Effets biologiques des rayonnements ionisants Radioprotection Pr E. Garin, Biophysique et Médecine Nucléaire, Université Rennes1/ CRLCC Centre Eugène Marquis.

Plan du cours 1) Généralités sur les RI. 1. 1 Différents types de RI. 1. 2 Unités. 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. 2. 2 Radiolyse de l’eau. 2. 3 Effets des RI sur l’ADN. 3) Lésions cellulaires. 3. 1 Mort cellulaire. 3. 2 Retard de mitose. 3. 3 Restauration cellulaire. 4) Effets sur les tissus humains. 4. 1 Effets déterministes. 4. 2 Effets stochastiques. 5) Les différentes sources d’irradiation. 6) Radioprotection

INTRODUCTION Rayonnement = propagation d’énergie à travers l’espace. Les RI interagissent avec la matière en produisant des excitations ou des ionisations = absorption Les RI sont responsables de lésions biologiques néfastes ou utilisées à des fins thérapeutiques. Les sources de RI sont nombreuses et variées.

1) Généralités sur les RI. 1 Différents types de RI. a) Rayonnements a b) Rayonnements b c) Rayonnements X et g d) Rayonnements neutroniques

2 Unités. a) Unité physique de dose absorbée. La dose absorbée D correspond à l’énergie déposée par le RI par unité de masse. D = dE/dm, en joule/Kg. D est exprimée en Gray (Gy) avec 1 Gy = 1 joule/Kg. => la dose absorbée dépend de la nature du RI considéré et de la nature des tissus irradiés Le débit de dose absorbée D correspond à la dose absorbée par unité de temps. D = dD/dt, en Gy/s.  Une même dose absorbée peut se rencontrer dans 2 situations totalement différentes : faible débit de dose et exposition prolongée, fort débit de dose et exposition brève.

b) Unité biologique d’équivalent de dose. La dose absorbée ne permet pas à elle seule d’expliquer les effets biologiques des RI. D’autres paramètres interviennent tels que la nature des RI considérés et la nature des tissus irradiés. L’équivalent de dose H fait intervenir la nature des RI. H = D  Wr, en Sievert (Sv) et 1 Sv = 1 Gy où Wr = Facteur de qualité caractérisant le RI, Wr = 1 pour les X, les g, et les b, Wr = 5 à 20 pour les neutrons en fonction de leur énergie, Wr = 20 pour les a.

L’équivalent de dose efficace He fait intervenir la nature des RI et des tissus. He = D  Wr  Wt en Sv où Wt = Facteur de distribution caractérisant le milieu. Organes Wt Gonades 0.2 Moelle osseuse, Estomac 0.12 Colon, Poumons 0.12 Vessie, sein, foie 0.05 Œsophage, thyroïde 0.05 Peau, surface osseuse 0.1 Corps entier 1

c) Unité d’activité. Le débit de dose D délivré par une source radioactive dépend directement de l’activité de cette source (il dépend aussi de la distance et du milieu traversé). L’activité d’une source radioactive correspond à la quantité de radioactivité présente dans la source, activité = nombre de désintégrations radioactives par seconde. USI = becquerel (Bq), 1 Bq = 1 désintégration par seconde. Ancienne unité: curie, 1 mCi = 37 MBq

Plan du cours 1) Généralités sur les RI. 1. 1 Différents types de RI. 1. 2 Unités. 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. 2. 2 Radiolyse de l’eau. 2. 3 Effets des RI sur l’ADN. 3) Lésions cellulaires. 3. 1 Mort cellulaire. 3. 2 Retard de mitose. 3. 3 Restauration cellulaire. 4) Effets sur les tissus humains. 4. 1 Effets déterministes. 4. 2 Effets stochastiques. 5) Les différentes sources d’irradiation. 6) Radioprotection

Le transfert d’énergie: - forme thermique = négligeable, 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. Le phénomène initial = transfert d’une partie de l’énergie radiative à la molécule. Le transfert d’énergie: - forme thermique = négligeable, - ionisations, excitations. L’excès d’énergie est expulsé soit par émission de photons (fluorescence) soit par transfert de cette énergie sur une liaison au voisinage qui peut se rompre.  l’excès d’énergie interne compromet la stabilité de la molécule et peut être responsable de modifications des liaisons chimiques donc de lésions moléculaires.

