les effets biologiques des faibles doses d’irradiation ... · les tissus • loci ayant une...
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Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 1
Les effets biologiques des faibles doses d’irradiation
RISC-RAD - FP6- Projet Intégré
Laure SabatierDivision des Sciences du Vivant
Service de Radiobiologie et OncologieFontenay-aux-Roses
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 2
Exposition naturelle annuelle
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 3
Faibles doses
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 4
LNT: un modèle utilisé pour l’évaluation du risque : extrapolation <100mSv
E.Relative riskIR Cancer
Exposure
Established effects
0
• LNT- model• Regulatory
HypotheticalEffects
• Quadratic model
• Hormesis
• supra-linear
100 mSv
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 5
Stratégie fondatrice
•
RI, à
fortes doses, induit
des dommages
génétiques
dans
les cellules somatiques
et certaines
de ces
modifications peuvent
être
impliquées
dans
le
développement
du cancer
•
Une
compréhension
approfondie
des mécanismes
de la cancérogénèse spontanée/radioinduite
est
requise
•
La compréhension
des mécanismes
de cancérogénèse
>100 mSv
est nécessaire
pour comprendre
les mécanismes
de la cancérogénèse
<100 mSv
et développer
les modèles
de calcul
du risque
les plus appropriés.
•
Des systèmes
expérimentaux
sont
nécessaires
–
rongeurs, homme-
et les approches
de modelisation
mathématiques
doivent
être
redéfinies
But ‘….. Acquérir les informations scientifiques fondamentales nécessaires pour tester les hypothèses sur lesquelles est fondée la radioprotection et ainsi, améliorer la gestion du risque à faible dose d’irradiation
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 6
La cancérogénèse est un processus monoclonal et multiétapes, modulé
par la
réponse du tissu et de l’organisme
•
Domaine de Recherche : EURATOM / Radio Protection•
INSTRUMENT : Projet Intégré•
COORDINATION : CEA, Direction des Sciences du Vivant, •
COORDINATEUR : Laure Sabatier •
DUREE : 4 ans (2004-2008)•
CONSORTIUM : 31 Instituts
Européens, 11 pays 39 labo. de recherche, réseau > 400 personnes
(chercheurs, post-doc, thésards, étudiants, techniciens, personnel administratif…)
•
BUDGET :
•
Total : 15-30 Mۥ
Contribution U.E : 10 M€
RISC-RAD Radiosensitivity
of Individuals and Susceptibility to Cancer induced by ionizing RADiations
Informations générales
-> RISC-RAD est centré sur l’étude des mécanismes génétiques dans le cadre de l’estimation des risques de cancer radioinduit à faibles doses.
-
>50 thésards
- 100 bourses (thésards, post-
doc) séjours
labo, conférences
- 3 sessions “Educatives”- Newsletters
-
200 articles
Participation > 80 conférences
internationales
(inc DOE)
Flexibilité du financement
-> integration
PhysicienBiologiste MoléculaireBiologiste Cellulaire
PathologisteMathematicien
RISC-RAD final : conférences
www.riscrad.org
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 8
•
LESIONS PRECANCEREUSES
•
CANCER
•
SUSCEPTIBILITE GENETIQUE et CANCER
•
IDENTIFICATION des GENES
WP 3 (SB) and 4 (MA)
MODELISATION ET ESTIMATION DU RISQUE
WP 5 (HP)
• Dommages
de l’ADN
• Reparation
ADN
• Cycle
Cellulaire
• APOPTOSE
• INSTABILITE GENOMIQUE
WP 1 (LM) and 2 (LS)
des dommages
de l’ADN
au CANCER
RISC-RAD Radiosensitivity
of Individuals and Susceptibility to Cancer induced by ionizing RADiations
Une approche intégrée
ADN
CELLULE
TISSUS/
ORGANES
ORGANISME
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 9
Afin
d’évaluer
la validité
à
faible
dose des modèles actuels
et des nouveaux modèles
d’estimation
du
risque, établis
sur
les effets
observés
à
fortes doses
KQ A Les mécanismes de la carcinogénèse induite par les fortes doses d’irradiation sont-ils également impliqués dans la carcinogénèse associée aux faibles doses d’irradiation ?
KQ B Dans quelle mesure les prédispositions génétiques peuvent-elles modifier le risque individuel de développer un cancer radio-induit ?
KQ C Quel est le modèle mathématique d’estimation du risque de développer un cancer le plus en accord avec les données actuellement disponibles et quelles en sont les conséquences opérationnelles ?
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Risc-Rad : Trois enseignements clés
•
Il n’y a pas une forme unique de relation dose-effet pour tous les processus biologiques cellulaires étudiés. Les effets à
faibles doses peuvent différer des effets à
fortes
doses.
