Cours commun de radiobiologie appliquée à la thérapeutique

1. Cours commun de radiobiologie appliquée à la thérapeutique Niveau Master Pr Jacques BALOSSO Université Joseph Fourier 3 heures Radiobio 1_Cours comm radiobio appli_2-4-2012.ppt

2. Plan • Les phénomènes physiques initiaux • Les phénomènes radio-chimiques • Les phénomènes moléculaires et bio-chimiques primordiaux • TEL et EBR • Effet oxygène • La réaction cellulaire à l’irradiation • La mutagenèse radio-induite • L’effet différentiel pour traiter les tumeurs • Le spectre de la radiosensibilité humaine

3. L’échelle des temps en radiobio-logie

4. Les phénomènes physiques initiaux

5. Particules neutres Photons Neutrons Interactions aléatoires Atténuation exponentielle Faisceau de sortie Particules chargées Electrons, positons Protons, antiprotons Noyaux d’atomes (He, C, O, …) Interactions obligatoires Absorption et arrêt des particules Pas de faisceau de sortie Les différents types de radiations (1)

6. Particules neutres Interactions photon-électrons Effets photo-électrique Effets Compton +++ Création de paires (e- e+) → mise en mouvement d’électrons Interactions neutrons-protons Protons de recul de faible énergie et de très haut TEL → mise en mouvement d’électrons Particules chargées Toutes les particules chargées mettent en mouvement des électrons par les forces de Coulomb Avec des densités d’ionisation variables (TEL) selon la vitesse et la charge Avec des trajectoires plus ou moins diffusées Les différents types de radiations (2) Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement d’électrons qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matière

7. Les interactions photons - électrons

8. Particulesneutres Interactions photon-électrons Effets photo-électrique Effets Compton +++ Création de paires (e- e+) → mise en mouvement d’électrons Interactions neutrons-protons Protons de recul de faible énergie et de très haut TEL → mise en mouvement d’électrons Particules chargées Toutes les particules chargées mettent en mouvement des électrons par les forces de Coulomb Avec des densités d’ionisation variables (TEL) selon la vitesse et la charge Avec des trajectoires plus ou moins diffusées Les différents types de radiations (3) Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement d’électrons qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matière

9. Aspects comparés: µ et macro- dosimétriques pour photons, e- et ions

10. Que ce passe-t-il dans un champ de neutrons rapides?

11. Les phénomènes radio-chimiques

12. Interactions électrons-matière vivante Notre organisme est composé à 60 – 70% d’eau, ainsi le phénomène principal est la radiolyse de l’eau A 10-17s des ionisations et des excitations, H2O → H2O+ + e- H2O → H2O* A 10-13s ces systèmes excités produisent des radicaux très réactifs OH  et des atomes H, selon : H2O+ → H+ + (OH) H2O* → H + (OH) A 10-11s l’électron devient solvaté : e- → e-aq

13. Ce sont les radicaux libres qui produisent les lésions moléculaires attribuées aux radiations C’est cet ensemble de dérivés réduits de l’oxygène O-2, H2O2, OH , 1O2, ROO  que l’on regroupe sous le terme générique de radicaux oxygénés libres. Enfin la molécule d’oxygène native O2 participe de manière importante à ce processus: • elle augmente le rendement de la radiolyse de l’eau • elle peut réagir avec les radicaux libres et générer des radicaux peroxyles ROO, espèces hautement toxiques et capables d’initier toute une cascade de réactions radicalaires à partir d’autres structures organiques. Ces mécanismes sont sensibles aux piégeurs de radicaux libres qui sont de puissants radioprotecteurs: cystéïne, diméthylsulfoxide (DMSO), polyamines, glutathion…

14. Effet indirect Photon incident direct - e - 0H 0 H 2 - e Distinction entre effets indirects (90% des effets) et effets directs (10% des effets)

15. Les phénomènes moléculaires et bio-chimiques primordiaux

16. Mécanismes moléculaires des radiolésions (2) • Les différents types de radiolésions de l’ADN • modifications ne concernant qu’un seul brin: modification de bases, coupures simple brin (CSB), pontages ADN protéines • Modifications concernant les deux brins: dommages complexe, coupures double brins (CDB) Coupure simple brin Coupure double brin Pontage ADN-protéine Modification de base

17. Les lésions moléculaires aboutissent selon leur complexité soit à des coupures simple-brin, soit à des coupures double-brin de l ’ADN

18. Les aberrations chromosomiques sont la manifestation des CDB anneau

19. Aspects quantitatifs et qualitatifs Une irradiation de 1 Gy en photons entraîne par cellule: 1,5 coupure double brin non réparée est létale

20. TEL et efficacité biologique

21. Le nombre et la proportion de CDB dépendent de la micro-dosimétrie et du TEL 1 µm Tubiana, Dutreix & Wambersie, Hermann ed, 1986

22. La trace d’un ion a une taille comparable à celle de l’ADN

23. Courbes de survie pour des cellules CHO de hamster: rayons X ou particules de TEL moyen (hautes énergie du canal d ’entrée) ou particules de TEL élevé (région du SOBP), (GSI, Darmstadt, Allemagne). La courbe de survie:met en évidence la différence d’efficacité biologique (EBR) des radiations selon leur TEL

24. L’EBR augmente avec le TEL Courbes de survie aux photons (137 Cs) et aux ions carbone de différents TEL pour 5 lignées cellulaires: 3 glioblastomes (U25; TK-1; A-172), un medulloblastome (ONS) et des fibroblastes (NB1). K. Tsuboi et al, IJRB, 74:71-9, 1998.(HIMAC)

25. L’effet oxygène

26. L’effet oxygène Rappel:la molécule d’oxygène O2 augmente le rendement radiolytique de l’eau et réagit avec des radicaux libres pour générer des radicaux peroxyles ROOréagissant sur les structures oxydées par les radicaux libres augmentant leur toxicité.  hypoxie,  normoxie

27. L’effet oxygène disparaît lorsque le TEL augmente Human renal cells T1,  hypoxia,  normoxia; from Broerse & Barendsen, IJRB, 13:559, 1967 Pourquoi ???

