QuanTIM, accélérateur d’accès aux images TEP de demain

Sylvain Faure, Florent Besson, pouvez-vous nous décrire votre projet ?

La tomographie à émission de positions (TEP) est une modalité d’imagerie permettant de cartographier avec une très haute sensibilité de détection la distribution d’une molécule radio-marquée d’intérêt dans le corps, à l’échelle cellulaire. Cette imagerie dite « moléculaire », accessible en soins courants depuis le début des années 2000, est devenue un outil d’imagerie incontournable dans de nombreuses maladies, notamment oncologiques, neurologiques et inflammatoires.

Le principe de l’imagerie moléculaire est d'injecter au patient un médicament radiopharmaceutique à dose traceuse, infinitésimale, qui n’interfère pas avec les fonctions physiologiques de l’organisme. Ce médicament comporte un radiomarqueur émetteur de positons (MRP) et un vecteur ciblant une fonction biologique d’intérêt. Une machine dédiée utilisant la tomographie par émission de positons (TEP) permet de détecter le signal émis par le MRP et de faire des images de sa biodistribution dans le corps (voir figure ci-dessous).

A l’ère de la médecine de précision, dont l’objectif est de pouvoir dispenser le bon traitement, au bon moment, pour le bon patient, les informations issues des images médicales, notamment TEP, deviennent un paramètre clé dans la caractérisation non invasive des maladies. Notre meilleure compréhension des processus physiopathologiques à l’échelle moléculaire requiert des biomarqueurs d’imagerie de plus en plus « riches » de sens en pratique clinique. Notamment, des biomarqueurs avancés en imagerie TEP permettent de modéliser la pharmacocinétique des radiotraceurs à l'échelle cellulaire, permettant une analyse fonctionnelle par l'image beaucoup plus fine des processus biologiques étudiés (cf figure ci-dessous).

Malheureusement, l’exploitation de ces biomarqueurs d’imagerie avancés reste complexe en pratique clinique, justifiant le développement d’outils d’analyse disruptifs. Le projet de prématuration QuanTIM vise au développement et au déploiement d’une solution logicielle qui propose un workflow optimisé de traitement d’images 4D TEP off-line permettant d’obtenir en local, sur l’ordinateur du médecin, des cartes 3D de paramètres biologiques avancés, en un temps compatible avec une pratique clinique. Cette solution répond spécifiquement à ces besoins émergents en imagerie moléculaire TEP corps entier et s’interfacera avec les logiciels de visualisation couramment utilisés.

Anticipant les prémices de ce changement de paradigme en imagerie TEP, l’objectif de QuanTIM est de favoriser le transfert applicatif de ces biomarqueurs, avec une approche résolument orientée usagers, prérequis indispensable à leur déploiement : réduction drastique des temps de calcul algorithmique nécessaires à leur genèse, interface logiciel pré-existante optimisée et massivement déployée à l’échelle mondiale.

Racontez-nous la genèse de ce projet 

Florent Besson, médecin enseignant chercheur en médecine nucléaire-imagerie moléculaire au sein des hôpitaux Universitaires Paris-Saclay AP-HP, effectue ses recherches en imagerie au sein du laboratoire d’imagerie multimodale de Paris Saclay (BioMAps). Dans le cadre de sa thèse de science (soutenue en 2020), Florent Besson rencontre Sylvain Faure, docteur en mathématiques et ingénieur de recherche CNRS au Laboratoire de mathématiques d’Orsay, avec qui il noue des liens professionnels fructueux, permettant de développer des méthodes d’analyse avancées en imagerie multimodale TEP-IRM appliquée au cancer du Poumon. Deux publications scientifiques internationales (Besson FL, Fernandez B, Faure S et al. EJNMMI Res. 2020 ; Besson FL, Fernandez B, Faure S, et al. Clin Nucl Med. 2021), et une publicité scientifique par l’Institut des sciences du vivant Frédéric Joliot CEA, valident la crédibilité scientifique des approches développées. A l’issue de cette aventure professionnelle passionnante, les deux chercheurs décident d’écrire une nouvelle page de leur collaboration et entreprennent de mettre à disposition de la communauté internationale leur outil sous forme d’un produit structuré. L’arrivée d’un troisième membre dans l’équipe (André Guerrassimov, diplômé de CentralSupelec section entrepreneuriat) doit concourir, par son profil, à la concrétisation entrepreneuriale de ce projet.

