Cours de Radiobiologie - Nicolas FORAY

Avant-Propos

A travers les travaux des membres de l’Unité et les projets de recherche successifs, nous pouvons proposer aujourd’hui une certaine vision de la radiobiologie qui intègre à la fois les acquis et les définitions des pionniers et les connaissances les plus récentes. Quelques paragraphes pourront ne pas être en accord avec certains principes, paradigmes, erreurs communes ou dogmes que l’on peut encore noter sur internet ou dans les manuels peu nombreux traitant de cette discipline. Nous nous sommes seulement efforcés de produire un ensemble de cours argumenté, rigoureux et surtout cohérent, avec toujours à l’esprit le bon sens, la quantification et la connaissance des réalités physiologiques et cliniques, notamment celles valables et applicables aux cellules humaines.

Cours 1 : Premières définitions - Ionisations - Echelle des temps

La radiobiologie est l’étude des effets biologiques des radiations ionisantes, couvrant tous les aspects physiques, chimiques, moléculaires, cellulaires, tissulaires, clinique et même réglementaires de la réponse aux radiations.

Cours 2 : Aspects physico-chimiques - Les effets directs et indirects d'une irradiation

L’irradiation entraîne la formation de microdépôts d’énergie aléatoirement répartis dans la matière irradiée, dans le cytoplasme comme dans le noyau des cellules. De 10-12 à 1 s, les événements physiques deviennent chimiques et les ionisations induites par les microdépôts d’énergie entraînent des changements moléculaires à travers le phénomène dit de radiolyse de l’eau qui décrit la formation de certaines espèces chimiques à fort pouvoir oxydant (ex : radicaux hydroxyles OH°, superoxydes O2-) connues sous le nom d’espèces radicalaires oxygénées. Celles-ci sont à durée de vie relativement limitée. Par contre, les produits finaux de radiolyse de l’eau sont plus stables comme le superoxyde d’hydrogène H2O2 (couramment appelé eau oxygénée) et capables de casser l’ADN.

Cours 3 : Les différentes unités liées aux radiations

Avant d’aborder les aspects biochimiques et biologiques observés après irradiation, il était indispensable de se familiariser avec les différentes unités liées aux radiations. Aujourd’hui, les corps de métiers concernant les radiations ionisantes (radiothérapeutes, radiologues, radiobiologistes, radioprotectionnistes, épidémiologistes) utilisent quotidiennement plusieurs unités spécifiques dont le nombre et la subtilité des définitions rendent parfois obscure l’évaluation des risques liés aux radiations pour le grand public. Pourtant, ces unités correspondent à des besoins concrets des scientifiques et des médecins et à des étapes précises de la pensée tout au long de l’histoire de la recherche sur les radiations (1). Les unités liées aux radiations ionisantes occupent une place « à part » dans le Système International (SI) où elles apparaissent sous la dénomination de « Unités dérivées spéciales ».

Cours 4 : Les différents types de dommages radioinduits de l'ADN - Notion de réparabilité

Les radiations ionisantes se distinguent de tous les autres agents cytotoxiques par la diversité et la multiplicité des dommages qu'elles créent dans l'ADN. Les modifications des bases (10000-1000/Gy) sont, avec les cassures simple-brin (1000/Gy), les événements les plus fréquents. Les pontages ADN-protéines (150/Gy) constitués par des interactions entre l'ADN et les protéines de la matrice nucléaire et surtout les cassures double-brin (40/Gy) sont des événements beaucoup plus rares.

Cours 5 : Importance du noyau dans la létalité radioinduite - Effet du cycle cellulaire

Les dommages causés par les radiations ionisantes dans le noyau cellulaire sont 100 à 1000 fois plus efficaces pour provoquer la mort cellulaire que les dommages créés dans les membranes ou dans le cytoplasme. Cette affirmation était déjà soutenue par Claudius Regaud en 1908 1. Plusieurs arguments scientifiques et expériences soutiennent ce principe. En particulier, le marquage radioactif des composants du noyau (ex : ADN) ou des membranes (lipides) par des radioinucléides dont les particules émises sont peu énergétiques et parcourent donc peu de distance dans la matière, a permis l’irradiation sélective du noyau ou des membranes. Ces faits ne signifient pas que les recherches sur les dommages des organites différents du noyau soient inutiles mais plutôt que la contribution relative des dommages de l’ADN en ce qui concerne la létalité cellulaire est bien plus grande que celle liée aux dommages causés par d’autres parties de la cellule.

Cours 6 : La mort radiobiologique et les différentes types de morts cellulaires

A la fin du XIXème siècle, tous les types majeurs de morts cellulaires étaient connus, grâce aux pionniers, qui patiemment décrivirent avec force détails ce qu’ils observaient au microscope [1,2]. Ainsi, on ne parlait pas de « la » mort cellulaire mais bien « des » morts cellulaires. Avec l’usage des rayons X, s’est posée la question des spécificités de chaque type de morts et de leur contribution relative à la mort globale en fonction de la dose de radiation.

Cours 7 : Notions de radiosensibilité, radiosusceptibilité et radiodégénérescence

Aujourd’hui, le terme radiosensibilité est l’un des plus cités en radiobiologie. Toutefois, à chaque fois qu’on utilise, une signification différente apparaisse. Ainsi, quand on parle de radiosensibilité de la peau, on parle généralement de dermites. Mais quand on parle de radiosensibilité du sein, c’est le cancer radioinduit du sein dont on veut parler. Enfin, quand on parle de la radiosensibilité de l’œil, c’est aux cataractes que l’on pense. Or, biologiquement, des dermites, un cancer du sein ou une cataracte sont des notions très différentes. A travers ce paragraphe, comment peut-on définir simplement le terme de radiosensibilité et quelles sont les conséquences cliniques majeures d’une irradiation ?