Modélisation de photodétecteurs à base de matrices de diodes avalanche monophotoniques pour tomographie d'émission par positrons

La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil précieux en recherche préclinique et pour le diagnostic médical. Cette technique permet d'obtenir une image quantitative de fonctions métaboliques spécifiques par la détection de photons d'annihilation. La détection des ces photons se fait à l'aide de deux composantes. D'abord, un scintillateur convertit l'énergie du photon 511 keV en photons du spectre visible. Ensuite, un photodétecteur convertit l'énergie lumineuse en signal électrique. Récemment, les photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP) disposées en matrice suscitent beaucoup d'intérêt pour la TEP. Ces matrices forment des détecteurs sensibles, robustes, compacts et avec une résolution en temps hors pair. Ces qualités en font un photodétecteur prometteur pour la TEP, mais il faut optimiser les paramètres de la matrice et de l'électronique de lecture afin d'atteindre les performances optimales pour la TEP. L'optimisation de la matrice devient rapidement une opération difficile, car les différents paramètres interagissent de manière complexe avec les processus d'avalanche et de génération de bruit. Enfin, l'électronique de lecture pour les matrices de PAMP demeure encore rudimentaire et il serait profitable d'analyser différentes stratégies de lecture. Pour répondre à cette question, la solution la plus économique est d'utiliser un simulateur pour converger vers la configuration donnant les meilleures performances. Les travaux de ce mémoire présentent le développement d'un tel simulateur. Celui-ci modélise le comportement d'une matrice de PAMP en se basant sur les équations de physique des semiconducteurs et des modèles probabilistes. Il inclut les trois principales sources de bruit, soit le bruit thermique, les déclenchements intempestifs corrélés et la diaphonie optique. Le simulateur permet aussi de tester et de comparer de nouvelles approches pour l'électronique de lecture plus adaptées à ce type de détecteur. Au final, le simulateur vise à quantifier l'impact des paramètres du photodétecteur sur la résolution en énergie et la résolution en temps et ainsi optimiser les performances de la matrice de PAMP. Par exemple, l'augmentation du ratio de surface active améliore les performances, mais seulement jusqu'à un certain point. D'autres phénomènes liés à la surface active, comme le bruit thermique, provoquent une dégradation du résultat. Le simulateur nous permet de trouver un compromis entre ces deux extrêmes. Les simulations avec les paramètres initiaux démontrent une efficacité de détection de 16,7 %, une résolution en énergie de 14,2 % LMH et une résolution en temps de 0.478 ns LMH. Enfin, le simulateur proposé, bien qu'il vise une application en TEP, peut être adapté pour d'autres applications en modifiant la source de photons et en adaptant les objectifs de performances

Time-of-Flight X-ray Measurements for Computed Tomography

Time-of-flight (ToF) measurements is a possible alternative to anti-scatter grids in computed tomography (CT). Simulations have shown a possible 75% reduction in the detrimental scattering contribution with a 100 ps FWHM timing resolution. A test bench comprising a pulsed X-ray source and a time-correlated detector has been designed to demonstrate the feasibility of time-of-flight measurements of X-rays using readout electronics inherited from a ToF-positron emission tomography project. A 86 ps FWHM coincidence time resolution have been achieved with 511 keV annihilation gamma-rays and a 155 ps FWHM timing jitter with a 120 kVp pulsed X-rays source.Comment: 5 pages, 10 figures including 3 tables, submitted to IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences on 2023/10/0

Complete genome sequence of Escherichia coli Siphophage BRET

The lytic Escherichia coli siphophage BRET was isolated from a chicken obtained at a local market in Abidjan, Côte d’Ivoire. Its linear genome sequence consists of 59,550 bp (43.4% GC content) and contains 88 predicted genes, including 4 involved in archaeosine biosynthesis. Phage BRET is related (95% nucleotide identity) to Enterobacteria phage JenK

Influence of N- methylation and conformation on almiramide anti-leishmanial activity

The almiramide N-methylated lipopeptides exhibit promising activity against trypanosomatid parasites. A structure–activity relationship study has been performed to examine the influences of N-methylation and conformation on activity against various strains of leishmaniasis protozoan and on cytotoxicity. The synthesis and biological analysis of twenty-five analogs demonstrated that derivatives with a single methyl group on either the first or fifth residue amide nitrogen exhibited greater activity than the permethylated peptides and relatively high potency against resistant strains. Replacement of amino amide residues in the peptide, by turn inducing α‑amino γ‑lactam (Agl) and N-aminoimidazalone (Nai) counterparts, reduced typically anti-parasitic activity; however, peptide amides possessing Agl residues at the second residue retained significant potency in the unmethylated and permethylated series. Systematic study of the effects of methylation and turn geometry on anti-parasitic activity indicated the relevance of an extended conformer about the central residues, and conformational mobility by tertiary amide isomerization and turn geometry at the extremities of the active peptides