Les RI possèdent 2 particularités: - efficacité importante pour créer les lésions moléculaires, - absence de spécificité moléculaire (les lésions dépendent de la nature des atomes constituant la molécule).  toutes les molécules de l’organisme peuvent être modifiées, 2 sont particulièrement importantes: - l’eau (70% du poids de l’organisme, siège le plus fréquent des lésions moléculaires), - l’ADN (modifications du patrimoine génétique).

Radical libre = atome ou molécule possédant un électron non apparié. 2. 2. Radiolyse de l’eau. L’irradiation de l’eau aboutit à la formation de radicaux libres de haute réactivité chimique. Radical libre = atome ou molécule possédant un électron non apparié. a) Etape initiale Excitation: h + H2O  H2O Ionisation: h + H2O  H2O.+ + e- b) Etape pré-diffusionnelle (délais de 10-12 S). Les molécules excitées et radicalaires donnent lieu aux réactions suivantes: - H2O  OH. + H. - H2O.+  OH. + H+ L’électron éjecté lors de l’ionisation se stabilise au niveau de l’énergie thermique et s’entoure d’une cage de molécules d’eau pour former un électron aqueux (e-aq) réducteur puissant. Certains électrons éjectés se recombinent avec les ions positifs du milieu (H2O.+ , H+).

c) étape diffusionnelle (10-6 S). Les produits de la radiolyse (OH., H., e-aq, H+) se recombinent simultanément entre eux ou diffusent dans le milieu. Les principales recombinaisons sont : - OH. + OH.  H2O2 (eau oxygénée, oxydant puissant) - OH. + e-aq  OH- - OH. + H.  H2O - e-aq + H+  H. - H. + H.  H2 A la fin de l’étape diffusionnelle les produits de radiolyse présents dans le milieu sont : OH., e-aq, H., H+, H2O2 et H2

Réaction avec un radical OH. R-H + OH.  R. + H2O R. + OH.  R-OH d) Etape chimique. Les radicaux ainsi formés, hautement réactifs, peuvent modifier les liaisons chimiques et être responsables d’altérations moléculaires. Par exemple: Réaction avec un radical OH. R-H + OH.  R. + H2O R. + OH.  R-OH Réaction avec un radical H. R-H + H.  R. + H2 R. + R’.  R-R’ => inactivations enzymatiques, dégradation des macromolécules.

e) Effet radiosensibilisant de l’oxygène. L’oxygène augmente l’effet biologique des RI (effet multiplicateur de dose x 2 à 3) par l’intermédiaire de 2 types de réactions: - créations de radicaux libres HO2. à partir de 2 réactions : H. + O2  HO2. e-aq + O2  O2-, et O2- + H2O  HO2. + OH- Ce radical libre (HO2.) est beaucoup plus stable que les radicaux OH. et H. Il entraîne la formation d’eau oxygénée (HO2. + HO2.  H2O2 + O2; HO2. + H.  H2O2). - créations de radicaux péroxydes (toxiques à demie vie longue, persistants après l’irradiation): R. + O2  ROO. f) Molécules radioprotectrices. Certaines molécules possèdent à l’inverse un pouvoir radioprotecteur comme les molécules ayant un radical thiol (SH , mécanisme inconnu).

2. 3 Effets des RI sur l’ADN. Effets directs des RI sur l’ADN. Les effet sur l’ADN peuvent être de deux types, directs ou indirects. Les effets directs sont secondaires aux transferts directs de l’énergie du RI à la molécule d’ADN. Les effets indirects correspondent aux effets secondaires aux réactions physico-chimiques ayant lieu dans l’environnement proche de l’ADN (radiolyse de l’eau principalement). Les RI peuvent être responsables de ruptures d’un ou des deux brins de la chaîne d’ADN (cassure simple brin : CSB ; ou double brin : CDB), de modifications chimiques des bases ou des sucres et de différents types de pontages.