•
Les modèles animaux permettent de démontrer le lien entre les modifications du génôme
induites directement et
l’apparition de cancer. Mais les effets indirects peuvent aussi y contribuer.
•
Les prédispositions génétiques modulent le risque de développer un cancer.
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Il n’y a pas une forme unique de relation dose-effet pour tous les processus biologiques cellulaires étudiés. Les effets à faibles doses peuvent différer des effets à fortes doses 1/2
Linear:
Abérrations
chromosomiques
(50-100mGy vs
0.5Gy)
Un seul
DSB:
Instabilité
chromosomique
/ LOH
(Levure-homme)
Nonlinear: Réponse
au stress / transcriptome
(<100mGy vs
2Gy)
Seuil:
Activation des points de contrôle
du cycle (G2) (>100mGy) senescence?
Induction of HLA-A2 loss by low dose radiation
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 50 100 150 200 250
dose mGy
Freq
uenc
y of
HLA
-A2
loss
x 1
0-4
WIL2-NSTK6
Perte
/ alteration du matériel
génétique
*
***
*
***
LOHDémasquagedes mutationsrécessives
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 12
Il n’y a pas une forme unique de relation dose-effet pour tous les processus biologiques cellulaires étudiés. Les effets à faibles doses peuvent différer des effets à fortes doses 2/2
20 mGy
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,05 0,25 2 24
Foci
per
cel
l
1.2 mGy
0
0,05
0,1
0,05 0,25 2 24
5 mGy
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,05 0,25 2 24
Pas d’arrèt G2/M pour des doses induisant< 10-20 DSBs (WT et mutants reparation) Lobrich
and Jeggo
NatRevCancer
2007
0,01
0,1
1
10
10' 5h 24h
foci
/cel
l
repair time (h)
heart 1Gy
small intestine 1Gy
kidney 1Gy
heart 0,1Gy
small intestine 0,1Gy
kidney 0,1Gy
heart 0,01Gy
small intestine 0,01Gy
kidney 0,01Gy
In vivo 95% DSB réparés après 100 mGy et 1 Gy, faible réparation après 10 mGy (25% reparés)
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Les modèles animaux permettent de démontrer le lien entre les modifications du génôme induites directement et l’apparition de cancer. Mais les effets indirects peuvent aussi y contribuer. 1/2
l’irradiation
agit
à
un stade
précoce(AML, Ptch1, Apc
min
).
Des dommages
directs de l’ADN
dans
une
cellule unique induit
les mutations critiques du processus
de cancérogénèse
(pas clair
pour Osteosarcoma) .
Ptch1 gene et le risque de cancer à faible dose
Souris exposées
à
100-500mGy.
Les modèles animaux ont permis de tester le rôle de l’irradiation en tant qu’initiateur /promoteur
AML: l’irradiation
agit
à
un stade
précoce, à
l’initiation
de la cancérogénèse
Ptch1: l’irradiation
agit
à
un stade
précoce.
Augmentation de tumeurs
du cerveau
Modelisation
des données
obtenues
sur
la souris
Percentage loss of Sfpi1/Pu.1 in CBA bone marrow, 24 hours post-IR exposure.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2
Gray
Perc
enta
ge lo
ss
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 14
Les modèles animaux permettent de démontrer le lien entre les modifications du génôme induites directement et l’apparition de cancer. Mais les effets indirects peuvent aussi y contribuer. 2/2
Apoptose induite dans des cellules transformées non directement irradiées lorsque des cellules normales sont irradiées à faible dose (Portness et al, Cancer Res 2007)(… Pas les cell tumorales!)
LOW DOSE RADIATION
ENHANCEMENT OF APOPTOSIS
TGF-
BETA
Medulloblastoma
Faible taux spontané
(about
7%), augmenté
après irradiation
(dès 25 cGy) en neonatal.
Shield: individual hoods(4mm-thick walls)
Mancuso
et al, PNAS 2008
0 10 20 30 40 50 60 70 800
2
4
6
8
SHWB
0.036 Gy15253545
Time post-irradiation (h)
Num
ber o
f apo
ptot
ic c
ells
(%)
0 10 20 30 400
20
40
60
80
100
WB 3 Gy (37) SH 3 Gy (46)CN (51)
80 100
WB 0.036 Gy (34)
Medu
llobla
stoma
free
mice
(%)
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Les prédispositions génétiques modulent le risque de développer un cancer 1/2
Un seul DSB induit des pertes d’hétérozygicité (LOH) Levure – cellules tumorales humaines
Identification de gènes impliqués dans LOH (levure)
La recombinaison
homologue supprime
LOH induit
par un seul
DSB (cellules humaines???)
