Bases radio-biologiques :

1) Types de rayonnement utilisé en radiothérapie :

La radiothérapie utilise des rayonnements qui sont capables d’entraîner des ionisations en contact avec la matière du milieu, d’où le nom de rayonnements ionisants. Il existe deux types principaux de rayonnement : électromagnétique et particulaire.

(a) Rayonnement électromagnétique : les photons

Les photons sont des particules de haute énergie et qui n’ont ni masse ni charge, ils se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière. C’est le type de rayonnement le plus utilisé en radiothérapie. Dans la matière, ils sont indirectement ionisants et la dose qu’ils distribuent décroit de façon pseudo-exponentielle à partir de la source. On en distingue deux types :

Les rayons X sont caractérisés par une énergie variant de 4 à 25 méga volts (MV). Ils sont produits par le réarrangement des électrons du cortège électronique dans des tubes à Rayons X ou dans des accélérateurs linéaires.

Les rayonnements γ sont d'origine nucléaire, émis lors de désintégration nucléaire : source de 60Cobalt, 192 Ir, 137Cs, ...

(b) Rayonnement particulaire :

Le rayonnement particulaire est un rayonnement d'énergie qui utilise des faisceaux de particules chargées comme les protons et les électrons ou des particules non chargées comme les neutrons.

La pénétration de ces particules est limitée par les tissus humains, elle est proportionnelle à la charge des particules, à l'exception des neutrons qui sont des particules neutres et qui ont une pénétration comparable aux photons et une efficacité biologique 3 fois plus élevée que celle des rayonnements électromagnétiques.

Les protons sont produits dans des cyclotrons, leur parcours est caractérisé par une grande précision, ainsi les ions légers, générés par des synchrotrons, cumulent les avantages balistiques des protons et les avantages biologiques des neutrons.

Dans la pratique clinique, les rayonnements particulaires sont moins utilisés que les rayonnements électromagnétiques, mais entre les particules, les électrons sont les plus utilisés notamment comme complément d’irradiation préalable aux photons.

2) Radiobiologie des rayonnements ionisants : (a) Mécanisme d’action :

La radiothérapie agit principalement en tuant les cellules tumorales et en arrêtant leur capacité de prolifération. Ces événements sont les résultats de réactions

déclenchées par le passage des rayonnements dans le milieu. En premier temps les radiations incidentes transfèrent leur énergie aux molécules du milieu traversé, entraînant une excitation ou ionisation de ces atomes (phase physique). Un réarrangement moléculaire est survenu, conduisant à la radiolyse de l’eau et la production des radicaux libres très réactifs qui vont attaquer par la suite toutes les molécules, dont l'ADN (phase chimique).Malheureusement, pendant la radiothérapie, les cellules normales, particulièrement celles qui se divisent rapidement, peuvent également être endommagées. La capacité de réparations de ces dommages est plus importante dans les cellules normales que dans les cellules tumorales. En fonction de cette capacité, des lésions responsables de l’effet létal des radiations ionisantes se développent (phase cellulaire), entraînant la mort cellulaire à cause de lésions directes de l’ADN ou bien par apoptose (mort différée).

Les lésions cellulaires entraînent des effets tissulaires (phase tissulaire) qui peuvent s’observer de plusieurs jours à plusieurs années après l’irradiation. On distingue : -Les effets tissulaires précoces qui affectent les tissus à renouvellement rapide, dans ce cas les effets radio induits se démasquent rapidement

-Les effets tissulaires tardifs qui affectent les tissus à renouvellement lent, dans ce cas les effets radio induits peuvent se révéler des mois, voire des années, après l’irradiation.

(b) Facteurs influençant l’effet biologique des rayonnements ionisants :

Le facteur temps est défini par le fractionnement et l’étalement d’une irradiation : Le fractionnement est le nombre de fractions ou de séances de radiothérapie. Il existe différents protocoles utilisés dans la pratique clinique comme le fractionnement conventionnel, qui consiste à une fraction par jour de 1,8 à 2 Gy et 5 jours par semaine. Ce protocole permet aux cellules normales de réparer les lésions radio induites. Un autre protocole moins toxique pour les cellules saines est le bi fractionnement, 2 séances de faible dose par jour espacées d’au moins 6 heures.

Ces protocoles varient en fonction de la situation. Par exemple dans le traitement curatif de certains cancers, les médecins recourent à une augmentation du nombre de fractions (hyper fractionnement) or dans une situation palliative une diminution du nombre de fractions (hypo fractionnement) peut être envisagée.

En ce qui concerne l'étalement est la durée totale du traitement en jours. Cette durée varie en fonction de la prolifération des tumeurs. Et comme la plupart des tumeurs prolifèrent rapidement, une réduction de l'étalement permet une destruction importante des cellules cancéreuses. Mais la durée de traitement ne doit pas être très courte pour éviter des complications du traitement.

Le fractionnement favorise trois phénomènes physiologiques : réparation des lésions sublétales de l’ADN, la redistribution dans le cycle cellulaire et à la réoxygénation des cellules hypoxiques. Or l’étalement favorise la repopulation des cellules hypoxiques.

Effet oxygène : l’Oxygène est un élément indispensable dans l'efficacité de la radiothérapie, car il augmente la radiosensibilité des cellules. L'oxygène forme les peroxydes responsables de lésions de l’ADN, suite à son interaction avec les radicaux libres résultants de passage des particules chargées dans le milieu.

L’OER (oxygène enhancement ratio) est le rapport des doses nécessaires à l’obtention d’un effet biologique donné selon l’état d’oxygénation des cellules irradiées. Une cellule en hypoxie nécessite une dose de 2 à 3 fois plus importante pour détruire la même cellule bien oxygénée.

Cycle cellulaire : la radiosensibilité est maximale pendant la mitose (M) et en phase G2, elle est minimale en phase S. La radiothérapie entraîne une freination de la synthèse de l’ADN, donc un allongement de la phase S, et un blocage temporaire des cellules en G2, avec un retard à la mitose et une synchronisation cellulaire. La multiplication cellulaire entre les séances d’irradiation favorise le recrutement de cellules en cycle, et donc leur passage aux phases radiosensibles M et G2.

Radiosensibilité intrinsèque : Une cellule radiosensible est définie par la faible capacité de réparer les dommages radio induits. Or une cellule radio résistante est une cellule qui arrive à réparer les lésions radio induites.

Cette radiosensibilité est déterminée par la réalisation de courbes de survie après irradiation. Les courbes obtenues permettent de définir une équation mathématique à deux composantes, une composante linéaire -αD et une composante quadratique e-βD² : c’est le modèle linéaire quadratique.

Le rapport α/β qui est une dose en Gy permet de distinguer le tissu radio sensible (faible pouvoir de réparation) qui ont un rapport α/β élevé (entre 10 et 15 Gy) et le tissu radio résistant (fort pouvoir de réparation) qui ont un rapport α/β bas (entre 1 et 3 Gy).