b) Expression biologique des lésions de l’ADN. La plupart des lésions de l’ADN n’ont pas d’expression biologique pour 2 raisons: - les différentes régions de la chaîne d’ADN ne sont pas codantes pour la synthèse de protéines, pour une cellule donnée environ 90% des gènes ne s’expriment pas. - la plupart des lésions sont réparables. c) Mécanismes de réparation. Environ 1000 km d’ADN sont synthétisés par seconde dans l’organisme humain. Agression permanente de l’ADN - radioactivité naturelle - radicaux libres produits par le métabolisme oxydatif (3500 CSB et 10 CDB par cellule et par jour)  Il existe des mécanismes de réparation efficaces de l’ADN

d) Les différents mécanismes de réparation. Excision resynthèse. C’est le mécanisme prépondérant, il a lieu sur les chaînes d’ADN qui ne sont pas en réplication: - reconnaissance de la lésion par une endonucléase, - excision du segment lésé par une exonucléase, - synthèse d’un nouveau fragment par une ADN polymérase en prenant le brin intact comme modèle, - ligation du brin re-synthétisé à la chaîne d’ADN par une ligase.  la réparation est fidèle.

Recombinaison post-réplicative. Ce mécanisme survient quand les cellules sont en phase S. - l’ADN polymérase ne reconnaît pas la lésion et ne peut pas répliquer le fragment lésé => brèche, - cette brèche est comblée par le transfert du segment d’ADN correspondant provenant de l’autre brin de la chaîne mère intacte ; - cette deuxième brèche est réparée par resynthèse et la lésion par excision resynthèse.  la réparation est fidèle.

Réparation SOS ou mutagène. Ce mécanisme ne fonctionne pas en permanence, il est induit dans certaines conditions pathologiques (ex: irradiation). Synthèse d’une protéine particulière ( RecA) levant l’inhibition de la réplication des fragments lésés. La réplication de l’ADN peut se poursuivre mais la lésion n’est pas remplacée par la structure saine correspondante  apparition d’une mutation. Réparation des ruptures doubles brins. Mécanismes mal précisés, réparations pouvant être fautives.

Ces mécanismes de réparations peuvent néanmoins être insuffisants: - en particulier lorsque le nombre de lésions à réparer est très important (saturation des systèmes enzymatiques), notamment en cas d’irradiations fortes à débit élevé, - dans certains cas la réparation est fautive: le brin réparé n’est pas la copie fidèle du brin intact,  apparition possible de mutations, malgré les systèmes de réparation.

e) Les mutations. Dans certains cas les RI sont responsables de lésions chromosomiques non létales pouvant conférer à la cellule mutée de nouvelles propriétés. - Certaines mutations touchant une cellule somatique peuvent être responsable de développement de cancers. Proto-oncogène   initiation = mutation Oncogène (prolifération infinie, immortalité) , 200 sont connus   promotion (sélection clonale,instabilité chromosomique...) Tumeur Ce processus de transformation maligne est très complexe et très long (certaines étapes ne surviennent qu’après de nombreux cycles de division, mise en jeu de nombreux facteurs hormonaux, enzymatiques et immunologiques favorisant ou inhibant ce processus). - Si la mutation touche une cellule germinative elle peut être transmise à la descendance et être responsable d’anomalies héréditaires.

f) Lésions chromosomiques. La plupart des lésions provoquées sur l’ADN par les RI ne sont pas directement observables. Dans certains cas elle peuvent se traduire par des anomalies structurales visibles au microscope quand se forment les chromosomes : délétions, translocations, chromosomes en anneau, chromosomes dicentriques (2 centromères). L’apparition de chromosomes dicentriques est spécifique d’une irradiation et permet d’apprécier la dose reçue par un sujet irradié: - observation des lymphocytes en métaphase: 2 Gy => 20% de dicentriques 1 Gy => 8% de dicentriques 0.5 Gy => 2% de dicentriques < 0.25 Gy => non mesurable.