The Importance of the Stem Cell Marker Prominin-1/CD133 in the Uptake of Transferrin and in Iron Metabolism in Human Colon Cancer Caco-2 Cells

As the pentaspan stem cell marker CD133 was shown to bind cholesterol and to localize in plasma membrane protrusions, we investigated a possible function for CD133 in endocytosis. Using the CD133 siRNA knockdown strategy and non-differentiated human colon cancer Caco-2 cells that constitutively over-expressed CD133, we provide for the first time direct evidence for a role of CD133 in the intracellular accumulation of fluorescently labeled extracellular compounds. Assessed using AC133 monoclonal antibody, CD133 knockdown was shown to improve Alexa488-transferrin (Tf) uptake in Caco-2 cells but had no impact on FITC-dextran or FITC-cholera-toxin. Absence of effect of the CD133 knockdown on Tf recycling established a role for CD133 in inhibiting Tf endocytosis rather than in stimulating Tf exocytosis. Use of previously identified inhibitors of known endocytic pathways and the positive impact of CD133 knockdown on cellular uptake of clathrin-endocytosed synthetic lipid nanocapsules supported that CD133 impact on endocytosis was primarily ascribed to the clathrin pathway. Also, cholesterol extraction with methyl-β-cyclodextrine up regulated Tf uptake at greater intensity in the CD133high situation than in the CD133low situation, thus suggesting a role for cholesterol in the inhibitory effect of CD133 on endocytosis. Interestingly, cell treatment with the AC133 antibody down regulated Tf uptake, thus demonstrating that direct extracellular binding to CD133 could affect endocytosis. Moreover, flow cytometry and confocal microscopy established that down regulation of CD133 improved the accessibility to the TfR from the extracellular space, providing a mechanism by which CD133 inhibited Tf uptake. As Tf is involved in supplying iron to the cell, effects of iron supplementation and deprivation on CD133/AC133 expression were investigated. Both demonstrated a dose-dependent down regulation here discussed to the light of transcriptional and post-transciptional effects. Taken together, these data extend our knowledge of the function of CD133 and underline the interest of further exploring the CD133-Tf-iron network

Design and simulation of radiation detectors based on single photon avalanche diodes for positron emission tomography

