J. Chim. hys. (1998) 95, 708-717 ED Sciences, Les Ulis Trnsfert d'énergie linéique et rdiosensibiiité cellulire A. Courdi 1 *, J.. ignol 2, N. Iborr-Brssrt 1, J. Hérult 1, G. Fres 3, A. Hchem 3 et. Chuvel 1 ' Centre Antoine-Lcssgne, 33 venue de Vlombrose, 06189 Nice cedex 2, Frnce 2 Hôpitl du Hsenrin, 87 venue d'altkirch, 68189 Mulhouse cedex, Frnce 2 Fculté des Sciences, rc Vlrose, 06108 Nice cedex 2, Frnce ' Correspondnce et tirés à prt. RÉSUMÉ L réponse des cellules tumorles humines à l'irrdition in vitro pr des prticules de TEL élevé dépend de plusieurs fcteurs. our les prticules chrgées, l rdiosensibiiité ugmente vec le TEL jusqu'à des vleurs de TEL voisines de 200 KeV/um, puis diminue pour des vleurs de TEL supérieures. En clinique, l'ugmenttion du TEL moyen de l prticule chrgée en profondeur est responsble d'une efficcité biologique reltive (EBR) croissnte. L probbilité de mortlité de l cellule pr une prticule trversnt le noyu est proche de 1 pour les prticules de TEL très élevé comme l'ar de 7 MeV pr nucléon (TEL = 1500 KeV/um); elle n'est que de 0,02 pour les ions d' de 400 MeV (TEL = 20 KeV/um). L'EBR est plus élevée pour les petites doses, l reltion EBR/dose étnt plus mrquée dns les cellules ynt un rpport /p plus fible près exposition ux photons, selon le modèle linéirequdrtique. Les prticules moins efficces que les photons en terme de mortlité cellulire moyenne induisent des dégâts individuels importnts, révélés pr l production de micronoyux (MN) multiples. Concernnt le lien entre l'ebr et l rdiosensibilité intrinsèque, les données récentes utilisnt à l fois l technique des colonies et l méthode des MN, montrent que l'ebr est d'utnt plus élevée que les cellules sont rdiorésistntes ux photons. Mots-clés - rdiosensibiiité, TEL élevé, prticules chrgées, neutrons, EBR. ABSTRACT The response of humn tumour cell lines to in vitro irrdition by high LET prticles depends on severl fctors. For chrged prticles, there is n increse in rdiosensitivity with LET up to LET vlues of bout 200 KeV/um, then it decreses for higher vlues. In clinicl prctice, the increse in the verge LET vlue with depth leds to continuous increse in reltive biologicl effectiveness (RBE). The prob-
TEL et rdiosensibilité cellulire 709 bility of prticle trvers1 through the nucleus producing lethl dmge is lmost 1 for prticles with very high LET vlues such s 7 MeV Ar (LET = 1500 KeVIpm); it is only 0.02 for 400 MeV ions (LET = 30 KeVIpm). RBE is inversely relted with dose, this reltion being more mrked for cells with smll /p vlues fter photon irrdition ccording to the liner-qudrtic formul. rticles tht re less efficient thn photons in tems of verge ce11 deth induce hevy individul ce11 dmge, s shown by the yield of multiple micronuclei (MN). With regrd to RBE nd intrinsic rdiosensitivity, recent dt using both the clonogenic method nd the MN ssy indicte tht the higher the rdioresistnce to photon irrdition, the higher the RBE. Key-words - rdiosensitivity, high LET, chrged prticles, neutrons, RBE. INTRDUCTIN En rdiobiologie cellulire, une dose d'irrdition est définie pr un certin dépôt d'énergie u sein d'une popultion de cellules. L distribution sptile de cette dose à l'échelle microscopique dépend étroitement de l msse insi que de l vitesse de l prticule ionisnte, utrement dit, du trnsfert d'énergie linéique (TEL), représentnt l densité d'ionistions le long de l trjectoire. De nombreuses expérimenttions ont démontré que