Plan du cours 1) Généralités sur les RI. 1. 1 Différents types de RI. 1. 2 Unités. 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. 2. 2 Radiolyse de l’eau. 2. 3 Effets des RI sur l’ADN. 3) Lésions cellulaires. 3. 1 Mort cellulaire. 3. 2 Retard de mitose. 3. 3 Restauration cellulaire. 4) Effets sur les tissus humains. 4. 1 Effets déterministes. 4. 2 Effets stochastiques. 5) Les différentes sources d’irradiation. 6) Radioprotection

3. Les lésions cellulaires. Elles dépendent des tissus considérés et du fait que les cellules soient susceptibles de se diviser 3. 1 Mort cellulaire. Mort cellulaire immédiate. La mort cellulaire immédiate ne survient que pour des doses d’irradiation extrêmement importantes de l’ordre de quelques centaines de Gy. b) Mort cellulaire différée (à partir de 1 à 2 Gy). Les cellules irradiées continuent de fonctionner mais perdent la capacité de se multiplier (aberrations chromosomiques), la mort cellulaire survient après un temps variable dépendant de la vitesse de renouvellement cellulaire. Le phénomène de mort cellulaire différée est d’autant plus précoce que les cellules ont un haut pouvoir de prolifération: cellules souches de la moelle osseuse, cellules intestinales, cellules de la peau, cellules cancéreuses.

c) Influence du débit de dose sur l’effet létal. Pour une même dose, l’effet des RI est plus important si le débit de dose augmente. Les variations sont importantes entre 10-2 et 1 Gy/min. % cellules vivantes Cette augmentation de l’effet pour des forts débits de dose s ’explique par la saturation des mécanismes de réparation de l’ADN. Débit dose

d) Influence de la phase du cycle cellulaire sur l’effet létal. Le cycle cellulaire est constitué de 5 phases: - G1 (6h) = synthèse des enzymes nécessaires à la synthèse d’ADN, - S (10h) = synthèse de l’ADN, - G2 (5h) = préparation à la mitose, - M (1h) = mitose, - G0 (durée variable) = fonctions physiologiques. Les cellules sont le plus radiosensibles pendant la phase G2 et la mitose.  les cellules de l’organisme qui ont un haut pouvoir de prolifération sont plus radiosensibles.

3. 2. Le retard de mitose. Lorsque la dose de RI est relativement faible ( qq dizaines de mGy) il n’y a pas de mort cellulaire mais éventuellement uniquement un retard de mitose de quelques heures (allongement de la phase G2 ou de la phase S) => synchronisation partielle du cycle des cellules irradiées. 3.3. La restauration cellulaire. Dans les premières heures qui suivent une irradiation, les cellules peuvent réparer une partie des dommages causés. Les cellules saines sont capables de réparer leurs lésions beaucoup plus rapidement que les cellules cancéreuses,  fractionnement des doses en radiothérapie.

Plan du cours 1) Généralités sur les RI. 1. 1 Différents types de RI. 1. 2 Unités. 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. 2. 2 Radiolyse de l’eau. 2. 3 Effets des RI sur l’ADN. 3) Lésions cellulaires. 3. 1 Mort cellulaire. 3. 2 Retard de mitose. 3. 3 Restauration cellulaire. 4) Effets sur les tissus humains. 4. 1 Effets déterministes. 4. 2 Effets stochastiques. 5) Les différentes sources d’irradiation. 6) Radioprotection

4. Les effets tissulaires des RI. On distingue deux types d’effets chez l’homme : les effets obligatoires ou déterministes secondaires aux lésions létales, et les effets aléatoires ou stochastiques secondaires aux lésions non létales. 4.1. Les effets déterministes. Ils apparaissent au-delà d’une dose seuil dont la valeur est généralement connue pour une lésion donnée. Si la dose est inférieure au seuil, le nombre de cellules détruites est trop faible pour que l’effet soit apparent. Une fois que le seuil de dose est atteint, ils apparaissent de façon obligatoire. Au-dessus du seuil, la gravité de l’effet dépend de la dose reçue.

a) Après irradiations globales aiguës Causes : - Accidentelles, rares, dosimétrie à postériori. - Irradiations corporelles totales thérapeutiques (préparation aux greffes de moelle). Phase prodromique Apparition de signes cliniques non spécifiques dont la nature et la précocité d’apparition dépendent de la dose reçue. Asthénie, signe précoce (0 à 8h), s’observe dans 30% des cas à 1.5 Gy et 60 à 70% des cas à 2 Gy, Céphalées, signe précoce (0 à 8h), > 50% des cas à 2 Gy, Nausées et vomissements, signe un peu plus tardif, Erythème précoce, apparaissant dans les 24h au-delà de 6 Gy, pouvant persister 15 j. Diarrhée, hypertension et hyperthermie : signes apparaissant pour des doses plus élevées (> 7 Gy). Ces symptômes disparaissent après quelques heures ou quelques jours laissant place à une phase de latence pouvant durer jusqu’à 3 semaines.