La tomographie d'émission par positrons (TEP) se distingue des autres modalités d'imagerie par sa capacité à localiser et quantifier la présence de molécules marquées, appelées radiotraceurs, au sein d'un organisme. Cette capacité à mesurer l'activité biologique des différents tissus d'un sujet apporte des informations uniques et essentielles à l'étude de tumeurs cancéreuses, au fonctionnement du cerveau et de ses maladies neurodégénératives et de la pharmacodynamique de nouveaux médicaments. Depuis les tout débuts de la TEP, les scientifiques rêvent de pouvoir utiliser l'information de temps de vol des photons pour améliorer la qualité de l'image TEP. L'arrivée des photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP), rend maintenant ce rêve possible. Ces dispositifs détectent la faible émission de lumière des scintillateurs et présentent une réponse grandement amplifiée avec une faible incertitude temporelle. Mais le potentiel des PAMP n'est pas encore entièrement exploré. Plutôt que de faire la somme des courants d'une matrice de PAMP, il est possible d'utiliser leur nature intrinsèquement binaire afin de réaliser un photodétecteur numérique capable de déterminer avec précision le temps d'arrivée de chaque photon de scintillation. Toutefois, la conception de matrices de PAMP numériques en est encore à ses débuts, et les outils de conception se font rares. Ce projet de doctorat propose un simulateur facilitant la conception de matrices de PAMP, que celles-ci soient analogiques ou numériques. Avec cet outil, l'optimisation d'une matrice de PAMP numérique basée dans une technologie Teledyne DALSA HV CMOS \SI{0,8}{\micro\metre} est proposée. En plus de guider les choix de conception de l'équipe, cette optimisation permet de mieux comprendre quels paramètres influencent les performances du détecteur. De plus, puisque le photodétecteur n'est pas l'unique acteur des performances d'un détecteur TEP, une étude sur l'impact des scintillateurs est aussi présentée. Cette étude vérifie l'amélioration apportée par l'intégration de photons prompts dans des scintillateurs LYSO. Enfin, une approche novatrice pour discriminer l'énergie des évènements TEP basée sur l'information temporelle des photons de scintillation a été développée et vérifiée à l'aide du simulateur. Bien que ce simulateur et les études réalisées dans le cadre de cette thèse soient concentrés sur des détecteurs TEP, l'utilité des PAMP et du simulateur ne se limite pas à cette application. Les matrices de PAMP sont prisées pour le développement de détecteur en physique des particules, physique nucléaire, informatique quantique, LIDAR et bien d'autres.Abstract : Positron emission tomography (PET) stands out among other imaging modalities by its ability to locate and quantify the presence of marked molecules, called radiotracers, within an organism. The capacity to measure biological activity of various organic tissues provides unique information, essential to the study of cancerous tumors, brain functions and the pharmacodynamics of new medications. Since the very beginings of PET, scientists dreamed of using the photon's time-of-flight information to improve PET images. With the recent progress of Single Photon Avalanche Diodes (SPAD), this dream is now possible. These photodetectors detect the scintillators' low light emission and offers a greatly amplified response with only a small time uncertainty. However the potential of SPAD has not yet been entirely explored. Instead of summing the currents of a SPAD array, it is possible to use their intrinsically binary operation to build a digital photodetector, able to establish with precision the time of arrival of each scintillation photon. With this information, the time-of-flight measurements will be much more precise. Yet the design of digital SPAD arrays is in its infancy and design tools for this purpose are rare. This project proposes a simulator to aid the design of SPAD arrays, both analog and digital. With this tool, we propose an optimised design for a digital SPAD array fabricated in Teledyne Dalsa HV CMOS \SI{0.8}{\micro\metre} technology. In addition to guiding the design choices of our team, this optimisation led to a better understanding which parameters influence the performance of a PET detector. In addition, since the photodetector is not the sole actor in the performance of a PET detector, a study on the effect of scintillators is also presented. This study evaluates the improvement brought by incorporating a prompt photon emission mechanism in LYSO crystals. Finally, we describe a novel approach to energy discrimination based on the timing information of scintillation photons was developped and tested using the simulator. While this simulator and the studies presented in this thesis focus on PET detectors, SPAD are not limited to this sole application. SPAD arrays are promising for a wide variety of fields, including particle physics, high energy physics, quantum computing, LIDAR and many more

Modélisation de photodétecteurs à base de matrices de diodes avalanche monophotoniques pour tomographie d'émission par positrons

La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil précieux en recherche préclinique et pour le diagnostic médical. Cette technique permet d'obtenir une image quantitative de fonctions métaboliques spécifiques par la détection de photons d'annihilation. La détection des ces photons se fait à l'aide de deux composantes. D'abord, un scintillateur convertit l'énergie du photon 511 keV en photons du spectre visible. Ensuite, un photodétecteur convertit l'énergie lumineuse en signal électrique. Récemment, les photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP) disposées en matrice suscitent beaucoup d'intérêt pour la TEP. Ces matrices forment des détecteurs sensibles, robustes, compacts et avec une résolution en temps hors pair. Ces qualités en font un photodétecteur prometteur pour la TEP, mais il faut optimiser les paramètres de la matrice et de l'électronique de lecture afin d'atteindre les performances optimales pour la TEP. L'optimisation de la matrice devient rapidement une opération difficile, car les différents paramètres interagissent de manière complexe avec les processus d'avalanche et de génération de bruit. Enfin, l'électronique de lecture pour les matrices de PAMP demeure encore rudimentaire et il serait profitable d'analyser différentes stratégies de lecture. Pour répondre à cette question, la solution la plus économique est d'utiliser un simulateur pour converger vers la configuration donnant les meilleures performances. Les travaux de ce mémoire présentent le développement d'un tel simulateur. Celui-ci modélise le comportement d'une matrice de PAMP en se basant sur les équations de physique des semiconducteurs et des modèles probabilistes. Il inclut les trois principales sources de bruit, soit le bruit thermique, les déclenchements intempestifs corrélés et la diaphonie optique. Le simulateur permet aussi de tester et de comparer de nouvelles approches pour l'électronique de lecture plus adaptées à ce type de détecteur. Au final, le simulateur vise à quantifier l'impact des paramètres du photodétecteur sur la résolution en énergie et la résolution en temps et ainsi optimiser les performances de la matrice de PAMP. Par exemple, l'augmentation du ratio de surface active améliore les performances, mais seulement jusqu'à un certain point. D'autres phénomènes liés à la surface active, comme le bruit thermique, provoquent une dégradation du résultat. Le simulateur nous permet de trouver un compromis entre ces deux extrêmes. Les simulations avec les paramètres initiaux démontrent une efficacité de détection de 16,7 %, une résolution en énergie de 14,2 % LMH et une résolution en temps de 0.478 ns LMH. Enfin, le simulateur proposé, bien qu'il vise une application en TEP, peut être adapté pour d'autres applications en modifiant la source de photons et en adaptant les objectifs de performances

