De la physico-chimie à la radiobiologie: nouveaux acquis (I)

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1 De la physico-chimie à la radiobiologie: nouveaux acquis (I) Collaboration: - Laboratoire de Radiotoxicologie et Oncologie (L. Sabatier) CEA, DSV - Laboratoire de Génotoxicité et Modulation de l Expression Génique (E.Sage) Institut Curie - Radiation and Genome Stability Unit (M. Hill, P. O Neill, D. T. Goodhead) M. R. C. Harwell - Radiation Biology Group (A. Chatterjee) Lawrence Laboratory, Berkeley - Groupe de Physique des Solides (A. Chetioui) Université P6 Supports: EDF, CNES, France-Berkeley Fund

2 Problématique -Quels sont les événements critiques à l origine des effets biologiques des rayonnements ionisants? - Quel est le rôle des ionisations en couche interne (K) des atomes de l ADN dans l induction de mort cellulaire et d aberrations chromosomiques?

3 Chronologie des événements induits par une irradiation : dommage de base cassure simple-brin : cassure double-brin mort cellulaire réparation incorrecte correcte instabilité à long terme mutations survie carcinogenèse transformation cellulaire

4 Dommages physiques et biologiques engendrés en cellules de mammifères (V79) par 1 Gray de rayons γ Traces dans le noyau 1000 Ionisations dans le noyau Ionisations dans l ADN 1500 Excitations dans l ADN 1500 Dommages de bases Cassures simple-brin d ADN 850 Cassures double-brin d ADN (CDB) 40 Aberrations chromosomiques 0,3 Lésions létales 0,3 H. Nikjoo et al I.J.R.B, 1998

5 Premier modèle d événements physiques critiques (D. T. Goodhead ~1990) Mort cellulaire attribuée à l action sur l ADN des grappes d ionisations (clusters) créées en fin de trace des électrons secondaires segment d ADN électron créant des grappes d ionisations le long de son parcours segment d ADN

6 Succès et échecs du modèle des clusters efficacité biologique relative (EBR) des rayons X et γ pour l inactivation cellulaire efficacité biologique relative (EBR) des ions pour l inactivation cellulaire He He Ar Ar Fe Kr U EBR 6 4 EBR Fe Kr 2 0 modèle expérience Energie des photons (ev) du Penhoat et al, Rad Res 1999 Fayard et al, Rad Res modèle U expérience transfert d énergie linéique (kev / µm) Champion et al, NIM B 1998

7 Modèle K Mort cellulaire attribuée aux événements d ionisation en couche interne des atomes de l ADN ionisation en couche externe ionisation en couche interne phénomène peu violent dominant (plus de 99% des événements) phénomène violent (~20 fois plus énergétique) rare (~200 fois moins probable)

8 Evénements K sur l ADN Les événements K sont certainement très efficaces pour induire des cassures double-brin d ADN complexes K Electron Auger Electron secondaire ADN ~2nm

9 Evénements K sur l ADN Les événements K peuvent aussi être efficaces pour induire des cassures multiples dans le nucléosome et la chromatine particule incidente chromatine K nucléosome

10 Ions: les probabilités d inactivation de cellules V79 reproduisent celles d ionisation K sur l ADN (efficacité d 1 ionisation K ~6%) Inactivation (expérience) (Kraft, Adv.Space Re., 1987) ionisation K (modèle) (Chetioui et al., IJRB, 1994) 100 mammifère (V79) 100 mammifère probabilité (%) 10 1 levure bactérie H He Ar F Ar Ar Kr Ni Xe Xe U U+Pb Pb Xe Kr U probabilité (%) 10 TEL = dε/dx kev/µm) levure bactérie H Ne Ne H Ne

11 Rayons X: les EBR d inactivation de cellules V79 reproduisent celles d ionisation K sur l ADN 12 expérience modèle 8 EBR 4 seuil d ionisation K du carbone énergie des photons (ev) du Penhoat et al, Rad Res 1999, Fayard et al, Rad Res 2002.

12 Les cassures double-brin d ADN engendrées par événements K sont peu réparables rayons X de 960 ev: (30±10)% CDB K et 25% CDB non réparées à 2h rayons γ du 60 Co: (8±5)% CDB K et ~ 4% CDB non réparées à 2h % cassures non rejointes 960 ev rayons γ temps (mn) Botchway et al, Rad Res 1997

13 Les aberrations dicentriques suivent, comme les événements létaux, les ionisations K sur l ADN depuis la gamme des rayons X (30 à 100% d événements K) jusqu à celle des rayons γ (0.5% d événements K) 1000 nombres moyens / Gy ionisations K sur l'adn événements létaux 0, énergie (ev) aberrations du Penhoat et al, Rad. Res. 1999; Fayard et al, Rad. Res. 2002; Gobert et al, I. J. R.B.2004

14 Les ionisations K induisent des aberrations chromosomiques complexes, impliquant plus de 3 chromosomes (expériences en cellules humaines B3) A. Boissière, thèse, 2004

15 Conclusion. -Les ionisations K sur l ADN sont à l origine d une part importante des effets biologiques des rayonnements ionisants: contribution ~50 à 100% pour l inactivation cellulaire par exemple (Fayard et al, Rad Res 2002) - Un enjeu du futur sera d identifier tous leurs champs d intervention et d élucider leur mode d action: effet chimique? nature des lésions létales? formation des aberrations chromosomiques?

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