest and after the lift-off tests were compared in each muscle using a one-way ANOVA. A statistically significant increase in fD* was measured in the subscapularis, after a lift-off test of any duration, as well as in D. A fD* increase was the most marked (30 s, +103%; 1 min, +130%; 2 min, +156%) and was gradual with the duration of the test (in 10(-3) mm(2) /s: rest, 1.41 ± 0.50; 30 s, 2.86 ± 1.17; 1 min, 3.23 ± 1.22; 2 min, 3.60 ± 1.21). A significant increase in fD* and D was also visible in the posterior bundle of the deltoid. No significant change was consistently visible in the other investigated muscles of the rotator cuff and the other bundles of the deltoid. In conclusion, IVIM fD* allows the demonstration of a task-related microvascular perfusion increase after a specific task and suggests a direct relationship between microvascular perfusion and the duration of the effort. It is a promising method to investigate non-invasively skeletal muscle physiology and clinical perfusion-related muscular disorders.