Radiobiologie :

Version 2.0 - 31/10/2019

Introduction : 2

I- Les mécanismes de transfert de l’énergie radiative aux molécules : 3

II - Les lésions moléculaires ainsi induites sur l’ADN : 4

A- Radiolyse de l’eau et effet indirect : 4

B- Effet direct sur l’ADN 7

III- Les mécanismes de réparation de grandes efficacités : 8

IV- Les lésions résiduelles : seules capables d’expression biologique 9

V- Les lésions chromosomiques: les seules observables au microscope : 10

A- Lésions chromosomiques : 10

B- Aspects quantitatifs de l’apoptose radio-induite : 11

Page sur 1 14

Introduction : 


• Les rayonnements ionisants produisent des lésions moléculaires avec peu de spécificité (sauf dans le cadre de la radiothérapie interne vectorisée) et une grande efficacité.


• Ces rayonnements délivrent leur énergie sous forme de dépôts sub-microscopiques qui ionisent ou excitent les atomes et molécules.













• Ces rayonnements délivrent leur énergie sous forme de dépôts sub-microscopiques qui ionisent ou excitent les molécules et les atomes.

Excitation : L’électron est projeté sur une couche plus externe.


Ionisation : L’électron est éjecté hors du système.

L’énergie suffisante pour arracher l’électron d’un atome : 13,6 eV. C’est pour l’atome d’hydrogène (car il n’a qu’un électron). 

À partir du moment où l’énergie d’un rayonnement est suffisante pour arracher l’électron de l’hydrogène, c’est que ce rayonnement est ionisant.

Dans un milieu aqueux, l’énergie moyenne provoquant une ionisation est de 32 eV 
(ne pas retenir le chiffre exact)

• C’est par transfert de cette énergie aux molécules d’un milieu vivant ou inerte, que les rayonnements ionisants compromettent la stabilité des édifices moléculaires.

Si la molécule est très perturbée elle peut être rompue. 


Une molécule ou un organe qui n’effectue pas son travail peut être considéré comme mort (enzyme non fonctionnelle etc)

• Une lésion peut être produite sur une molécule si l’excès de son énergie interne ainsi induit atteint un niveau supérieur à l’énergie d’une de ses liaisons chimiques.

• Dans un milieu aqueux, l’énergie moyenne provoquant une ionisation est de 32 eV.

Page sur 2 14

I- Les mécanismes de transfert de l’énergie radiative aux molécules :

• Les transferts de l’énergie par ionisation (énergie suffisante pour arracher l’électron) et excitation (retour à l’état d’équilibre avec émission d’un rayonnement) produisent des lésions moléculaires.

• Lors d’une ionisation, une partie de l’énergie perdue par la particule ionisante est transférée à la molécule qui devient un ion positif, et l’autre fraction est emportée par l'électron, arraché, avec une certaine énergie cinétique (qui dépend de l'énergie du photon incident) :

• Lors de l’excitation, l’électron reste lié (non arraché) à la molécule, mais son énergie est portée à un niveau plus élevé. L’énergie transmise permet à l’électron de changer de couche mais pas de l’arracher (≠ ionisation)
 
La molécule est dite excitée : 


• Les molécules ayant acquis un excédent d’énergie, par ionisation (M+) ou excitation (M*) et sont donc très instables.

• L'excédent d'énergie est rapidement transféré :


- Soit sous forme de l’émission d’un photon à l’occasion d’une transition électronique, et retour du cortège électronique à l’état initial (fluorescence)

→ La molécule n’est pas modifiée.

- Soit par transfert de l’énergie à une liaison chimique proche, pouvant provoquer la rupture de cette liaison

→ Une lésion moléculaire est ainsi produite.

Transfert de l’énergie radiative (exercice, pas à savoir par coeur):

• Dans un milieu aqueux, l’énergie moyenne provoquant une ionisation est de 32 eV• 1 Gy= 1 joule / kg• 1 joule = eV

• Une dose de 1 Gy produit ionisations dans un litre d’eau

• Mais le % de molécules ionisées dans ce volume qui contient molécules demeure très faible: environ 1 ionisation sur 100 millions de molécules.→ En fonction du volume irradié les conséquences sont différentes.• Dans un noyau cellulaire, de masse g, 20 000 ionisations sont ainsi produites par

cette même dose de 1 Gy.


hν +M → M + + e-

hν +M → M *

6,24.1018

6,24.1018

32≈ 2.1017

3.1025

10−10

Page sur 3 14

• Ces ionisations se répartissent entre micro et macromolécules et parmi ces dernières, les molécules d’ADN du noyau (masse = g) subissent à elles seules, environ 2 000 ionisations.

