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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
CHRONOLOGIE DES EVENEMENTS
0
10-15s
10-5s
seconde
minute
heure
jour
semaine
mois
an
descendance
IRRADIATION
Ionisations - Excitations
Réactions des radicaux
Réactions moléculaires
Réactions biochimiques
Cancérisation
Mutation génétique
Lésionsde l’ADNgénome
Mort différée des cellules
Développement métabolique
Réparation cellulaire
Réparation tissulaire
Modificateurs de laradiosensibilité
Effet O2
Effets cliniques
immédiats
tardifs
précoces
4
Les phénomènes physiques initiaux
5
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
6
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
→ 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
Toutes les interactions aboutissent Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement finalement à la mise en mouvement d’électronsd’électrons qui sont les agents qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matièreeffectifs de l’ionisation de la matière
Electron Compton
Photon incidenth
Photon diffuséh’
Electronfaiblement lié
7
Les interactions photons - électrons
8
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
→ 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
Toutes les interactions aboutissent Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement finalement à la mise en mouvement d’électronsd’électrons qui sont les agents qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matièreeffectifs de l’ionisation de la matière
9
Aspects comparés: µ et
macro- dosimétriques
pour photons, e- et ions
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
Distinction entre effets indirects (90% des effets) et effets directs (10% des effets)
Photon incidente
-
e-
H200H
-
Effet
direct
indirect
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-brincoupures simple-brin, soit à des
coupures double-brincoupures 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:
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 létale1,5 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
Tubiana, Dutreix & Wambersie, Hermann ed, 1986
1 µm
22
La trace d’un ion a une taille comparable à celle de l’ADN
23
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).
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 oxygèneRappel: 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
Vulnérabilitécellulaire
Détection
des lésions
Réparationdes lésionsde l’ADN
Régulationde la mortcellulaire
Survie
Mort cellulaire
LésionsRésiduelles
(cycle cellulaire)
Vulnérabilitécellulaire
Détection
des lésions
Réparationdes lésionsde l’ADN
Régulationde la mortcellulaire
Survie
Mort cellulaire
LésionsRésiduelles
(cycle cellulaire)
Survie
Mort cellulaire
Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation
Lésionsrésiduelles
Wortmannine,olomoussine,
caféïne,cytotoxiques
PARP, PI3k, ATM, DNApk
3 aminobenzamideswortmannine
SSB, DSB,contrôle du cycle
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Pharmaco. des voies
de transduc.Manipulationde la PARPther.genique
Signalisation
Différents types de mort cellulaire
Survie
Mort cellulaire
Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation
Lésionsrésiduelles
Wortmannine,olomoussine,
caféïne,cytotoxiques
PARP, PI3k, ATM, DNApk
3 aminobenzamideswortmannine
SSB, DSB,contrôle du cycle
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Pharmaco. des voies
de transduc.Manipulationde la PARPther.genique
Signalisation
Différents types de mort cellulaire
A B
Vulnérabilitécellulaire
Détection
des lésions
Réparationdes lésionsde l’ADN
Régulationde la mortcellulaire
Survie
Mort cellulaire
LésionsRésiduelles
(cycle cellulaire)
Vulnérabilitécellulaire
Détection
des lésions
Réparationdes lésionsde l’ADN
Régulationde la mortcellulaire
Survie
Mort cellulaire
LésionsRésiduelles
(cycle cellulaire)
Survie
Mort cellulaire
Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation
Lésionsrésiduelles
Wortmannine,olomoussine,
caféïne,cytotoxiques
PARP, PI3k, ATM, DNApk
3 aminobenzamideswortmannine
SSB, DSB,contrôle du cycle
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Pharmaco. des voies
de transduc.Manipulationde la PARPther.genique
Signalisation
Différents types de mort cellulaire
Survie
Mort cellulaire
Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation
Lésionsrésiduelles
Wortmannine,olomoussine,
caféïne,cytotoxiques
PARP, PI3k, ATM, DNApk
3 aminobenzamideswortmannine
SSB, DSB,contrôle du cycle
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Pharmaco. des voies
de transduc.Manipulationde la PARPther.genique
Signalisation
Différents types de mort cellulaire
Vulnérabilitécellulaire
Détection
des lésions
Réparationdes lésionsde l’ADN
Régulationde la mortcellulaire
Survie
Mort cellulaire
LésionsRésiduelles
(cycle cellulaire)
Vulnérabilitécellulaire
Détection
des lésions
Réparationdes lésionsde l’ADN
Régulationde la mortcellulaire
Survie
Mort cellulaire
LésionsRésiduelles
(cycle cellulaire)
Survie
Mort cellulaire
Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation
Lésionsrésiduelles
Wortmannine,olomoussine,
caféïne,cytotoxiques
PARP, PI3k, ATM, DNApk
3 aminobenzamideswortmannine
SSB, DSB,contrôle du cycle
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Pharmaco. des voies
de transduc.Manipulationde la PARPther.genique
Signalisation
Différents types de mort cellulaire
Survie
Mort cellulaire
Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation
Lésionsrésiduelles
Wortmannine,olomoussine,
caféïne,cytotoxiques
PARP, PI3k, ATM, DNApk
3 aminobenzamideswortmannine
SSB, DSB,contrôle du cycle
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.