l rdiosensibilité moyenne d'une popultion exposée à une irrdition de TEL élevé differe de celle obtenue près irrdition de TEL fible. Nous exposons ici quelques résultts d'expériences menées dns notre lbortoire sur des lignées tumorles humines exposées à une irrdition prticulire. Dns certins cs, ces constttions ont des répercussions cliniques en hdronthérpie. RADISENSIBILITE LE LNG DU IC DE BRAGG ETALE Les prticules chrgées sont utilisées vntgeusement en rdiothérpie cncéreuse pour leurs propriétés blistiques: fible dose en surfce, dépôt mximum d'é- nergie en profondeur, et chute brutle de l dose correspondnt à l'rrêt de l prticule. Afin de pouvoir délivrer une dose homogène u sein de l tumeur, le pic de Brgg est étlé pr l'interposition d'une plque tournnte composée d'épisseurs vribles de lexigls. Utilisnt le fisceu de protons de 65 MeV produits pr le cyclotron Médicyc, nous vons posé des échntillons de cellules à l'entrée du fisceu, insi qu'à plusieurs endroits en profondeur le long du pic de Brgg étlé [lj. Des courbes de survie ont été étblies dns chque position et les points expérimentux justés pr le modèle linéire-qudrtique [2]. L rdiosensibilité reltive été estimée en clculnt le rpport des doses à une survie de 1 %. Le tbleu 1 indique les vleurs de TEL moyen à l'entrée du fisceu insi qu' 4 points se situnt sur le
71 0 A. Courdi et l. pic étlé, les doses d'inctivtion moyenne (DIM) 131 sont églement données. L rdiosensibilité reltive est normlisée pr rpport à l'entrée du fisceu. L'ugmenttion des vleurs du TEL se trduit pr une rdiosensibilité ccrue, plus mrquée en fin de prcours, vnt l'rrêt de l prticule. En d'utres termes, il existe un grdient d'effet biologique sur l tumeur plcée le long du pic de Brgg, bien que l dose physique soit constnte. L'ccroissement de cet effet en fin de prcours doit inciter à l prudence en cs de présence de structures sensibles juste u-delà de l tumeur, comme le nerf optique ou l moelle spinle. Il existe des moyens physiques visnt à compenser ce grdient biologique de telle sorte que I'efficcité soit constnte le long du prcours. Tbleu 1. Rdiosensibilité reltive des cellules plcées différentes profondeurs dns un fisceu de protons de 65 MeV. rofondeur (mm) 2 15 20 25 26,8 TEL (KeV/pm) 1,27 2,28 2,62 3,69 6, DIM (GY) 3,32 3-25 3,12 3,06 2,70 Rdiosensibilité reltive 1 1,l l,l3 1,20 1,27 RADISENSIBILITE EN RFNDEUR DANS UN FAISCEAU DE NEU- TRNS En rison de leur fible dépendnce de I'oxygéntion des tissus, les neutrons rpides offrent un vntge biologique dns le tritement des tumeurs hypoxiques [4]. L décroissnce de l dose physique en profondeur est comprble à celle observée pour les ryons X de hute énergie. En revnche, le spectre énergétique vrie vec l profondeur 151. Nous vons plcé les flcons de cellules à différents endroits et les vons soumis à une irrdition pr neutrons rpides (60 MeV p + Be) produits pr le cyclotron Médicyc. L méthodologie et l'nlyse ont été effectuées comme pour les protons. Le tbleu II montre l'efficcité reltive, normlisée u point de mximum de dose physique, à ces différentes profondeurs. L dose biologique est le produit de l dose physique pr l'efficcité reltive. n remrque une ugmenttion de I'efficcité à rentrée, en rison de l présence de neutrons de fible énergie, qui seront préférentiellement bsorbés vec l pénétrtion du fisceu. L dose biologique étnt supérieure à l dose physique, l protection cutnée et sous-cutnée se trouve m- J. Chim. hys.