• Les lésions de l’ADN doivent être considérées avec une attention particulière compte tenu des conséquences possibles d’une modification même minime de la structure de cette molécule.


II - Les lésions moléculaires ainsi induites sur l’ADN :


Ces lésions dites primaires seront pour la plupart réparées :

• Les lésions de l’ADN peuvent être induites par transfert direct de l’énergie radiative à la molécule (ionisation grande part, excitation de l’ADN faible part). C’est la particule rayonnante qui entre en contact avec l’ADN. C’est relativement faible 


➜ C’est l'effet direct.

• Elles peuvent aussi être secondaires à des réactions physico-chimiques complexes induites dans son environnement immédiat à la suite de l’ionisation ou de l’excitation des molécules d’eau les plus proches qui vont à leur tour pouvoir réagir avec les molécules d’ADN. L’effet majeur est majoritairement obtenu par l’effet indirect 


➜ C’est l’effet indirect (on va ioniser l’eau et cette radiolyse va toucher l’ADN)


A- Radiolyse de l’eau et effet indirect :

• L’étape physique initiale :

→ Ionisation

→ Excitation

La première étape est physique puis sera chimique après la formation de radicaux libres


- On appelle un radical libre tout atome ou toute molécule ayant un électron non apparié.


- La présence d’un point, situé en bas à droite de l’atome ou de la molécule, symbolise l’électron célibataire, définit un radical libre. Un radical peut être un atome ou une molécule ionisée ou non. 


- Effet toxique sur toutes les molécules et en particulier sur l’ADN (on retrouve particulièrement des radicaux libres dans tous les phénomènes d’oxydation).

Les radicaux ne sont pas toujours produits par radiolyse de l’eau : ils peuvent être produits dans certaines maladies comme infarctus du myocarde, en cas d’ischémie…Ils sont extrêmement réactifs.

10−11

hv +H2 0→ H2O.+ + e_

hv + H2O→ H2O*

Page sur 4 14

• La cascade des événements physico-chimiques :

Les molécules ionisées ou excitées sont très instables.En moins de 10-12 secondes après l’interaction initiale, elles se dissocient (radiolyse) pour former de nouveaux radicaux libres :


= Excitation

= Ionisation

Les radicaux libres sont de haute réactivité chimique, et de durée de vie très brève (10-9s). Ils peuvent s’annihiler ou former de nouvelles molécules:

(eau = effet nul)(hydrogène moléculaire)

(peroxyde d’hydrogène = eau oxygénée)C’est ce qui explique que les effets ne sont pas spécifiques. Dans tous les cas on aura les mêmes conséquences.

Par ailleurs, l’électron éjecté lors de l’ionisation se stabilise et s’entoure d’une cage de molécules d’eau pour former un électron hydraté appelé électron aqueux (e- aq)

Après cette étape, qui dure moins de 10-6 s, et au cours de laquelle les radicaux ne diffusent très peu, les produits de la radiolyse de l’eau pure présents dans le milieu sont notamment les suivants :

Ces produits sont toxiques, non seulement car ils sont très réactifs (radicaux libres), mais aussi car ils sont oxydants comme le peroxyde d’hydrogène (H2O2) ou le radical hydroxyle (OH.). On augmente la formation de radicaux ; effet oxygène.

Ces mêmes radicaux et ces même agents oxydants sont aussi formés lors des processus oxydatifs normaux/physiologiques qui se produisent dans le milieu

cellulaire (donc pas spécifique des rayonnements ionisants).

Les rayonnements ionisants font partie de notre environnement courant et les phénomènes de réparation de l’ADN et des cellules ne sont pas spécifiques des ionisations, ils font partie de la réparation en général.

H2O*→OH .+ H .

H2O.+ + H2O→OH .+ H 3O

+

OH .+ H .→ H2OH .+ H .→ H2

OH .+OH .→ H2O2

Page sur 5 14

OH .,H .,e−aq,H2O2 ,H2

• L’étape chimique et la formation des lésions moléculaires :

Les produits de la radiolyse peuvent produire des lésions (2nd) des molécules proches.