28. EBR = efficacité biologique [relative]; OER = Oxygen Enhancement Ratio. Adapted from Tubiana, Dutreix et Wambersie, Hermann ed, 1986

29. La réaction cellulaire à l’irradiation

30. Réparation de l’ADN L’organisation de la réparation de l’ADN est surprenante

31. Excision resynthèse - gènes / protéines: - pathologie: xéroderma pigmentosum Réparation des lésions simples de l’ADN

32. Suture non homologue(NHEJ : non homologous end joining) - gènes / protéines - pathologies: radiosensibilité et immunodéficience Recombinaison non homologue - gènes / protéines - pathologies: susceptibilité au cancer Réparation des lésions complexes de l’ADN: les coupures double-brin

33. Au cours de la phase S les mécanismes de réparation sont très actifs et efficaces Il en résulte paradoxalement une moindre radiosensibilité de la phase S Les capacités de réparation varient avec les phases du cycle cellulaire

34. Le cycle cellulaire permet de faire le bilan des lésions • Organisation du cycle cellulaire • les phases G1, S, G2, M • le contrôle moléculaire : Rb, p53, Cyclines, cdk • Modifications du cycle cellulaire après irradiation • notion de points de contrôle • rôle de p53 • cycle cellulaire et apoptose

35. Exemple de cascade de régulation: le point de contrôle du cycle cellulaire en fin de G1 dépendant de p53

36. Résultats de la réparation de l’ADN réparation complète aberrations chromosomiques mutations et délétions avec un faible risque de transformation cancéreuse Régulation de la mort cellulaire Définition radiobiologique de la mort cellulaire:perte de la capacité proliférative Mécanismes arrêt en G1 Mitonécrose (+ inflammation) Apoptose (sans inflam.) Manifestations tissulaires et organiques de la mort cellulaire: effets tissulaires Résultat final de la réparation de l’ADN

37. La mutagenèse radio-induite

38. Mutagénèse et carcinogénèse radio-induite • Caractéristiques des mutations radio-induites • Pertes de matériel génétique • Phénomène récessif • Nécessité d’un deuxième événement • Effet sur les freins de la prolifération cellulaire • Les « anti-oncogènes » • Conséquences très tardives • Le caryotype des tumeurs radio-induites • Mécanismes comparés de la carcinogenèse radio-induite et chimio-induite • Rareté des cancers radio-induits

39. Caractéristiques des mutations radio-induites Pertes de matériel génétique Phénomène récessif Nécessité d’un deuxième événement Effet sur les freins de la prolifération cellulaire Les « anti-oncogènes » Conséquences très tardives Cancérisation très rare Caractéristiques des mutations chimio-induites Mutations ponctuelles activatrices Phénomène dominant Un deuxième événement n’est pas nécessaire Effet sur les accélérateurs de la prolifération cellulaire Les « proto-oncogènes » Conséquences précoces Cancérisation fréquente Mécanismes comparés de la carcino-genèse radio-induite et chimio-induite

40. La probabilité maximale se situe vers 7 Gy On l’observe classiquement en bordure de volume irradié Il s’agit plus volontiers de sarcomes que de carcinome La transformation cellulaire ne peut se faire qu’à faible dose

41. L’obtention d’un effet différentiel

42. Une tumeur est curable par radiothérapie, si ... • elle peut être irradiée entièrement, • et si la dose nécessaire est tolérable pour les tissus sains qui l’entourent. → Il faut donc pouvoir éliminer les cellules cancéreuses au milieu des cellules saines sans détruire ces dernières. → Il est donc nécessaire d ’obtenir un effet différentiel entre les cellules tumorales (à détruire) et les cellules saines (à respecter)

43. Il y a très peu d’effet différentiel à l’échelon cellulaire.Comment l’obtient-on à l ’échelle de l ’organisme? Grâce à trois principes + 1: • La restriction anatomique • Le fractionnement • La pharmacomodulation • Le choix du rayonnement

44. 1) La restriction anatomique de la dose délivrée • C ’est le problème de la balistique: • course aux hautes énergies d’hier (x 100) • radiothérapie de conformation d ’aujourd’hui • protons et carbones demain • Les limites sont: • l’imprécision des limites tumorales, • les mouvements des organes, • L’imprécision du repositionnement.

45. 2) Le fractionnement et l ’étalement de la radiothérapie • Le fractionnement en séances espacées de 6 à 24h permet la réparation des radiolésions moléculaire (il assure la survie des tissus à renouvellement lent) • L’étalementdu traitement sur plusieurs semaines permet la réparation tissulaire par la repopulation cellulaire (il assure la survie des tissus à renouvellement rapide).

46. Dose (fraction unique) Tumeur Tissus sains

47. Survie Tissus sains Seuil de guérison de la tumeur Tumeur Nombre de fractions

48. 3) La pharmacomodulation de la réponse tumorale à l ’irradiation • Les médicaments anti-cancéreux administrés en même temps que la radiothérapie renforcent l’effet différentiel: • en réduisant la repopulation cellulaire tumorale • en agissant préférentiellement sur les cellules en prolifération rapide • en complétant l’action des radiations sur les cellules en phase S

49. 4) Le choix du rayonnement… • Photons / électrons • Protons: 1H+ • Neutrons • Ions carbone: 12C6+ • Noyaux d’hélium: 4He2+

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