TEL et rdiosensibilité cellulire 71 1 oindrie. n observe églement une légère perte d'efficcité biologique pour les points les plus profonds, témoin d'un durcissement du fisceu probblement lié à une ugmenttion de l contribution des ryons gmm [6]. Tbleu II. Influence de l profondeur d'irrdition sur l'effet biologique des neutrons, normlisé pr rpport u point de mximum de dose. rofondeur (mm) 1.3 25.8 77.2 1 16.8 Dose physique (Gy) 0.63 1.0 0.86 0.73 Effet reltif 1,40 1,0 0,86 0,84 Dose biologique (Gy) 0,88 1,0 0,74 0.61 RADISENSIBILITE AUX ARTICULES LURDES CHARGEES L mjorité de ces expériences ont été menées à GSI (Drmstdt), et quelques unes u GANIL (Cen). Nous vons employé deux techniques d'nlyses: l méthode des colonies in vitro, mesurnt l survie de l popultion cellulire irrdiée, et l technique des micronoyux, évlunt les dégâts chromosomiques induits en dénombrnt l frction des cellules binucléées (BNC) renfermnt des micronoyux (MN) insi que le nombre de MN pr BNC, près blocge des cellules en phse monocytoplsmique binucléée pr l cytochlsine-b [7]. Ce dernier prmètre évlue les dégâts infligés à l'échelle individuelle. Depuis l publiction de résultts portnt sur des prticules de fible énergie [SI, les expériences ont été étendues sur des prticules couvrnt un lrge éventil de TEL. Les formules suivntes ont été utilisées: D (Gy) = 1,6 x 1 o-~ x TEL (KeV/pm) x Fluence (prticm2)/ Densité (1) SF = e- F 0,01 (2) No de prticules 1 noyu = 6,25 x surfce (pm2) x D (Gy) 1 TEL (KeVIym) (3) No de prticules trversées pour inctiver l cellule = surfce du noyu / o (4) où D est l dose, F l fluence et o l section efficce d'inctivtion. Effet du TEL sur les prmètres de l rdiosensibilité - Le tbleu III indique les prmètres de rdiosensibilité de 3 lignées tumorles humines: et B sont les prmètres du modèle linéire-qudrtique. our le Kr et l'au de fible énergie, ceux-ci sont remplcés pr l et 2, cr l courbe est cssée vec 2 composntes linéires. L dose réduisnt l frction de cellules à 10 % et I'EBR à ce niveu figurent églement dns ce tbleu. J. Chim. hys
712 A. Courdi et l. Tbleu III. rmètres de rdiosensibilité près exposition ux prticules chrgées 19 KeVIum CAL l 65 KeV/ym NI 220 KeVIum CAL l Ne 400 KeVIum Ar 900 KeV/um Ar 1500 KeV/urn b 1500 KeVJurn CAL l b 3590 KeVIurn Kr 3000 KeVlum CAL l Au 9000 KeVIum 0,5424 0,9303 0,4785 0.5 17 0.912 1,295 1,177 1.203 1.655 0.891 1,026 1,116 0.60 0.98 0.268 0,358, 155 0,274 0.164 0.261 l 0,413 0.265 0,343 l 0,070 0,098 0.103 0,0665 0,2490, 1400 fi 0.03 74 0.1 140 0.1 245 0,0127 0,0022 0.1814 0,0182 2 0.1 32, 1 53 0,173 2 0.058 0.066 0.053 D->0,1 3,08 2,48 2,23 2,61 2,52 1,78 1,85 1,65 1,27 2,50 2,23 1.63 3.73 2,35 6,08 5,85 8,40 14.0 8,82 10.07 12.1 1 1 1.23 35,20 23,20 22.40 S EBR 1,56 1,70 1,64 1.85 1,66 2.06 2.61 2.55 2,88 1.93 1,89 2.25 l,l3 1,56 0,79 0,79 0,57 0.34 0,48 0,48 0.35 0,33 0,14 0.18 0,16 n constte une ugmenttion de l'efficcité (ugmenttion de, bisse de l dose réduisnt l frction de cellules survivntes 10 % et husse de I'EBR) jusqu'à des vleurs de TEL de 220 KeVIpm. Cette efficcité bisse sensiblertient ensuite pour tteindre des vleurs d'ebr inférieures à 0,2 pour les prticules d'or de très fible énergie. Dns ces conditions, il existe une sturtion de dépôt d'énergie sur certins J. Chim. hys.
