Transcript Radiobio 1_Cours comm radiobio appli_2-4

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
1
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Plan
Les phénomènes physiques initiaux
Les phénomènes radio-chimiques
Les phénomènes moléculaires et biochimiques 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
2
CHRONOLOGIE DES EVENEMENTS
IRRADIATION
0
10-15s
-5
Ionisations - Excitations
Réactions des radicaux
10 s
Réactions moléculaires
L’échelle seconde
des
minute
temps en heure
radiobio- jour
semaine
logie
mois
Réactions biochimiques
Lésions
de l’ADN
génome
Modificateurs de la
radiosensibilité
Effet O2
Effets cliniques
Développement
métabolique
immédiats
Réparation
cellulaire
Mort différée
des cellules
Réparation
tissulaire
précoces
tardifs
Cancérisation
an
Mutation génétique
descendance
3
Les phénomènes physiques
initiaux
4
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
5
Les différents types de radiations (2)
Particules neutres
Particules chargées
• Interactions photon-électrons
– Effets photo-électrique
– Effets Compton +++
– Création de paires (e- e+)
Photon incident
h
Electron Compton
Electron
faiblement lié
Photon diffusé
h’
→ mise en mouvement
d’électrons
• Interactions neutrons-protons
– Protons de recul de faible
énergie et de très haut TEL
• 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
→ mise en mouvement
d’électrons
Toutes les interactions aboutissent
finalement à la mise en mouvement
d’électrons qui sont les agents
effectifs de l’ionisation de la matière
6
Les
interactions
photons électrons
7
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
→ mise en mouvement
d’électrons
Toutes les interactions aboutissent
finalement à la mise en mouvement
d’électrons qui sont les agents
effectifs de l’ionisation de la matière
8
Aspects
comparés: µ et
macrodosimétriques
pour photons, eet ions
9
Que ce passe-t-il dans un champ
de neutrons rapides?
Les phénomènes radiochimiques
11
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,
H 2 O → H 2 O+ + 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
12
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,
13
glutathion…
Distinction entre effets indirects (90% des
effets) et effets directs (10% des effets)
Effet
-
e
indirect
-
Photon incident
H0
2
0H
-
e
direct
14
Les phénomènes moléculaires
et bio-chimiques primordiaux
15
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
16
Les lésions moléculaires aboutissent selon leur
complexité soit à des coupures simple-brin, soit à des
coupures double-brin de l ’ADN
17
Les aberrations chromosomiques sont
la manifestation des CDB
anneau
18
Aspects quantitatifs et qualitatifs
Une irradiation de 1 Gy en photons entraîne par cellule:
Lésions de bases
1 à 10 eV/nm3
Lésions simple brin
(CSB)
10 à 100 eV/nm3
Lésions double brin
(CDB)
> 100 eV/nm3
10 000 Réparées en
5 à 10 min
1000 10 à 15 min
40
Pontages ADN-protéines
?
Aberrations
chromosomiques
1
2à6h
1,5 coupure double brin non réparée est létale
19
TEL et efficacité biologique
20
Le nombre et la proportion de CDB
dépendent de la micro-dosimétrie et du
TEL
1 µm
Tubiana, Dutreix & Wambersie, Hermann ed, 1986
21
La trace d’un ion a une taille comparable
à celle de l’ADN
22
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).
23
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; A172), un
medulloblastome
(ONS) et des
fibroblastes
(NB1).
K. Tsuboi et al,
IJRB, 74:71-9,
1998.(HIMAC)
24
L’effet oxygène
25
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
26
L’effet oxygène disparaît
lorsque le TEL augmente
Pourquoi ???
Human renal cells T1,  hypoxia,  normoxia; from Broerse & Barendsen, IJRB, 13:559, 1967
27
EBR = efficacité biologique [relative]; OER = Oxygen Enhancement Ratio.