Déficience
RH => augmentation des medulloblastomes
radioinduits
dans
Ptch+/-
souris
(faible
et forte dose).=> Démonstration de l’hypothèse : Une déficience en réparation de l’ADN augmente les cancers radioinduits (confirme
les données
DNA-PKcs
souris).
Identification de nouveaux gènes impliqués dans la radiosensibilité
Nouveaux genes / cribles
génétiques.
Apollo, artemis
paralogue
agit
sur
les telomeres
Une
mutation unique chez un patient radiosensible
(DNAPkcs= gène
de réparation
de l’ADN.
Deux
maladies humaines
nouvelles
associées
à
une
radiosensibilité
accrue
Similitude entre
souris/homme
Rb: régulateur
de la sensibilité
aux cancers radioinduits?
0 10 20 30 400
25
50
75
100Ptc+/-Rad54-/-
Ptc+/-Rad54+/+
Ptc+/-Rad54+/-
Ptc+/-Rad54-/-
Ptc+/-Rad54+/+
Ptc+/-Rad54+/-
2Gy0Gy
Weeks of age
Med
ullo
blas
tom
a in
cide
nce
(%)
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 16
Les prédispositions génétiques modulent le risque de développer un cancer 2/2
•
De rares mutations fortement pénétrantes, acquises durant dans la lignée germinale augmentent la radiosensibilité
Deux
maladies génétiques
Li-Fraumeni
syndrome et Retinoblastoma, ( mutations de p53 et Rb1) (LOH, amplification, translocation etc). => predispose à
une
augmentation des cancers radioinduitsConfirmé dans les modèles animaux (sensibilité à faible dose des
mutants alors qu’il n’y a pas d’effets chez lees animaux génétiquement normaux (100 mSv)
Differents
genes influencent
la sensibilité
selon
les tissus
•
Loci ayant une faible pénétrance mais une forte fré quence dans la populationie
5-10 millions de polymorphismes
dans
le génôme
humain
Modèles animaux : ces
gènes
influence la sensibilité
à
l’apparition
de cancers radioinduits.
•
Interactions épistatiques entre des allèles à forte et faible pénétrance Modèles animaux : Fort degré
d’interactions
pour ces
gènes
dans
la formation des
cancers radioinduits. Ces
effets
sont
différents
spécifiques
pour certains
tissus. L’effets
des faibles
doses est
prédictible
mais
pas encore démontré.
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 17
Quel est le modèle mathématique d’estimation du risque de développer un cancer le plus en accord avec les données
actuellement disponibles et quelles en sont les conséquences opérationnelles ?
•
Risc-Rad, les programmes internationaux sur les faibles doses
compréhension des mécanismes de cancérogénèse associée à l’irradiation.•
Les données obtenues ne remettent pas en question l’utilisation, en radioprotection, de modèles d’estimation du risque basés sur une augmentation linéaire du risque avec la dose de rayonnements,
•
Elles montrent :
la nature des réponses biologiques induites par de faibles doses d’irradiation présente des différences avec celle des réponses induites par de fortes doses d’irradiation.
la diversité des relations effet/dose selon le mécanisme observé
l’importance des prédispositions génétiques dans la sensibilité individuelle aux faibles doses d’irradiation.
•
Il reste donc indispensable de continuer à apporter de nouvelles données pour mieux comprendre ces effets biologiques complexes et leur impact sur l’établissement des normes de radioprotection.
Angers - L. Sabatier- SFRP- 2009 18
Une seule cellule -> interactions multicellulaires, tissus et organismes
•
Irradiation faible dose/ forte dose•
Lésions
de l’ADN’, interaction avec lesions spontanées
(ROS, replication, telomere)
•
Communication Intra-inter cellulaire•
Vieillissement cellulaire et tissulaire•
Réponse cellulaire•
Identifier les évènements
radioinduits
dans
les cellules pertinentes
(≠
types, cellules souches)•
Réponse tissulaire•
Réponse de l’organisme•
Genotype/phenotype
Sensibilité
individuelle
Qualité
des rayonnements
Débit de dose
Biologie des systèmes
specificitéCell/ tissus Cancérogénèse multiétape
Spontanée/IRNombreux
organes
:
Stades
précocesde cancers
„dormants“.Cohortes humaines
Epidemiologie
Moléculaire
Definir
la gamme
de radiosensibilité humaine
(genetique, developpement, style de vie, facteurs
environmentaux
Modèles
de quantification du risque réalistes
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RISC-RAD partnersMerci pour votre attention