TEL et rdiosensibilité cellulire 713 sites subcellulires lors que des sites voisins dns des cellules voisines échppent u pssge de l trjectoire. En outre, les prticules lourdes de très fible énergie ont une pénétrtion très fible; l cssure de l courbe de survie peut s'expliquer pr l non exposition de certines couches cellulires due à une forte densité. n peut constter églement l diminution de l composnte qudrtique fi vec l'ugmenttion du TEL. Ceci est dû à un moindre potentiel de réprtion et l prépondérnce de l mortlité pr le pssge d'une seule trjectoire. L mesure de l surfce du noyu permet de clculer le nombre de prticules trversnt le noyu et nécessire à l'inctivtion de l cellule. Ceci est représenté dns l figure 1. Alors qu'il fut en moyenne 50 prticules d'oxygène de 400 MeV pour inctiver l cellule, ce chiffie tombe à 1,2 prticule pour l'ar de 7 MeV. 1 0 Nombre de prticules f 400 MeV - CALSI I 10 1 0 1 00 1 TEL (KeVIprn) Figure 1. Nombre moyen de prticules trversnt le noyu er nécessire à i'inctivfion cellulire. L reltion entre le TEL et l'efficcité biologique reltive de l prticule est représentée pr une courbe en cloche comme le montre l figure 2. L'équipe de GSI à Drmstdt rpporté que les courbes EBR versus TEL et s versus TEL suivent une pente commune jusqu' des vleurs de TEL de quelques centines de KeVIpm, et ce quelque soit l prticule. Au-delà, les courbes se distinguent selon l prticule, formnt des crochets [9], ce qui signifie que l seule vleur de TEL ne suffit ps à définir l rdiosensibilité. Ces différences observées à TEL très élevé s'expliquent pr des différences de structure de trce.
A. Courdi et l, EBR - CALI CAL51 1 10 100 1 00 10000 TEL (KeVlpm) Figure 2. Influence du TEL sur I'eflccité biologique reltive Trois lignées tumorles humines sont représentées. Reltion entre I'EBR et l dose - Après exposition ux prticules de TEL élevé, l composnte qudrtique diminue, voire disprît. Cette différence de forme de courbe de survie rend I'EBR inversement dépendnte de l dose [I]. L'ccroissement de I'EBR vec l diminution de l dose est d'utnt plus importnt que l composnte p est élevée (ou que le rpport 1 est fible) près irrdition ux photons. Rendement en micronoyux des prticules chrgées - Les micronoy~x (MN) sont des frgments de chromosomes ou des chromosomes entiers qui n'ont ps été incorporés ux noyux des cellules filles lors de l mitose. En bloqunt le processus de l mitose pr l'ddition d'une substnce, l cytochlsine-b, il est possible de dénombrer les MN dns les cellules binucléées monocytoplsmiques (BNC). Deux critères sont retenues: l frction de BNC contennt des MN, et le nombre de MN pr BNC. Le premier critère estime les dégâts chromosomiques moyens u sein d'une popultion cellulire, lors que le second critère révèle l présence de lésions individuelles. Cette technique nous permis de constter que les ions d'ar de fible énergie qui sont moins efficces que les photons en terme de mortlité cellulire, sont églement moins efficces en rendement de MN, mis seulement à des doses supérieures à 2 Gy. our les fibles doses, l frction de BNC vec MN reste fible mis le nombre de MN pr BNC est ugmenté, suggérnt un effet plus mrqué à l'échelle individuelle [Il]. L'importnce des dégâts infligés loclement dns les noyux des cellules J. Chim. hys.