Phase clinique. Le syndrome aiguë d’irradiation comporte trois syndromes majeurs correspondant aux altérations de la moelle osseuse hématopoïétique, de l’intestin et du SNC. - Syndrome hématopoïétique :  dose > 1 Gy, mortel, sans traitement, pour 50% des patients pour une dose > 3 à 4 Gy. Les cellules sanguines circulantes ne sont pas sensibles aux RI (sauf les lymphocytes), les cellules radiosensibles sont les cellules souches de la moelle. La chute des cellules sanguines se fait en fonction de la durée de vie des cellules circulantes: 24-48h pour les granulocytes, 10 jours pour les plaquettes, 120 jours pour les hématies.

Conséquences d’une diminution des cellules circulantes : Démargination des granuleux L’évolution de la courbe des leucocytes circulants permet une évaluation précoce de la dose absorbée: la pente de décroissance est proportionnelle à la dose. Conséquences d’une diminution des cellules circulantes : Granulopénie => infections Thrombopénie => hémorragies Anémie => pâleur cutanéo-muqueuse, asthénie, dyspnée...

- Syndrome digestif :  dose > 7 Gy et devient prépondérant au-delà de 10 Gy, lié à la destruction de l’épithélium intestinal, entraînant: - ulcérations digestives => infections (mort en 2 à 3 semaines), - déséquilibre hydro-électrolytique (mort par déshydratation en quelques jours pour une dose > 10 Gy). Syndrome neurovasculaire :  dose > 40-50 Gy,  désorientation, détresse respiratoire, convulsions, coma.  décès en 48h.

b) Les effets précoces des irradiations cutanées localisées. Causes : accidentelles. Brûlures radio-induites. Il existe une phase prodromique associant érythème et paresthésies suivi d’une phase de latence de quelques jours à 3 semaines. Phase d’état:  érythème, dose > 3 Gy,  épidermite sèche, dose > 5 Gy,  épidermite exudative, dose de 12 à 20 Gy,  nécrose, dose > 25 Gy, elle peut être précoce ou tardive: réapparition possible d’une nécrose 6 à 18 mois après l’irradiation, après une phase de guérison apparente, secondaire à des lésions vasculaires (fibrose). Risque de fibrose tardive si dose > 12 Gy.

c) Les effets tardifs des irradiations cutanées localisées. La Fibrose. La fibrose survient des mois ou des années après une irradiation > 12 Gy. fibrose active à densité cellulaire élevée et comportant de nombreux foyers inflammatoires riche en fibroblastes hyperactifs sécrétant des substances biologiquement actives (enzymes de dégradation, facteurs de croissance) auto-entretenant le mécanisme de fibrose  souvent mutilante

d) Effets des RI sur d’autres organes. Les gonades. Testicules: stérilité définitive à partir de 6 Sv en dose unique et 2 Sv/an en exposition chronique. Stérilité transitoire à partir de 0.1 Sv en dose unique et 0.5 Sv/an en exposition chronique. - Ovaires: stérilité à partir de 12 Sv (6 pour un âge > 45 ans) en dose unique et > 0.2 Sv/an en exposition chronique. Stérilité transitoire pour un équivalent de dose de 3 Sv. Les yeux. Le cristallin est la structure radiosensible de l’oeil avec possibilité de cataracte. Elle survient des années ou dizaines d’années après une irradiation à des doses > 2 Sv voire > 0.5 Sv avec certains RI (neutrons). Les poumons. Fibrose diffuse avec insuffisance respiratoire sévère pour des doses de l’ordre de 30 Gy.