Pharmaco. des voies
de transduc.Manipulationde la PARPther.genique
Signalisation
Différents types de mort cellulaire
A B
31
Réparation des lésions simples de l’ADN
Excision resynthèse
- gènes / protéines:
- pathologie: xéroderma pigmentosum
32
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
Rad51Rad52
BRCA1
BRCA2
RecombinaisonNon Homologous End Joining(NHEJ)
DNA-PKsKu70
Ku80DNA-PKs
Ku70
Ku80
Rad51Rad52
BRCA1
BRCA2
Rad51Rad52
BRCA1
BRCA2
Rad51Rad52
BRCA1
BRCA2
RecombinaisonNon Homologous End Joining(NHEJ)
DNA-PKsKu70
Ku80DNA-PKs
Ku70
Ku80DNA-PKs
Ku70
Ku80DNA-PKs
Ku70
Ku80DNA-PKs
Ku70
Ku80DNA-PKs
Ku70
Ku80
Rad51Rad52
BRCA1
BRCA2
Rad51Rad52
BRCA1
BRCA2
33
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
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
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
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
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
40
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
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 + 1Grâce 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’étalement du traitement sur plusieurs semaines permet la réparation tissulaire par la repopulation cellulaire (il assure la survie des tissus à renouvellement rapide).
46
Tumeur
Tissus sains
Dose (fraction unique)
47
Survie
Nombre de fractions
Tissus sains
Tumeur
Seuil de guérison de la tumeur
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+
5050
51
52
Le spectre de la radiosensibilité humaine
53
0.01
0.1
1
0.01
0.1
1C
ell s
urvi
val
0 1 2 3 4 5 6 7 80 1 2 3 4 5 6 7 8Dose (Gy)
Controls
ATM-/-
Il existe tout un spectre de radiosensibilité chez l’être humain
54
SYNDROMES MUTATED GENE
ATMLIG4NBS1
Lamin AATMUSHCSXP
MRE11IT15APC
hMSH2FANC
BRCA1Artemis
SF2 (%)
1-52-6
8-19
15-20
5-9
15-3015-3015-4018-3020-3020-3020-4020-4020-40
10-15
Ataxia telangiectasia (classical homoz.) Syndrome Ligase IVNijmegen syndromeProgeriaAtaxia telangiectasia (variant homoz.)Usher's syndromeCockayne's syndromeXeroderma PigmentosumAT-Like DisorderHuntington ChoreaGardner's syndromeTurcot's syndromeFanconi anemia and BRCA2 mutationsBRCA1 mutationsArtemis mutations
Les syndromes génétiques humainsassociés à une radiosensibilité anormale
55
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 500 10 20 30 40 50
Group II
Group I
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Group IIIa Group IIIb
Moderate radiosensitivity cancer proneness
Hyper-radiosensitivity cancer proneness
Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008Varela et al., Nature Med, 2009
40 fibroblasts with different radiosensitivity10 genetic diseases, 5 different techniques
Hyper-radiosensitivity
% of unrepaired DSB
% c
ell s
urv
ival
at
2 G
y
Radioresistance – no cancer proneness
56
pH2AX
pDNA-PK
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25
Repair time (h)
Control
the patient
LIG4-/-
Nu
mb
er
of
foc
i p
er
ce
ll
A partir d’une biopsie de peau :
Cependant pas d’anomalieà l’analyse sanguine (lymphocytes)
Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble)
15/24
57Bencokova et al., submitted
Group I
Group II
Group IIIa
Group IIIb
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 120
Time after the first radiotherapy session (h)
2 Gy 2 Gy 2 Gy 2 Gy
24 h 24 h 24 h 24 h
19/24
L’effet du fractionnement
58
Fractions of 2 Gy
Nu
mbe
r of
unr
epai
red
DSB Group I Group II Group IIIb
Fractions of 2 Gy
Nu
mbe
r of
unr
epai
red
DSB Group I Group II Group IIIb
L’effet du fractionnement
Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008
59
Group I
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 250 5 10 15 20 25
Nu
mb
er
of
foc
i
Repair time (h)
pH2AX
MRE11
MRE11 in group II
Group II
Le Groupe II montre un taux anormal de foci MRE11
12/24 Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008
60
Cependant pas de foci MRE11dans les lymphocytes du sang
From a skin biopsy : Activité d’MRE11
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25
The patient
Control
Nu
mb
er
of
foc
i p
er
ce
ll
Repair time (h)
16/24
Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble)
61
P
Non-homologousrecombination
MRE11
ATM
P
ATM
MRE11
H2AX
RadiorésistanceNon cancer-prone
H2AX
Radiosensibilité modéréeAptitude à la cancérogenèse
JoiningJoining
Non-homologousrecombination
Translocation nucléo-cytoplasmique d’ATM
62
Il devient désormais possible:
1) d’explorer la radiosensibilité d’un patient2) de comprendre les mécanismes des variations de radiosensibilité humaine3) d’adapter potentiellement un traitement de radiothérapie (ou de le contre-indiquer) en fonction des caractéristiques radiobiologiques du patient4) des études systématiques sont en projet (Foray & Vogin)
Conclusion
63
FIN
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