Adapted from Tubiana, Dutreix et Wambersie, Hermann ed, 1986
28
La réaction cellulaire à
l’irradiation
29
Réparation de l’ADN
L’organisation de la réparation de l’ADN est surprenante
Vulnérabilité
cellulaire
Détection
des lésions
Réparation
des lésions
de l ’ADN
Lésions
Résiduelles
(cycle cellulaire)
3 amino
wortm
Survie
Wortmannine,
olomoussine,
caféïne,
cytotoxiques
Régulation
de la mort
cellulaire
co
Mort cellulaire
30
Réparation des lésions simples de l’ADN
Excision resynthèse
- gènes / protéines:
- pathologie: xéroderma
pigmentosum
31
Réparation des lésions complexes de
l’ADN: les coupures double-brin
Suture non homologue
(NHEJ : non homologous end
joining)
- gènes / protéines
- pathologies:
Recombinaison non
homologue
- gènes / protéines
- pathologies:
susceptibilité au
cancer
radiosensibilité et
immunodéficience
BRCA2
BRCA1
Ku70
DNA-PKs
Ku80
BRCA2
Rad51 Rad51
BRCA1
Rad52
Rad52
Ku70
DNA-PKs
Ku80
32
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
33
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
34
Exemple de cascade de régulation: le point de contrôle
du cycle cellulaire en fin de G1 dépendant de p53
35
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
36
La mutagenèse radio-induite
37
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
38
Mécanismes comparés de la carcinogenèse 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
39
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
40
L’obtention d’un effet différentiel
41
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)
42
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
43
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.
44
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).
45
Dose (fraction unique)
Tumeur
Tissus
sains
46
Survie
Tissus
sains
Seuil de guérison de la tumeur
Tumeur
Nombre de fractions 47
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
48
4) Le choix du rayonnement…
• Photons / électrons
• Protons: 1H+
• Neutrons
• Ions carbone: 12C6+
• Noyaux d’hélium: 4He2+
49
50
51
Le spectre de la radiosensibilité
humaine
52
Il existe tout un spectre de
radiosensibilité chez l’être humain
Cell survival
1
Controls
0.1
0.01
ATM-/0 1 2 3 4 5 6
Dose (Gy)
7 8
53
Les syndromes génétiques humains
associés à une radiosensibilité anormale
SYNDROMES
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
MUTATED GENE
ATM
LIG4
NBS1
Lamin A
ATM
USH
CS
XP
MRE11
IT15
APC
hMSH2
FANC
BRCA1
Artemis
SF2 (%)
1-5
2-6
5-9
8-19
10-15
15-20
15-30
15-30
15-40
18-30
20-30
20-30
20-40
20-40
20-40
54
40 fibroblasts with different radiosensitivity
10 genetic diseases, 5 different techniques
% cell survival at 2 Gy
100
Radioresistance – no cancer proneness
80
Moderate radiosensitivity
cancer proneness
Group I
60
Hyper-radiosensitivity
cancer proneness
Group II
40
Hyper-radiosensitivity
Group IIIa
20
Group IIIb
0
0
10
20
30
40
50
% of unrepaired DSB
Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007
Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008
Varela et al., Nature Med, 2009
55
Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble)
A partir d’une biopsie de peau :
100
Number of foci per cell
pH2AX
80
60
LIG4-/40
the patient
20
pDNA-PK
Control
0
Cependant pas d’anomalie
à l’analyse sanguine (lymphocytes)
0
5
10
15
20
25
Repair time(h)
15/24
56
L’effet du fractionnement
2 Gy
2 Gy
24 h
100
2 Gy
24 h
2 Gy
24 h
24 h
Group IIIb
80
Group IIIa
60
Group II
40
20
Group I
0
0
20
40
60
80
100
120
Time after the first radiotherapy session (h)
19/24
Bencokova et al., submitted
57
Number of unrepaired DSB
L’effet du fractionnement
Group I
Group II
Group IIIb
Fractions of 2 Gy
Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008
58
Le Groupe II montre un taux anormal de foci MRE11
Group II
Group I
40
pH2AX
Number of foci
35
30
25
MRE11 in group II
20
15
10
MRE11
5
0
0
5
10
15
20
25
Repair time (h)
12/24
Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007
Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008
59
Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble)
Activité d’MRE11
25
From a skin biopsy :
Number of foci per cell
20
15
10
The patient
5
Control
0
0
Cependant pas de foci MRE11
dans les lymphocytes du sang
16/24
5
10
15
20
25
Repair time (h)
60
Translocation nucléo-cytoplasmique d’ATM
ATM
ATM
MRE11
P
H2AX
P
H2AX
MRE11
Joining
Non-homologous
recombination
Radiorésistance
Non cancer-prone
Non-homologous
recombination
Joining
Radiosensibilité modérée
Aptitude à la cancérogenèse
61
Conclusion
Il devient désormais possible:
1) d’explorer la radiosensibilité d’un patient
2) de comprendre les mécanismes des variations
de radiosensibilité humaine
3) d’adapter potentiellement un traitement de
radiothérapie (ou de le contre-indiquer) en
fonction des caractéristiques radiobiologiques du
patient
4) des études systématiques sont en projet
(Foray & Vogin)
62
FIN
63