Les reins. Radionéphrite avec hypertension artérielle et insuffisance rénale à partir de 20 Gy. Les os. Radionécrose avec fractures spontanées à partir de 70 Gy. Retard ou arrêt possible de la croissance en cas d’irradiation des cartilages de conjugaison pour les enfants. La thyroïde. Hypothyroïdie chez 50% des sujets pour 200 Gy (traitement des hyperthyroïdies par iode 131).

e) Effet des RI sur l’embryon et le foetus. Dans les huit premiers jours : loi du tout ou rien Fausse couche pour une irradiation de 4 Gy ou poursuite d’une grossesse normale. De J9 à J 60. Période d’organogénèse avec prolifération rapide de tous les tissus  période de radiosensibilité élevée avec risque de mort in utéro (4Gy) ou d’apparition de malformations (> 0.5 Gy): - cerveau: microcéphalie et arriération mentale à partir 0.25 Gy, - oeil: microphtalmie, anophtalmie, - os: adactylie, syndactilie, pied bot... Après J 60. Période foetale. Radiosensibilité moins importante, - retard de croissance, petite taille adulte, - risque cancérigène (leucémie, néphroblastomes...).  Irradiation diagnostique ou thérapeutique que les 10 jours suivant le début des règles pour les femmes en période d’activité génitale afin d’éviter d’irradier un début de grossesse.

4. 2. Les effets stochastiques. Ce sont des effets rares qui apparaissent de façon aléatoire, secondairement à des lésions non létales (mutations). On ne sait pas s’il existe un effet seuil. La gravité des effets stochastiques est d’emblée maximale.  Cancers radio-induits et anomalies génétiques

a) Les cancers radio-induits. Le cancer est le principal risque tardif des irradiations. La mise en évidence d’une relation irradiation/cancer est difficile : - aucun critère ne permet de différencier un cancer radio-induit d’un cancer d’autre origine, - la fréquence spontanée des cancers est élevée (25% de la mortalité) - le surplus de cancers liés aux RI est faible (1 à 2% des cancers)  nécessité de comparer la fréquence des cancers sur des populations très importantes, - développement de façon très tardive: plusieurs années à plusieurs dizaines d’années après l’irradiation: en moyenne 8-10 ans pour les leucémies, 16-24 ans pour les tumeurs solides => observation sur des périodes très longues, - existence concomitantes d’autres facteurs de risques (tabac, alimentation, toxiques) pouvant biaiser les études.

La relation irradiation/cancers à été mise en évidence chez l’homme en particulier à partir de différentes études: surveillance des survivants d’Hiroshima et de Nagasaki (étude la plus importante réalisée) :  75911 sujets, 41719, dose > 0.01 Gy; 4801, dose > 0.5 Gy,  567 décès par cancer entre 1950 et 1985 (366 pour la population témoin),  étude en fonction des doses impossible (pas assez de sujets pour les différentes classes),

accident de l’atoll de Bikini:  essai nucléaire américain (1954),  retombées de cendres sur les îles Marshall,  irradiation externe de plus de 48h et contamination interne (principalement les isotopes de l’iode), 0.14 à 1.75 Sv corps entier, 0.3 à 20 Sv pour la thyroïde, => excès d’hypothyroïdie, => excès de cancer de la thyroïde (46 pour 250 sujets).

radio-cancers dus au radium (série chimique du calcium): - patients traités par du radium 224 (a, 3.6j):  900 sujets (SPA, tuberculose), plusieurs Gy pour l’os, => 54 sarcomes osseux,  0 sarcome osseux pour les témoins (813 sujets),

Le risque de cancers est prouvé pour des doses importantes, > 0 Le risque de cancers est prouvé pour des doses importantes, > 0.5 Sv, Le risque relatif est faible, 1 à 2%, Aucune étude n’a mis en évidence une augmentation des cancers pour des faibles doses, < 0.5 Sv, mais effectifs trop faibles s’il existe un risque à faibles doses, il est vraisemblablement très faible. Le risque de cancers radio-induit dépend : - du tissus irradié: sein > thyroïde > moelle, - de l’âge: enfants et adolescents, - du sexe:  chez les femmes, - du débit de dose:  hauts débits.

b) Les effet génétiques. Anomalie stable radio-induite des gamètes transmissible héréditairement. La probabilité pour qu’une mutation radio-induite ait un effet sur la descendance est très faible, elle dépend de: - P mutation, - P que la mutation soit transmissible, - P de lésion non létale (pour l’ovule ou l’embryon), - P région codante du génome. Le bruit de fond est très important: - 9% de mutation dans la population générale, 10% des NN présentent une anomalie congénitale (génétique ou tératogène).  la mise en évidence d’un effet héréditaire des RI chez l’homme est difficile à étudier.

