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

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

L’échelle des temps en radiobio-logie

Les phénomènes physiques initiaux

Les différents types de radiations (1) 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 (2) 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 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 Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement d’électrons qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matière

Les interactions photons - électrons

Les différents types de radiations (3) 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 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 Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement d’électrons qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matière

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

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

Les phénomènes radio-chimiques

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

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…

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

Les phénomènes moléculaires et bio-chimiques primordiaux

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

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

Les aberrations chromosomiques sont la manifestation des CDB anneau

Aspects quantitatifs et qualitatifs Une irradiation de 1 Gy en photons entraîne par cellule: Lésions de bases 1 à 10 eV/nm3 10 000 Réparées en 5 à 10 min Lésions simple brin (CSB) 10 à 100 eV/nm3 1000 10 à 15 min Lésions double brin (CDB) > 100 eV/nm3 40 2 à 6 h Pontages ADN-protéines ? Aberrations chromosomiques 1 1,5 coupure double brin non réparée est létale

TEL et efficacité biologique

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

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

La courbe de survie: met en évidence la différence d’efficacité biologique (EBR) des radiations selon leur TEL 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).

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)

L’effet oxygène

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

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

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

La réaction cellulaire à l’irradiation

L’organisation de la réparation de l’ADN est surprenante

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

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

Les capacités de réparation varient avec les phases du cycle cellulaire 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

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

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

Résultat final de la réparation de l’ADN 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

La mutagenèse radio-induite

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

Mécanismes comparés de la carcino-genèse radio-induite et chimio-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 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

La transformation cellulaire ne peut se faire qu’à faible dose 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

L’obtention d’un effet différentiel

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)

Grâce à trois principes + 1: 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

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.

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’étalement du traitement sur plusieurs semaines permet la réparation tissulaire par la repopulation cellulaire (il assure la survie des tissus à renouvellement rapide).

Dose (fraction unique) Tumeur Tissus sains

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

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

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

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Le spectre de la radiosensibilité humaine

Il existe tout un spectre de radiosensibilité chez l’être humain

Les syndromes génétiques humains associés à une radiosensibilité anormale SYNDROMES MUTATED GENE ATM LIG4 NBS1 Lamin A USH CS XP MRE11 IT15 APC hMSH2 FANC BRCA1 Artemis SF2 (%) 1-5 2-6 8-19 15-20 5-9 15-30 15-40 18-30 20-30 20-40 10-15 Ataxia telangiectasia (classical homoz.) Syndrome Ligase IV Nijmegen syndrome Progeria Ataxia telangiectasia (variant homoz.) Usher's syndrome Cockayne's syndrome Xeroderma Pigmentosum AT-Like Disorder Huntington Chorea Gardner's syndrome Turcot's syndrome Fanconi anemia and BRCA2 mutations BRCA1 mutations Artemis mutations

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A partir d’une biopsie de peau : Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble) A partir d’une biopsie de peau : 20 40 60 80 100 5 10 15 25 Repair time (h) Control the patient LIG4 - / Number of foci per cell pH2AX pDNA - PK Cependant pas d’anomalie à l’analyse sanguine (lymphocytes) 15/24

L’effet du fractionnement Group I Group II Group IIIa Group IIIb 20 40 60 80 100 120 Time after the first radiotherapy session (h) 2 Gy 24 h 19/24 Bencokova et al., submitted

Number of unrepaired DSB Group I Group II Group IIIb L’effet du fractionnement Fractions of 2 Gy Number of unrepaired DSB Group I Group II Group IIIb Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008

Le Groupe II montre un taux anormal de foci MRE11 Group I Group II 5 10 15 20 25 30 35 40 Number of foci Repair time (h) pH2AX MRE11 MRE11 in group II 12/24 Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007 Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008

Cependant pas de foci MRE11 dans les lymphocytes du sang Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble) Activité d’MRE11 5 10 15 20 25 The patient Control Number of foci per cell Repair time (h) From a skin biopsy : Cependant pas de foci MRE11 dans les lymphocytes du sang 16/24

Translocation nucléo-cytoplasmique d’ATM MRE11 P H2AX H2AX P MRE11 Non-homologous recombination Joining Non-homologous recombination Joining Radiorésistance Non cancer-prone Radiosensibilité modérée Aptitude à la cancérogenèse

Conclusion Il devient désormais possible: d’explorer la radiosensibilité d’un patient de comprendre les mécanismes des variations de radiosensibilité humaine d’adapter potentiellement un traitement de radiothérapie (ou de le contre-indiquer) en fonction des caractéristiques radiobiologiques du patient des études systématiques sont en projet (Foray & Vogin)

FIN