TEL et rdiosensibilité cellulire 71 5 exposées ux prticules chrgées peut être évluée en relevnt le nombre de MN multiples dns les BNC. Ceci est représenté dns l figure 3 pour les ions d' de 89 MeV/nucléon (TEL = 53 KeVIpm), de C de 270 MeVInucléon (TEL = 13,5 KeVIpm) et d'ar de 7,l MeVInucléon (TEL = 1590 KeVIpm), et compré ux photons du Co. % de MN multiples 1 2 Dose (Gy) Figure 3. ourcenfge de MN multiples en foncrion de l dose induils pr 3 ions d$fi lren~.~ el conlprés ux photons. n constte qu'à des doses fibles où les photons ne prodüisent ps de MN rnultiples, les prticules chrgées peuvent infliger des dégâts importnts ux noyux des cellules qu'elles trversent. Il fut rppeler que l dose délivrée pr une irrdition de TEL élevé est distribuée de fçon hétérogène u sein du volume irrdié, contrirement ux ions de TEL fible. Reltion entre l rdiosensibilité ux photons et celle ux prticules de TEL élevé - Les différences de rdiosensibilité observées près irrdition de TEL fible sont ttribuées à un potentiel de réprtions vrible entre les cellules. Ces réprtions s'effectuent peu (ou ps) près exposition ux prticules de TEL élevé, et on peut s'ttendre à ce que ces différences s'estompent. Nous vons observé que I'EBR des prticules chrgées étit d'utnt plus élevée que l composnte du modèle linéire-qudrtique étit fible ux photons [12], suggérnt qu'une cellule intrinsèquement résistnte est reltivement plus sensibilisée pr ces prticules. En ce qui concerne les neutrons, nous vons constté sur 41 lignées tumorles humines que, bien qu'il existe une corréltion positive entre l rdiosensibilité ux photons et celle
716 A. Courdi et l. ux neutrons, I'EBR exprimée pr le rpport des DIM est d'utnt plus élevée que les cellules sont résistntes [13]. lus récemment, nous vons recherché cet éventuel lien concernnt les lésions chromosomiques en utilisnt le test des MN [14]. L figure 4 montre I'EBR en fonction de l frction de BNC vec MN à 2 Gy photons. L'EBR est inversement corrélée u rendement en MN. EBR, 1 0.2 0,3 0,4 0,5 BNC vec MN (Co) Figure 4. L'EBR des cellules tumorles humines en fonction du rendement en MN près exposition à une dose de 2 Gy ux photons du Co. Dns l mesure ou ces résultts peuvent être extrpolées à l sitution clinique, ces observtions concordntes suggèrent que les tumeurs connues pour leur rdiorésistnce intrinsèque serient plus vntgeusement tritées pr des prticules de TEL élevé. CNCLUSIN Les propriétés physiques, chimiques et biologiques de l'énergie déposée pr les prticules de TEL élevé conditionnent les effets observés sur les cellules exposées. Contrirement ux ryonnements de TEL fible ou l'effet dépend essentiellement de l dose, les effets de ces prticules, comme les dégâts chromosomiques ou l mortlité cellulire dépendent ussi de l nture, l msse et l'énergie des prticules. Sur le pln clinique, les spects biologiques de certines prticules sont utilisés vntgeusement dns le tritement des tumeurs rdiorésistntes. REMERCIEMENTS Nous tenons à remercier les équipes de GSI (Drmstdt) et du GANIL (Cen) pour nous voir permis d'utiliser leurs instlltions. Ces études ont bénéficié du support d'electricité de Frnce.
REFERENCES TEL et rdiosensibilité cellulire 1 Courdi A, Brssrt N, Hérult J, Chuvel (1994) Br. J. Rdiol. 67, 800-4. 2 Courdi A ( 1994) J. Chim. hys. 9 1, 1025-40. 3 Fertil B, Dertinger H, Courdi A, Mlise E (1984) Rdit, Res. 99, 73-84. 4 Wmbersie A, Kirkove C (1994) J. Chim. hys. 91, 1287-303. 5 Binns J, Hough JH (1 992) Int. J. Rdit. ncol. BioI. hys. 24,758 1. 6 Courdi A, Brssrt N, Hérult J, Gbillt J-M, Mri D, ignol J-, Chuvel ( 1996) Bull Cncer 83 (Suppl 1 ), 47s-9s. 7 Fenech M, Morley AA (1985) C'tobios 43,233-46. 8 Courdi A, Mri D, Mrcié S, Gionni J, Chuvel (1995) Rdiother. ncol. 37, 1 17-23. 9 Wulf H, Krft-Weyrther W, Miltenburger HG (1985) Rdit. Res. 104, S122-34. 10 Courdi A, Bensdoun RJ, Scholz M (1 993) J. Chim. hys. 90, 1001-8. 11 Courdi A, Mri D, Hérult J, Chuvel (1995) Rdit. Environ Biophys 34,85-9. 12 Courdi A, Cldni C, Scholz M (1 992) 24th Ann Meer of the Europ Soc for Rdit Biol, Erfurt, ctober 4-8, 24. 13 Courdi A, Brssrt N, Hérult J, Mri D, Chuvel (1996) Act ncol. 237-42. 14 Courdi A, ignol J-, Iborr-Brssrt N, Hérult J, Bensdoun R-J, Teissier E, Lgrnge J-L, Chuvel (1997) Med. & Biolog. Engin. & Comp. 35 (Suppl 2), 979.