Etude des enfants nés de parents irradiés à Hiroshima et Nagasaki: dose moyenne aux gonades: 0.6 Sv => pas de différence statistiquement significative de malformations ou de maladies génétiques. Etudes de populations soumises à une irradiation naturelle élevée (20 à 100 mSv/an):  pas d’augmentation des maladies génétiques. Irradiations médicales => résultats contradictoires.  Absence d’effet héréditaire formellement mis en évidence chez l’homme.

Expérimentation animale: - Etude « Los Alamos » sur des souris:  82 générations successives (22 ans, 2400 ans pour l’homme),  2 lignées différentes,  2 Gy (irradiation naturelle x 1000), pas d’effet pour les deux lignées hormis une légère réduction de la durée de la période de fécondité pour une sous lignée. S’il existe, le risque héréditaire est vraisemblablement très faible.

Plan du cours 1) Généralités sur les RI. 1. 1 Différents types de RI. 1. 2 Unités. 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. 2. 2 Radiolyse de l’eau. 2. 3 Effets des RI sur l’ADN. 3) Lésions cellulaires. 3. 1 Mort cellulaire. 3. 2 Retard de mitose. 3. 3 Restauration cellulaire. 4) Effets sur les tissus humains. 4. 1 Effets déterministes. 4. 2 Effets stochastiques. 5) Les différentes sources d’irradiation. 6) Radioprotection

5) Les différentes sources d’irradiation. L’homme est soumis en permanence à des RI: - origine naturelle (cosmique, tellurique, interne), - origine artificielle (médicale, industrielle, domestique, explosions nucléaires); a) Irradiation naturelle C’est une irradiation permanente à faible débit de dose. La dose efficace annuelle est en moyenne par individu de 2.4 mSv/an.

Irradiation cosmique: RI provenant du soleil et des galaxies. La dose efficace annuelle est en moyenne par individu de 0.39 mSv/an. Elle augmente faiblement au niveau des pôles et beaucoup avec l’altitude (x 2 tous les 1500 m): Altitude (m) He (mSv/an) 0.26 1000 0.36 2000 0.64 3000 1.1

Irradiation tellurique: RI provenant des constituants de l’écorce terrestre ou de différents matériaux (à l’intérieur des habitations). La dose efficace annuelle est en moyenne par individu de 0.46 mSv/an. Elle dépend de la nature du sol : He (mSv/an) craie 0.3 sédiments 0.5 granit 1 à 1.5 L’exposition tellurique varie beaucoup en fonction des pays ou régions : - France : 0.6 mSv/an 1.3 à 1.7 mSv/an dans les régions granitiques 0.14 mSv/an dans les Bouches-du-Rhône - 4 à 7 mSv/an dans le Kérala en Indes, - jusqu’à 400 mSv/an en Iran.

Irradiation interne: Le corps humain est radioactif de façon naturelle. La dose efficace annuelle est en moyenne par individu de 1.53 mSv/an. Origine de l’irradiation interne: - principalement par inhalation de radon (1.3 mSv/an), - ingestion (0.18 mSv/an), principalement de potassium 40 (70Bq/kg de lait, 140 Bq/kg de blé, 150 Bq/kg de pommes de terre, 100Bq/kg de viande).

Radioactivité de différents milieux naturels.   eau de pluie 0.3 à 1 Bq/l eau de rivière 12 Bq/l eau de mer 14 Bq/l eau minérale 1 à 2 (40) Bq/l lait 60 Bq/l sédiments 400 Bq/kg granit 8000 Bq/kg corps humain 200 Bq/kg  

b) Irradiation artificielle. Ces irradiations récentes sont dues à des sources crées par l’homme.   - Irradiation médicale. Ce sont des irradiations brèves à débits de dose relativement élevés. La dose efficace annuelle moyenne rapportée par individu est de 1 à 2 mSv/an. Origine : - examens de radiologie: très fréquents, les doses efficaces dépendent des différents type d’examens et de l’appareillage utilisé. - examens de médecine nucléaire : peu nombreux, les doses efficaces sont généralement plus faibles, elles dépendent du traceur et de l’activité utilisés. - radiothérapie: doses élevées mais nombre de patients traités faible.

