Cours commun de radiobiologie appliquée à la thérapeutique

1

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

2

Plan• Les phénomènes physiques initiaux• Les phénomènes radio-chimiques• Les phénomènes moléculaires et bio-

chimiques 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

3

L’échelle des

temps en radiobio-

logie

CHRONOLOGIE DES EVENEMENTS

0

10-15s

10-5s

seconde

minute

heure

jour

semaine

mois

an

descendance

IRRADIATION

Ionisations - Excitations

Réactions des radicaux

Réactions moléculaires

Réactions biochimiques

Cancérisation

Mutation génétique

Lésionsde l’ADNgénome

Mort différée des cellules

Développement métabolique

Réparation cellulaire

Réparation tissulaire

Modificateurs de laradiosensibilité

Effet O2

Effets cliniques

immédiats

tardifs

précoces

4

Les phénomènes physiques initiaux

5

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

6

Les différents types de radiations (2)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

→ mise en mouvement d’électrons

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

Toutes les interactions aboutissent Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement finalement à la mise en mouvement d’électronsd’électrons qui sont les agents qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matièreeffectifs de l’ionisation de la matière

Electron Compton

Photon incidenth

Photon diffuséh’

Electronfaiblement lié

7

Les interactions photons - électrons

8

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

→ mise en mouvement d’électrons

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

Toutes les interactions aboutissent Toutes les interactions aboutissent finalement à la mise en mouvement finalement à la mise en mouvement d’électronsd’électrons qui sont les agents qui sont les agents effectifs de l’ionisation de la matièreeffectifs de l’ionisation de la matière

9

Aspects comparés: µ et

macro- dosimétriques

pour photons, e- et ions

Que ce passe-t-il dans un champ de neutrons rapides?

11

Les phénomènes radio-chimiques

12

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,

H2O → H2O+ + 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

13

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, glutathion…

14

Distinction entre effets indirects (90% des effets) et effets directs (10% des effets)

Photon incidente

-

e-

H200H

-

Effet

direct

indirect

15

Les phénomènes moléculaires et bio-chimiques primordiaux

16

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

17

Les lésions moléculaires aboutissent selon leur complexité soit à des coupures simple-brincoupures simple-brin, soit à des

coupures double-brincoupures double-brin de l ’ADN

18

Les aberrations chromosomiques sont la manifestation des CDB

anneau

19

Aspects quantitatifs et qualitatifs

Une irradiation de 1 Gy en photons entraîne par cellule:

Lésions de bases 1 à 10 eV/nm3 10 000 Réparées en 5 à 10 min

Lésions simple brin (CSB)

10 à 100 eV/nm3 1000 10 à 15 min

Lésions double brin (CDB)

> 100 eV/nm3 40 2 à 6 h

Pontages ADN-protéines ?

Aberrations chromosomiques

1

1,5 coupure double brin non réparée est létale1,5 coupure double brin non réparée est létale

20

TEL et efficacité biologique

21

Le nombre et la proportion de CDB dépendent de la micro-dosimétrie et du

TEL

Tubiana, Dutreix & Wambersie, Hermann ed, 1986

1 µm

22

La trace d’un ion a une taille comparable à celle de l’ADN

23

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).

24

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; A-172), un medulloblastome (ONS) et des fibroblastes (NB1).

K. Tsuboi et al, IJRB, 74:71-9, 1998.(HIMAC)

25

L’effet oxygène

26

L’effet oxygèneRappel: 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

27

L’effet oxygène disparaît lorsque le TEL augmente

Human renal cells T1, hypoxia, normoxia; from Broerse & Barendsen, IJRB, 13:559, 1967

Pourquoi ???

28

EBR = efficacité biologique [relative]; OER = Oxygen Enhancement Ratio.

Adapted from Tubiana, Dutreix et Wambersie, Hermann ed, 1986

29

La réaction cellulaire à l’irradiation

30

Réparation de l’ADN

L’organisation de la réparation de l’ADN est surprenante

Vulnérabilitécellulaire

Détection

des lésions

Réparationdes lésionsde l’ADN

Régulationde la mortcellulaire

Survie

Mort cellulaire

LésionsRésiduelles

(cycle cellulaire)

Vulnérabilitécellulaire

Détection

des lésions

Réparationdes lésionsde l’ADN

Régulationde la mortcellulaire

Survie

Mort cellulaire

LésionsRésiduelles

(cycle cellulaire)