Par exemple, le radical OH. peut modifier la liaison chimique R-H d’une molécule organique proche, et l’oxyder :

R-H + OH. → R. + H2OR.+ OH. → R-OH

De même un radical H. peut modifier cette même liaison et produire des pontages par formation de dimères :

R-H + H. → R. + H2R. + R. → R-R

C’est ainsi que peuvent être produites des lésions indirectes des molécules biologiques. S’agissant de l’ADN, les altérations produites sont multiples : modifications des bases, rupture simple ou double brin, pontage inter- ou intra-brin ou pontage ADN-protéine

Plus l’énergie délivrée est importante, plus le rayonnement sera intense, moins les lésions de l’ADN seront réparées ou si elles sont réparées il y aura des erreurs dans la réparation qui auront des conséquences (mutations, cancer, effet héréditaire …)

Effets : Soit on tue une cellule/enzyme/protéine(direct) soit on crée des radicaux (indirect)

On utilise l’effet radiosensibilisant pour maximiser les effets indirects des rayonnements ionisant : l’oxygène est le plus connu. un des mécanismes de radiorésistance est la diminution de concentration d’oxygène.

Page sur 6 14

Radiosensibilisants et radioprotecteurs :

• Effet radiosensibilisant: exemple de l’effet Oxygène :


Certaines molécules comme l’oxygène augmentent l’effet biologique des rayonnements:

H. + O2 → HO2.HO2. + HO2. →H2O2 + O2

HO2. + H. → H2O2e- + O2 → O2- (ion oxygène)

Ces différents produits formés sont toxiques aussi et ceci explique l’effet sensibilisant de l’oxygène. Cela augmente les effets biologiques entre les rayonnements ionisants et le milieu. On tente d'exploiter ce phénomène dans le traitement des tumeurs par radiothérapie.
On essaie aussi de les hyper-oxygéner.


• Molécules radioprotectrices :


Exemple des molécules ayant un radical thiol (R-SH): mécanisme mal connu, elles sont théoriquement radioprotectrices mais ces molécules sont toxiques chez l’Homme à haute concentration. Plus toxiques que les effets eux-mêmes

B- Effet direct sur l’ADN

• Dans l’effet direct, la lésion moléculaire résulte d’un dépôt d’énergie radiative très localisé en une région sensible de la chaine d’ADN. C’est plus improbable. 


• Types de lésions (par effet direct ou indirect): rupture d’un ou de 2 brins de la double chaîne, modifications chimiques des bases ou des sucres, pontage intra- ou inter- moléculaire (même lésion que l’effet indirect = pas spécifique).

• Au plus le transfert linéique d’énergie (TLE) est important → ↑ de l’énergie des dépôts 
→ ↑ complexité des lésions → ↓ Efficacité de réparation du système enzymatique

Page sur 7 14

III- Les mécanismes de réparation de grandes efficacités :
- Réparation des lésions primaires de l’ADN

• Il existe de nombreux mécanisme de réparation ; ils nécessitent l’intervention de plusieurs enzymes (altérées dans certaines maladies congénitales rares), donc ces mécanismes de réparations sont enzymatiques. Extrêmement sensible même au stress cellulaire.

• Les lésions sont réparées en quelques secondes à quelques heures en fonction de leur complexité (Énergie et influence du débit de dose). Ce n’est pas la même chose de recevoir sur un temps très long une certaine dose où le mécanisme sera très efficace que de recevoir la même dose sur un temps très court où les mécanismes seront alors saturés

• La notion de temps est très importante en dosimétrie.

• Certains mécanismes assurent une réparation parfaite. D’autres, au contraire, des réparations incomplète voire fautives pouvant être a l’origine de mutation (si une cellule est anormale, il est préférable qu’elle meurt plutôt qu’elle risque de créer des effets secondaires) :

- Excision d’une base et resynthèse (lésions simples limitées à une base).

- Excision d’un nucléotide et resynthèse (lésion plus complexes: une partie plus ou moins longue de la chaine est lésée).

- Recombinaison homologue (rupture double brin).

- Recombinaison non homologue ou illégitime (réparation rapide des ruptures double brin: réparation non fidèle / fautive = mutation) peut induire des produits nocifs ou une multiplication anarchique de cellules. (cancer radio-induit)




Réparation des lésions primaires de l’ADN :

• Indépendamment de toute irradiation, les molécules d’ADN sont des structures fondamentalement fragiles (10 000 bases perdues par jour) lié à:

- Agitation thermique- Radicaux libres et molécules toxiques formés lors du métabolisme normal- Erreurs de réplication (plus on force une cellule à se reproduire et plus le risque

d’erreur augmente)

• Les enzymes de réparation sont indispensables à la survie cellulaire et à la conservation du patrimoine génétique.

