Dégâts à l ADN occasionnés par les électrons de basse énergie (1-20 ev) dans l air à différents taux d hygrométrie.

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1 Dégâts à l ADN occasionnés par les électrons de basse énergie (1-20 ev) dans l air à différents taux d hygrométrie. M. Fromm, O. Boulanouar, C. Mavon, P.Cloutier et L. Sanche, Faculté de médecine et des sciences de la santé Département de médecine nucléaire et radiobiologie

2 Contexte Mécanismes résonnants EBE = électrons de basses énergies Electrons de 1 MeV dans H 2 (*) 24 èmes Journées des LARD distribution en énergie des electrons é delta ev < E d < 3,39 ev 3,39 ev < E d < 6,77 ev 6,77 ev < E d < 13,54 ev 13,54 ev < E d < 27,10 ev 27,10 ev < E d < 40,60 ev 40,60 ev < E d < 67,70 ev (*) D après Bethe: in «Rayonnements et traitements ionisants», F. Balestic, Masson Ed., 1995.

3 Contexte Cassures doubles d ADN par électron (x10-4 ) Mécanismes résonnants Technique de relaxation de plasmide 150 Gy RX en solution aqueuse I III Cassures simples d ADN par électron (x10-4 ) II Perte de surenroulement par électron (x10-4 ) ~ contrôle I Badia Boudaïffa, Pierre Cloutier, Darel Hunting, Michael Huels, Léon Sanche SCIENCE, VOL 287, 3 March 2000 Energie des électrons (ev) e RH RH * R * H S. Boichot, M. Fromm, S. Cunniffe, P. O'Neill, J. C. Labrune, A. Chambaudet, E. Delain and E. Le Cam Radiation Protection Dosimetry 99: (2002)

4 Contexte Mécanismes résonnants Bien étudiés sous vide mais pas en milieu physiologique Attachement dissociatif d un électron et lésion de l ADN L attachement d un électron sur une molécule de sucre de l ADN entraîne la formation d un anion transitoire (A). La dissociation de cet anion transitoire induit une cassure simple brin (B) suivie d une réaction subséquente du fragment formé sur un autre site de l ADN se trouvant sur le brin opposé (C), ce qui provoque une cassure double brin (D). médecine/sciences 2000 ; 16 :

5 Contexte Mécanismes résonnants Bien étudiés sous vide mais pas en milieu physiologique Deux chemins réactionnels majeurs pour EBE / ADN : coupure de la liaison N-glycosidique (perte de base) et de la liaison phosphodiester (coupure du brin). La coupure de la liaison glycosidique séparant la base et le sucre du groupement phosphate conduit à la libération de la base non-modifié. Les groupes phosphodiester sont rompus par la liaison C-O plutôt que P-O. Le transfert d électron des base de l ADN au groupe phosphate précède la dissociation des liaisons phosphodiester aux basses énergies (< 6 ev). Les dommages induits à l ADN par les EBE se manifestent principalement par la formation d anions transitoires. La contribution due à la diffusion directe croît avec l énergie. L amplitude du taux de perte de base et de cassure simple brin dépend de la cohérence de l électron vis à vis des base et du transfert d électron de base à base. D. Bouchiha, J. D. Gorfinkiel, L. G. Caron et L.Sanche 13èmes Journées d'etudes de Chimie sous Rayonnement, May 28th-June 1st, 2006, Le Croisic, France.

6 Photoélectrons EBE dans l air ambiant L exposition d un solide aux rayons X engendre une distribution d électrons secondaires (photoélectrons) très importante (C) aux basses énergies. Henke, Smith and Hattwood, J. Appl. Phys., Vol 48, No. 5, May 1977.

7 ADN EBE dans l air ambiant FULFORD et al. J. Phys. Chem. A, Vol. 103, No. 51, 1999 EBE S. TANUMA, C. J. POWELL AND D. R. PENN Surface And Interface Analysis, Vol. 21, (1993) Si on expose une couche très fine d ADN aux rayons X ultra-mous, la couche d ADN sera quasi transparente aux photons, mais les photoélectrons expulsés hors du substrat seront stoppés dans la couche d ADN! Libres parcours moyens dans l ADN: EBE ~ 4 nm USX ~ 7000 nm

8 Approche expérimentale EBE dans l air ambiant

9 Source RX Générateur de rayons X à cathode froide. Générateur à cathode froide 30 mm ceramique Pompe à vide Joints toriques e USX Dispositif du même type que celui du MRC (Oxford, UK). Acier inox Jauge à vide Cathode (Al) Etain Grille + feuille aluminium Appareil de conception simple et modulable: -spectre énergétique, -débit de Kerma.