Survie

Mort cellulaire

Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation

Lésionsrésiduelles

Wortmannine,olomoussine,

caféïne,cytotoxiques

PARP, PI3k, ATM, DNApk

3 aminobenzamideswortmannine

SSB, DSB,contrôle du cycle

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Pharmaco. des voies

de transduc.Manipulationde la PARPther.genique

Signalisation

Différents types de mort cellulaire

Survie

Mort cellulaire

Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation

Lésionsrésiduelles

Wortmannine,olomoussine,

caféïne,cytotoxiques

PARP, PI3k, ATM, DNApk

3 aminobenzamideswortmannine

SSB, DSB,contrôle du cycle

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Pharmaco. des voies

de transduc.Manipulationde la PARPther.genique

Signalisation

Différents types de mort cellulaire

A B

Vulnérabilitécellulaire

Détection

des lésions

Réparationdes lésionsde l’ADN

Régulationde la mortcellulaire

Survie

Mort cellulaire

LésionsRésiduelles

(cycle cellulaire)

Vulnérabilitécellulaire

Détection

des lésions

Réparationdes lésionsde l’ADN

Régulationde la mortcellulaire

Survie

Mort cellulaire

LésionsRésiduelles

(cycle cellulaire)

Survie

Mort cellulaire

Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation

Lésionsrésiduelles

Wortmannine,olomoussine,

caféïne,cytotoxiques

PARP, PI3k, ATM, DNApk

3 aminobenzamideswortmannine

SSB, DSB,contrôle du cycle

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Pharmaco. des voies

de transduc.Manipulationde la PARPther.genique

Signalisation

Différents types de mort cellulaire

Survie

Mort cellulaire

Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation

Lésionsrésiduelles

Wortmannine,olomoussine,

caféïne,cytotoxiques

PARP, PI3k, ATM, DNApk

3 aminobenzamideswortmannine

SSB, DSB,contrôle du cycle

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Pharmaco. des voies

de transduc.Manipulationde la PARPther.genique

Signalisation

Différents types de mort cellulaire

Vulnérabilitécellulaire

Détection

des lésions

Réparationdes lésionsde l’ADN

Régulationde la mortcellulaire

Survie

Mort cellulaire

LésionsRésiduelles

(cycle cellulaire)

Vulnérabilitécellulaire

Détection

des lésions

Réparationdes lésionsde l’ADN

Régulationde la mortcellulaire

Survie

Mort cellulaire

LésionsRésiduelles

(cycle cellulaire)

Survie

Mort cellulaire

Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation

Lésionsrésiduelles

Wortmannine,olomoussine,

caféïne,cytotoxiques

PARP, PI3k, ATM, DNApk

3 aminobenzamideswortmannine

SSB, DSB,contrôle du cycle

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Pharmaco. des voies

de transduc.Manipulationde la PARPther.genique

Signalisation

Différents types de mort cellulaire

Survie

Mort cellulaire

Cycle, oxygénation,support et adhérence, voisinage, état métabolique, différenciation

Lésionsrésiduelles

Wortmannine,olomoussine,

caféïne,cytotoxiques

PARP, PI3k, ATM, DNApk

3 aminobenzamideswortmannine

SSB, DSB,contrôle du cycle

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Modificateurdu cycle, O2,angiogénèse,radioprotec.

Pharmaco. des voies

de transduc.Manipulationde la PARPther.genique

Signalisation

Différents types de mort cellulaire

A B

31

Réparation des lésions simples de l’ADN

Excision resynthèse

- gènes / protéines:

- pathologie: xéroderma pigmentosum

32

Réparation des lésions complexes de l’ADN: les coupures double-brin

Suture non homologue (NHEJ : non homologous end joining)

- gènes / protéines- pathologies:

radiosensibilité et immunodéficience

Recombinaison non homologue

- gènes / protéines- pathologies:

susceptibilité au cancer

Rad51Rad52

BRCA1

BRCA2

RecombinaisonNon Homologous End Joining(NHEJ)

DNA-PKsKu70

Ku80DNA-PKs

Ku70

Ku80

Rad51Rad52

BRCA1

BRCA2

Rad51Rad52

BRCA1

BRCA2

Rad51Rad52

BRCA1

BRCA2

RecombinaisonNon Homologous End Joining(NHEJ)

DNA-PKsKu70

Ku80DNA-PKs

Ku70

Ku80DNA-PKs

Ku70

Ku80DNA-PKs

Ku70

Ku80DNA-PKs

Ku70

Ku80DNA-PKs

Ku70

Ku80

Rad51Rad52

BRCA1

BRCA2

Rad51Rad52

BRCA1

BRCA2

33

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

34

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

35

Exemple de cascade de régulation: le point de contrôle du cycle cellulaire en fin de G1 dépendant de p53

36

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

37

La mutagenèse radio-induite

38

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

39

Mécanismes comparés de la carcino-genèse 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

40

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

41

L’obtention d’un effet différentiel

42

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)

43

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 + 1Grâce à trois principes + 1:

• La restriction anatomique

• Le fractionnement

• La pharmacomodulation

• Le choix du rayonnement

44

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.