Design and simulation of radiation detectors based on single photon avalanche diodes for positron emission tomography

La tomographie d'émission par positrons (TEP) se distingue des autres modalités d'imagerie par sa capacité à localiser et quantifier la présence de molécules marquées, appelées radiotraceurs, au sein d'un organisme. Cette capacité à mesurer l'activité biologique des différents tissus d'un sujet apporte des informations uniques et essentielles à l'étude de tumeurs cancéreuses, au fonctionnement du cerveau et de ses maladies neurodégénératives et de la pharmacodynamique de nouveaux médicaments. Depuis les tout débuts de la TEP, les scientifiques rêvent de pouvoir utiliser l'information de temps de vol des photons pour améliorer la qualité de l'image TEP. L'arrivée des photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP), rend maintenant ce rêve possible. Ces dispositifs détectent la faible émission de lumière des scintillateurs et présentent une réponse grandement amplifiée avec une faible incertitude temporelle. Mais le potentiel des PAMP n'est pas encore entièrement exploré. Plutôt que de faire la somme des courants d'une matrice de PAMP, il est possible d'utiliser leur nature intrinsèquement binaire afin de réaliser un photodétecteur numérique capable de déterminer avec précision le temps d'arrivée de chaque photon de scintillation. Toutefois, la conception de matrices de PAMP numériques en est encore à ses débuts, et les outils de conception se font rares. Ce projet de doctorat propose un simulateur facilitant la conception de matrices de PAMP, que celles-ci soient analogiques ou numériques. Avec cet outil, l'optimisation d'une matrice de PAMP numérique basée dans une technologie Teledyne DALSA HV CMOS \SI{0,8}{\micro\metre} est proposée. En plus de guider les choix de conception de l'équipe, cette optimisation permet de mieux comprendre quels paramètres influencent les performances du détecteur. De plus, puisque le photodétecteur n'est pas l'unique acteur des performances d'un détecteur TEP, une étude sur l'impact des scintillateurs est aussi présentée. Cette étude vérifie l'amélioration apportée par l'intégration de photons prompts dans des scintillateurs LYSO. Enfin, une approche novatrice pour discriminer l'énergie des évènements TEP basée sur l'information temporelle des photons de scintillation a été développée et vérifiée à l'aide du simulateur. Bien que ce simulateur et les études réalisées dans le cadre de cette thèse soient concentrés sur des détecteurs TEP, l'utilité des PAMP et du simulateur ne se limite pas à cette application. Les matrices de PAMP sont prisées pour le développement de détecteur en physique des particules, physique nucléaire, informatique quantique, LIDAR et bien d'autres.Abstract : Positron emission tomography (PET) stands out among other imaging modalities by its ability to locate and quantify the presence of marked molecules, called radiotracers, within an organism. The capacity to measure biological activity of various organic tissues provides unique information, essential to the study of cancerous tumors, brain functions and the pharmacodynamics of new medications. Since the very beginings of PET, scientists dreamed of using the photon's time-of-flight information to improve PET images. With the recent progress of Single Photon Avalanche Diodes (SPAD), this dream is now possible. These photodetectors detect the scintillators' low light emission and offers a greatly amplified response with only a small time uncertainty. However the potential of SPAD has not yet been entirely explored. Instead of summing the currents of a SPAD array, it is possible to use their intrinsically binary operation to build a digital photodetector, able to establish with precision the time of arrival of each scintillation photon. With this information, the time-of-flight measurements will be much more precise. Yet the design of digital SPAD arrays is in its infancy and design tools for this purpose are rare. This project proposes a simulator to aid the design of SPAD arrays, both analog and digital. With this tool, we propose an optimised design for a digital SPAD array fabricated in Teledyne Dalsa HV CMOS \SI{0.8}{\micro\metre} technology. In addition to guiding the design choices of our team, this optimisation led to a better understanding which parameters influence the performance of a PET detector. In addition, since the photodetector is not the sole actor in the performance of a PET detector, a study on the effect of scintillators is also presented. This study evaluates the improvement brought by incorporating a prompt photon emission mechanism in LYSO crystals. Finally, we describe a novel approach to energy discrimination based on the timing information of scintillation photons was developped and tested using the simulator. While this simulator and the studies presented in this thesis focus on PET detectors, SPAD are not limited to this sole application. SPAD arrays are promising for a wide variety of fields, including particle physics, high energy physics, quantum computing, LIDAR and many more