Page sur 8 14

Rupture simple(d’une seule chaîne)

Hydrolyse + synthèse exonucléase

Ligases

IV- Les lésions résiduelles : seules capables d’expression biologique

Les lésions résiduelles de l’ADN et expression biologique

• Malgré l’efficacité remarquable des enzymes de réparation, un certain nombre de lésions primaires de l’ADN peut donner lieu à des lésions résiduelles stables, transmissibles ou non au génome de la descendance de la lignée cellulaire.

• Ces lésions résiduelles sont les seules capables d’expression biologique (positives ou négatives)

2 cas de figure :- Les lésions incompatibles avec la survie cellulaire → apoptose (ou mort cellulaire

programmée) Déclenchent la mort cellulaire alors qu’elle n’était pas prévue: base des effets déterministes (liés à l’apoptose). Pas de risque biologique

- les lésions compatibles avec la survie et avec la division cellulaire (= transmise sur le prochaine cycle) → mutation (3% de cellules porteuses d’une mutation naturelle) :

∼ Lorsque cette mutation porte sur une cellule somatique (cellule non germinale), elle peut être à l’origine du développement d’un cancer ou de l’apparition d’un caractère nouveau (positif ou négatif comme un cancer) chez l'individu irradié (pas pour la descendance)

∼ Lorsque cette mutation sur une cellule sexuelle, elle peut être transmise à la descendance de l’individu qui sera porteur d’un caractère nouveau, lequel peut être défavorable ou non.

Page sur 9 14

V- Les lésions chromosomiques: les seules observables au microscope :

A- Lésions chromosomiques :

• Les lésions moléculaires radio-induites sur un gène de la double hélice ne sont pas directement observables.

• Il est par contre possible d’observer indirectement certaines d’entre elles, lorsqu’elles produisent des modifications de la forme des chromosomes (ce que l’on appelle des aberrations chromosomiques que l’on observe en ME, en particulier en ce qui concerne les lymphocytes)

• Il y a une relation directe entre la fréquence des aberrations chromosomiques sur un caryotype de lymphocytes circulants et la dose absorbée par l’individu.



Fin du cours 24/10/19

Page sur 10 14

B- Aspects quantitatifs de l’apoptose radio-induite :

1) Variation de l’effet létal (apoptose) avec la dose :

L’effet est toujours présent au delà d’un seuil. Résultats d’études empiriques :

→ Courbe de survie exponentielle: le nombre de cellules survivantes N décroit de façon exponentielle avec la dose D administrée :

avec survie = proportion de cellules survivantes




La proportion des cellules survivantes pour une dose donnée dépend fortement de la variété cellulaire irradiée. Le coefficient -α exprime la radiosensibilité des cellules.

➔ Plus une cellule se divise, plus elle est radio-sensible.

On définit → avec

• D0 est appelée dose létale moyenne ou D37 


Pour cette dose, la proportion de cellules survivantes est égale à 0,37 (soit 37%)En effet, si D = D0, S = e-1= 0,37 


➜ La valeur de D0 est d’autant plus faible que les cellules sont plus radiosensibles.Les cellules sont d’autant plus radiosensibles qu’elles se multiplient beaucoup.

• La dose D1/2 tuant 50% d’une population cellulaire, appelée dose létale 50 (DL50) est liée à D0 par: D1/2 = D0.Ln2

On s’intéresse surtout à la D0 plutôt qu’à la D50 en médecine.Les effets pathologiques des rayonnements sont un surcroit d’irradiations par rapport à d’habitude. Si on tue les cellules, on supprime les effets stochastiques (= probabilités).

Graphique semi-log

S = NN0

D0 =1α S = e

−DD0

Page sur 11 14

N = N0e−αD

S = e−αD

• Variation de l’effet létal avec la dose• Interprétation des courbes exponentielles ?

La forme exponentielle de la courbe suggère que l'événement létal est aléatoire 
(car on remarque que c’est une droite et non une courbe).

Ceci est conforme au fait que l’effet létal obéit à la loi du tout ou rien (une cellule est tuée ou non; avec un effet létal probablement secondaire à des lésions de certaines régions très localisées du génome) (fréquent dans les rayonnements alpha, mais peu présent dans les rayonnements sans masse).

Avantage du tout ou rien :

Si la cellule est tuée elle ne se reproduit pas donc pas de risque de cancer ou autre. 
Par contre si elle est altérée, on a un risque de mauvaises réparations et de propagation de la mutation, risque de cancer.