45

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).

46

Tumeur

Tissus sains

Dose (fraction unique)

47

Survie

Nombre de fractions

Tissus sains

Tumeur

Seuil de guérison de la tumeur

48

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

49

4) Le choix du rayonnement…

• Photons / électrons

• Protons: 1H+

• Neutrons

• Ions carbone: 12C6+

• Noyaux d’hélium: 4He2+

5050

51

52

Le spectre de la radiosensibilité humaine

53

0.01

0.1

1

0.01

0.1

1C

ell s

urvi

val

0 1 2 3 4 5 6 7 80 1 2 3 4 5 6 7 8Dose (Gy)

Controls

ATM-/-

Il existe tout un spectre de radiosensibilité chez l’être humain

54

SYNDROMES MUTATED GENE

ATMLIG4NBS1

Lamin AATMUSHCSXP

MRE11IT15APC

hMSH2FANC

BRCA1Artemis

SF2 (%)

1-52-6

8-19

15-20

5-9

15-3015-3015-4018-3020-3020-3020-4020-4020-40

10-15

Ataxia telangiectasia (classical homoz.) Syndrome Ligase IVNijmegen syndromeProgeriaAtaxia telangiectasia (variant homoz.)Usher's syndromeCockayne's syndromeXeroderma PigmentosumAT-Like DisorderHuntington ChoreaGardner's syndromeTurcot's syndromeFanconi anemia and BRCA2 mutationsBRCA1 mutationsArtemis mutations

Les syndromes génétiques humainsassociés à une radiosensibilité anormale

55

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 500 10 20 30 40 50

Group II

Group I

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

Group IIIa Group IIIb

Moderate radiosensitivity cancer proneness

Hyper-radiosensitivity cancer proneness

Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008Varela et al., Nature Med, 2009

40 fibroblasts with different radiosensitivity10 genetic diseases, 5 different techniques

Hyper-radiosensitivity

% of unrepaired DSB

% c

ell s

urv

ival

at

2 G

y

Radioresistance – no cancer proneness

56

pH2AX

pDNA-PK

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Repair time (h)

Control

the patient

LIG4-/-

Nu

mb

er

of

foc

i p

er

ce

ll

A partir d’une biopsie de peau :

Cependant pas d’anomalieà l’analyse sanguine (lymphocytes)

Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble)

15/24

57Bencokova et al., submitted

Group I

Group II

Group IIIa

Group IIIb

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Time after the first radiotherapy session (h)

2 Gy 2 Gy 2 Gy 2 Gy

24 h 24 h 24 h 24 h

19/24

L’effet du fractionnement

58

Fractions of 2 Gy

Nu

mbe

r of

unr

epai

red

DSB Group I Group II Group IIIb

Fractions of 2 Gy

Nu

mbe

r of

unr

epai

red

DSB Group I Group II Group IIIb

L’effet du fractionnement

Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008

59

Group I

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 250 5 10 15 20 25

Nu

mb

er

of

foc

i

Repair time (h)

pH2AX

MRE11

MRE11 in group II

Group II

Le Groupe II montre un taux anormal de foci MRE11

12/24 Joubert et al.,Adv DNA Repair, 2007Joubert et al., Int J Radiat Biol, 2008

60

Cependant pas de foci MRE11dans les lymphocytes du sang

From a skin biopsy : Activité d’MRE11

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25

The patient

Control

Nu

mb

er

of

foc

i p

er

ce

ll

Repair time (h)

16/24

Analyse des fibroblastes d’un patient du groupe II (CHU de Grenoble)

61

P

Non-homologousrecombination

MRE11

ATM

P

ATM

MRE11

H2AX

RadiorésistanceNon cancer-prone

H2AX

Radiosensibilité modéréeAptitude à la cancérogenèse

JoiningJoining

Non-homologousrecombination

Translocation nucléo-cytoplasmique d’ATM

62

Il devient désormais possible:

1) d’explorer la radiosensibilité d’un patient2) de comprendre les mécanismes des variations de radiosensibilité humaine3) d’adapter potentiellement un traitement de radiothérapie (ou de le contre-indiquer) en fonction des caractéristiques radiobiologiques du patient4) des études systématiques sont en projet (Foray & Vogin)

Conclusion

63

FIN