Potential selection of antimony and methotrexate cross-resistance in Leishmania infantum circulating strains

Background: Visceral leishmaniasis (VL) resolution depends on a wide range of factors, including the instauration of an effective treatment coupled to a functional host immune system. Patients with a depressed immune system, like the ones receiving methotrexate (MTX), are at higher risk of developing VL and refusing antileishmanial drugs. Moreover, the alarmingly growing levels of antimicrobial resistance, especially in endemic areas, contribute to the increasing the burden of this complex zoonotic disease. Principal findings: To understand the potential links between immunosuppressants and antileishmanial drugs, we have studied the interaction of antimony (Sb) and MTX in a Leishmania infantum reference strain (LiWT) and in two L. infantum clinical strains (LiFS-A and LiFS-B) naturally circulating in non-treated VL dogs in Spain. The LiFS-A strain was isolated before Sb treatment in a case that responded positively to the treatment, while the LiFS-B strain was recovered from a dog before Sb treatment, with the dog later relapsing after the treatment. Our results show that, exposure to Sb or MTX leads to an increase in the production of reactive oxygen species (ROS) in LiWT which correlates with a sensitive phenotype against both drugs in promastigotes and intracellular amastigotes. LiFS-A was sensitive against Sb but resistant against MTX, displaying high levels of protection against ROS when exposed to MTX. LiFS-B was resistant to both drugs. Evaluation of the melting proteomes of the two LiFS, in the presence and absence of Sb and MTX, showed a differential enrichment of direct and indirect targets for both drugs, including common and unique pathways. Conclusion: Our results show the potential selection of Sb-MTX cross-resistant parasites in the field, pointing to the possibility to undermine antileishmanial treatment of those patients being treated with immunosuppressant drugs in Leishmania endemic areas.Work in the CFP-Lab was supported by a Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) Discovery Grant (RGPIN-2017-04480 to CFP) and by the Canada foundation for Innovation (grant no. 37324 and 38858 to CFP). The proteomic investigations were funded by the NSERC (RGPIN-2020-05228 to FB), and proteomics laboratory equipment was funded by the Canadian Foundation for Innovation (grant no. 36706 to FB). FB holds the Canada Research Chair in metrology of bioactive molecule and target discovery (CRC-2021-00160 to FB). This work was supported by the Instituto de Salud Carlos III through the ISCIII-AESI (project PI21CIII/00005 to JM). JCS was supported by CIBERINFEC (CB21/13/00018 to JM). The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.S

Identification and biophysical assessment of the molecular recognition mechanisms between the human haemopoietic cell kinase Src homology domain and ALG-2-interacting protein X

International audienceSFKs (Src family kinases) are central regulators of many signaling pathways. Their functions are tighly regulated through SH ( Src homology) domain-mediated protein-protein interactions. A yeast two-hybrid screen using SH3 domains as bait identified Alix [ALG-2(apoptosis-linked gene 2)-interacting protein X] as a novel Hck (haemopoietic cell kinase) SH3 domain interactor. The Alix-Hck-SH3 interaction was confirmed in vitro by a GST (glutathione transferase) pull-down assay and in intact cells by a mammalian two-hybrid assay. Furthermore, the interaction was demonstrated to be biologically relevant in cells. Through biophysical experiments, we then identified the PRR (proline-rich region) motif of Alix that binds Hck-SH3 and determined a dissociation constant of 34.5µM. Heteronuclear NMR spectroscopy experiments were used to map the Hck-SH3 residues that interact with an ALIX construct containing the V and PRR domains or with the minimum identified interacting motif. Finally, SAXS (small-angle X-ray scattering) analysis showed that the terminal PRR of Alix is unfolded, at least before Hck-SH3 recognition. These results indicate that residues outside the canonical PxxP motif of Alix enhance its affinity and selectivity towards Hck-SH3. The structural framework of the HcK-Alix interaction will help to clarify how Hck and Alix assist during virus budding and cell-surface receptor regulatio