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- Irradiation industrielles :   - Irradiation industrielles : Elles sont secondaires à des rejets liquides et gazeux (soumis à autorisation) par les centrales nucléaires et les usines de traitement. La dose efficace annuelle estimée pour les populations à risque est comprise entre 0.001 et 0.2 mSv/an. Explosions nucléaires : Diffusion dans l’atmosphère de radioéléments à demie vie longue. La dose efficace annuelle est de 0.005 mSv/an. Irradiations domestiques : La dose efficace annuelle est estimée à 0.05 mSv/an. Montres à cadrans lumineux (radium). Ecrans de télévisions : émissions de rayons X de faible énergie. Paratonnerres (radium ou américanium). 

Plan du cours 1) Généralités sur les RI. 1. 1 Différents types de RI. 1. 2 Unités. 2) Lésions moléculaires. 2.1 Principe général. 2. 2 Radiolyse de l’eau. 2. 3 Effets des RI sur l’ADN. 3) Lésions cellulaires. 3. 1 Mort cellulaire. 3. 2 Retard de mitose. 3. 3 Restauration cellulaire. 4) Effets sur les tissus humains. 4. 1 Effets déterministes. 4. 2 Effets stochastiques. 5) Les différentes sources d’irradiation. 6) Radioprotection

Contexte: Exposition constante à de faibles doses Exposition occasionnelle à des doses plus élevées, médicales (radiologie, radiothérapie, médecine nucléaire) Objectifs: Protection des individus contre les effets des rayonnements ionisants (RI) Protection du public et des travailleurs Moyens Mesures réglementaires

Quatres principes fondamentaux. 1. Principe de responsabilité: Responsabilité des exploitants pour la sûreté des installations nucléaires, Responsabilité des fournisseurs de sources radioactives Responsabilité des employeurs, Responsabilité du médecin réalisant l’exposition Responsabilité des pollueurs 2. Justification de l’exposition: Évaluation des risques et des bénéfices attendus Prescription médicale motivée obligatoire Le médecin spécialiste est le seul responsable de l’exposition du patient et a le droit de refuser de faire l’examen 3. Principe de limitation des doses: < aux doses réglementaires (sauf exposition médicale) 4. Principe d’optimisation (ALARA) : l’exposition doit toujours être la plus faible possible

Protection des travailleurs (Décret 2003-296 du 31 mars 2003) Exposition maximale au cours de 12 mois consécutifs - Dose efficace CE : 20mSv - Peau: 500 mSv - Cristallin: 150 mSv - Femme enceinte: < 1 mSv Limites : but = rendre impossible tout effet déterministe et réduire au maximum le risque d’effet stochastique (mais pas de seuil ???)

Classement des travailleurs exposés au rayonnements (Décret 2003-296 du 31 mars 2003) 1 mSv 6 mSv 20 mSv Public Catégorie B Catégorie A Exposition indirecte Directement affectées à des travaux sous RI Personnes de16-18ans Dosimètre individuel

Définition des Zones (Décret 2003-296 du 31 mars 2003) Zone Contrôlée: - Lieu ou l’exposition des travailleurs est susceptible de dépasser les 3/10 - Débit de dose < 25mSv/H tolérance si débit > 25mSv/H => dose sur 1h < 25mSv Zone Surveillée: - Lieu ou l’exposition des travailleurs est susceptible de dépasser les 1/10 - Débit de dose < 7,5mSv/H tolérance si débit > 7,5mSv/H => dose sur 1h < 7,5mSv

Trois moyens fondamentaux pour réduire l’exposition Distance, Temps, Ecran

Distance, Temps, écran . . Le débit de dose D varie avec l’inverse du carré de la distance : D(x) = D0/x2 Le débit de dose D est proportionnel à la durée de l’exposition Ecran: D(x) = D0 e-mx, m = coefficient d’atténuation linéique du matériau constituant l’écran Couche de demi-atténuation ou CDA => CDA =ln2/m Blindage des murs, enceintes de manipulation, protège seringue… . . . . . CDA en mm béton acier plomb 99mTc 22 3,2 0,3 131I 40 12,5 3,3 18F 47 15 4,8