Dans ces conditions; l’augmentation dN du nombre d'événements létaux ou de cellules en apoptose est proportionnel au nombre N de cellules irradiées à l’incrément de dose dD:

soit 


ou encore Ln N = - αD + constante avec constante = Ln N0 d’où

αdD = probabilité pour une cellule que la cible soit touchée par la dose infinitésimale dDLa proportion de cellules survivantes S est donc bien égale à l’expression:




dNN

= -α dD ⇔ dN = −α .N .dD

Ln N

N0

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

= -αD

S = NN0

= e−αD

Page sur 12 14

Variation de l’effet létal avec la dose :

«épaulement» pour faibles doses

Pas proprement linéaire : courbe semi-logarithmique

→ Courbe de survie exponentielle avec épaulement pour faible TLE (en coordonnées semi-logarithmiques).


Pour les très faibles doses on a une portion initiale rectiligne horizontale de la courbe. C'est le principe du fractionnement de la thérapie externe.

- Lorsque la dose est faible, la totalité ou la plupart des lésions primaires de l’ADN peuvent être réparées. L’effet est nul ou négligeable en dessous d’une certaine dose. (en considérant la mort cellulaire, mais il peut y avoir la présence de mutations).

- Lorsque la dose augmente, le potentiel enzymatique est dépassé, l’effet apparait, puis sa probabilité croit avec la dose.


2) Variation de l’effet létal avec le débit de dose

→ Aux faibles débits de dose, les lésions primaires de l’ADN ont le temps d’être réparées par le stock enzymatique présent dans chaque cellule.


On aura pas d’effet sauf les effets stochastiques (aléatoires).

→ Lorsque le débit augmente, le potentiel enzymatique devient insuffisant, puis complètement saturé aux forts débits.

➔ Loi du tout ou rien.On aura systématiquement une apoptose qui atteindra une limite pour un débit important.


En abscisse le débit de dose et en ordonnée D0.

Page sur 13 14

3) Variation de l’effet létal avec la phase du cycle cellulaire

Cet effet va varier avec la phase du cycle cellulaire. On retient qu’il existe des phases qui sont beaucoup plus sensibles : G2 et M sont les plus radiosensibles (mitose). Ce sont les cellules qui se divisent le plus, qui ont le plus de mitoses qui seront plus sensibles.

4) Variation de l’effet létal en fonction des caractéristiques cellulaires

- Les variétés cellulaires ayant un haut pouvoir de division sont plus radiosensibles (ex des cellules cancéreuses).

Certains types cellulaires auront des capacités de réparation plus importantes que d’autres. Neurones peu radiosensible mais plutôt radiorésistant


Mais les cellules cancéreuses sont moins oxygénées donc moins radiosensibles que les autres.

- Potentiel enzymatique de la cellule

5) Variation de l’effet létal avec la nature du rayonnement: l’Efficacité Biologique Relative (EBR)

- EBR augmente avec le TLE

Réponses aux questions 2016:

Un rayonnement ne peut pas être chargéPas chipoter sur « palliatif » et « curatif »Quelque chose qui n’a pas de masse ne peut être ni positif ni négatif (ex : photon)beta + et beta - peuvent être toutes les 2 continues.
TLE des photons très faible , car photon n’a pas de masse mais interaction quand même possible.
La grande majorité des effets biologiques est liée à l’ionisation

Réponses aux questions 2015: 


Savoir faire la différence entre becquerel et sievertL’activité ne peut pas renseigner la dangerosité du rayonnement car la nature du rayonnement n’est pas considérée. Il faut prendre en compte la nature du rayonnement et son énergie.
gray = énergie transportée // sievert = conséquences du rayonnement Il faut aussi prendre en compte le temps


ISOTOPE : même nombre de protons et d'électrons, mais nombre différent de neutronspropriétés : chimiques identiques, physiques différentes par exemple stable, radioactif

Réponses aux questions 2017 :

L’excitation peut entrainer des lésions moléculairesIl y a des électrons tout autour de nous

Page sur 14 14

Introduction :I- Les mécanismes de transfert de l’énergie radiative aux molécules :II - Les lésions moléculaires ainsi induites sur l’ADN :A- Radiolyse de l’eau et effet indirect :B- Effet direct sur l’ADN

III- Les mécanismes de réparation de grandes efficacités :IV- Les lésions résiduelles : seules capables d’expression biologiqueV- Les lésions chromosomiques: les seules observables au microscope :A- Lésions chromosomiques :B- Aspects quantitatifs de l’apoptose radio-induite :