Quelles mathématiques interviennent dans votre projet ?

Les médecins utilisent couramment des modèles à compartiments pour étudier la cinétique d’un biomarqueur d’imagerie. Mathématiquement, il s’agit de systèmes d’équations différentielles ordinaires permettant de modéliser les échanges entre compartiments et de prendre en compte l’arrivée du biomarqueur dans les cellules. De tels systèmes comportent des paramètres (constantes d’échange,…) qu’il s’agit de déterminer en comparant les simulations numériques basées sur le modèle aux mesures de l’examen TEP. Pour cela on utilise des méthodes d’identification de paramètres qui requièrent des techniques d’optimisation pour minimiser une fonction coût sommant les écarts entre simulation et mesures, les « bons » paramètres de la simulation correspondant ainsi au coût minimal.

En réalisant ces calculs pour chaque point (voxel) de la séquence d’images TEP, on obtient une nouvelle image 3D par paramètre présent dans le modèle à compartiments considéré. Cette approche exige d’une part des méthodes robustes au bruit des mesures et d’autre part de réduire au maximum les temps de calcul. Ce deuxième point est le plus problématique car, pour fournir ces nouvelles images sur l’ordinateur portable du médecin, il s’agit d’appliquer entre 5 et 20 millions de fois l’algorithme d’identification des paramètres.

Quels sont les enjeux de ce projet de prématuration ?

Être retenu par le programme de prématuration du CNRS nous a tout d’abord conforté dans notre volonté de valoriser nos travaux de recherche car ce programme a pour objectif de détecter des projets émergents à fort potentiel en terme d’innovation de rupture. Ensuite, il nous permet d’être soutenu financièrement pour finaliser nos algorithmes et pour démarrer une expérimentation avec un centre de médecine nucléaire mondialement reconnu. La prématuration est positionnée en amont par rapport à une création d’entreprise ou à un financement de type maturation (via une SATT par exemple), typiquement pour lever des derniers verrous technologiques. Pour QuanTIM il s’agit d’accélérer puis d’encapsuler un code de recherche dans un logiciel d’imagerie médicale très utilisé par les médecins.

In fine, le passage à un produit commercialisable doit pouvoir bénéficier au marché de l’imagerie moléculaire TEP mondiale sous deux aspects :

• La pratique médicale, dans un premier temps pour la validation de nouveaux biomarqueurs d’imagerie en recherche clinique, qui permettront dans un deuxième temps d’améliorer les modèles de médecine prédictive personnalisée ;
• L’industrie pharmaceutique, notamment pour le développement R&D et la validation de molécules diagnostiques et thérapeutiques futures par des méthodes de modélisation avancée en imagerie TEP.

Dans quel environnement évolue votre projet ?

QuanTIM bénéficie d’un environnement propice pour une valorisation socio-économique de travaux de recherche. Au CNRS, nos instituts nous ont accompagné pour notre candidature au programme Prématuration et leur soutien augmente également la crédibilité et visibilité de notre projet. L’Université Paris-Saclay suit également les avancées de QuanTIM, sa DiReV a déposé notre code de calcul auprès de l’Agence de Protection des Programmes et un groupe d’étudiants de Matur’Action a travaillé sur le projet. Enfin, grâce à André, QuanTIM échange régulièrement avec CentraleSupélec et a remporté plusieurs « challenges » ou « concours de pitch » en vue de la création d’une start-up.

Que diriez-vous à une ou un collègue pour l’inciter à déposer un projet de prématuration ?

L’accompagnement dont nous avons bénéficié pour le montage du projet, l’écosystème, son encadrement bienveillant et personnalisé, a résolument permis de franchir une étape critique dans la réalisation de ce projet deepTech. Nous recommandons fortement à nos collègues souhaitant franchir le pas de tenter l’expérience.