10 Spectre X Caractérisation du générateur Spectrométrie par Amptek XR 100 CR, détecteur silicium à dispertion en énergie Générateur: raie Ka de Al = 1486 ev 1.49 kev 1.49 kev 1.49 kev 1.49 kev 1.49 kev 1.49 kev 2.87 kev 2.29 kev 2.51 kev 3.06 kev Tension : 1.80 kv Courant : 0.05 ma Intégrale: 82 coups Tension : 2.20 kv Courant : 0.12 ma Intégrale: 1289 coups Tension : 2.40 kv Courant : 0.21 ma Intégrale: 4876 coups Tension : 2.60 kv Courant : 0.36 ma Intégrale: coups Tension : 3.00 kv Courant : 0.87 ma Intégrale: coups Tension : 3.20 kv Courant : 1.14 ma Intégrale: coups Spectre modulable: Croissance du rayonnement de freinage avec la tension Possibilité de spectre ~monochromatique Al Ka

11 Courant de la chambre d'ionisation (na) 24 èmes Journées des LARD Kerma Caractérisation du générateur 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0,79 ma 1,4mA 1,77mA 0,54mA 1,02mA 0,42mA Chambre d ionisation à parois d air Circuit imprimé FR4 pré sensibilisé résine positive 0-0, Tension dans la chambre d'ionisation (V) Courant de la chambre d'ionisation en fonction de la tension de la chambre, à courant du générateur fixé, tension générateur =3 kv

12 Kerma Caractérisation du générateur Avec la chambre d ionisation à parois d air, on trouve I IC = I (na) (R 2 =0.9958) avec une tension d accélération de 1.7 kv et I en (ma). Mesures effectuées entre 0.5 et 1.5 ma. Nous avons : I W IC K V e K Soit pour I = 1 ma, = Gy.s -1 V=0.123 cm 3 = m 3 air = g/cm 3 = kg.m -3 W/e vaut 34 (SI), W= 34 ev En supposant que l ensemble des photons subit des effets photoélectriques dans l air, le débit de fluence photonique est alors : K h air photons.cm -2.s -1 : Avec une distance source-volume d ionisation >1 cm et un volume d ionisation ~0.1 cm 3 cette valeur est approximative

13 photocourant (na) 24 èmes Journées des LARD Photo courant EBE dans l air ambiant Photo courant mesuré sur un échantillon d or déposé sur silicium en fonction de la tension d accélération du générateur et du courant de plasma. pa 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, temps (min) Évolution du photo courant au cours du temps avec un courant de 1.73 ma et une tension de 3kV Echantillon d or.

14 dn/dt 0 /dt dn 24 èmes Journées des LARD spectrométrie EBE (Au) dans le vide Source de rayon X : Cible Al ka ( ev) Tension à la cathode 4 kev Fluence 1.14 x photons / s-cm 2 Surface ( 0.02 cm 2 ) Photocourant ( na ) 5e+5 4e+5 3e+5 2e+5 Au (500 nm) / Si 2e+5 2e+5 1e+5 5e+4 0 Au(500nm)/Si A * E K Fit ( E W ) K W 4.2 A 3.25* [2] Or sur Silicium e+5 Ek (ev) 0 Photocourant (na/cm 2 ) Efficacité quantique Exp. Efficacité quantique Théorique. [1] Ek (ev) [1] Henke B. L., Liesegang J., Smith S. D., Physical Review B, Vol 19, N 6, , 15 March [2] Henke, Smith and Hattwood, Appl. Phys. Lett., Vol. 29, No. 9, November 1976.

15 0 /dt dn 0 /dt dn 24 èmes Journées des LARD spectrométrie EBE (Si) dans le vide Si Source de rayon X : Cible Al ka ( ev) Tension à la cathode 4 kev Fluence 1.14 x photons / s-cm 2 Efficacité quantique exp. : 3e+6 3e+6 2e+6 2e+6 1,8e+5 1,6e+5 1,4e+5 1,2e+5 1,0e+5 8,0e+4 6,0e+4 4,0e+4 2,0e+4 Silicium A *0.719 E Fit (0.719 E B ) (0.719 E 1) K B 2.35 K K A 8.19*10 7 1e+6 0, x 10-2 électron / photon 5e+5 exp fit Ek (ev) exp fit Ek (ev)

16 Expériences en cours 150 Gy EBE / ADN dans l air humide sur tantale Relaxation de plasmides gel d électrophorèse Dommages induits sur l ADN après irradiation I II III I II III surenroulé circulaire linéaire témoin irradié I : Pas de cassure = surenroulé II : Cassure simple brin = circulaire III : Cassure double brin = linéaire

17 composition % 24 èmes Journées des LARD Expériences en cours EBE / ADN dans l air humide sur tantale Relaxation de plasmides gel d électrophorèse Dépôts par lyophilisation Les dommages induits sur l ADN sous atmosphère sèche et humide temps d'irradiation (min) S 86% RH C 86% RH S 7% RH C 7% RH Inhomogénéité des dépôts par lyophilisation SATURATION

18 Expériences en cours Silicium, dépôt de goutte Plasmides bien isolés et dans une conformation surenroulée 870nm 2.0µm 280nm

19 Expériences en cours Silicium RX 10 min 2.5 kv 1.4 ma 2.0µm 1.0µm 440nm 360nm

20 Synthèse et perspectives L expérience dans l air semble réalisable. Les problèmes restant à régler sont: 1.- Une détermination exacte du débit de fluence photonique, 2.- ADN sous une forme surenroulée non complexée par TRIS (lavage des dépôts).

21 Silicium Surfaces à l air ambiant L épaisseur de la couche d eau adsorbée est fonction de l hygrométrie. Suivant la valeur de l hygrométrie, cette couche à une épaisseur comprise entre 0.5 et 3 nm Asay and Kim, J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 35, 2005