Chapitre 1 : Les accélérateurs linéaires médicaux et la dosimétrie en radiothérapie
1.5 Effets de rayonnements sur les cellules irradiées
Les effets de rayonnements sur les tissus humains sont le résultat d’une chaine de phénomènes tout d’abord physiques (interactions entre les photons et les atomes ou les molécules des cellules du tissu) puis physico-chimiques pour aboutir à des dommages biologiques cellulaires tels que l’aberration chromosomique, l’altération de fonction, ou la mort cellulaire.
Les effets des radiations sur le tissu biologique résultent principalement des dommages sur les cellules causés sur l’ADN (acide désoxyribonucléique), dans laquelle se trouve la cible la plus critique de la cellule. Les effets de rayonnements dépendent de la distribution spatiale des énergies déposées dans la cellule, c’est le transfert linéique de l’énergie (TLE). Si le nombre de cassures formées, dans un endroit restreint de la molécule, augmente, ces cassures peuvent former des lésions complexes difficilement réparables par la cellule et par la suite conduisant à sa mort, lorsqu’un rayonnement ionisant dépose directement son énergie dans la cellule vivante. Selon l’ouvrage de Podgorsak E.B. [16], les effets biologiques de rayonnement peuvent se présenter sous l’un des deux schémas suivants :
1.5.1 Effet biologique direct
Dans l’effet direct, le rayonnement interagit directement avec les éléments critiques dans la cellule : molécule ou structure intracellulaire de faibles dimensions (gènes, chromosomes, etc.). Les atomes de ces structures ou de ces molécules critiques peuvent s’ioniser ou être excités à partir d’une interaction de photons avec leurs électrons en conduisant à une chaine d’´evenements physiques et chimiques qui conduisent à un dommage sur le tissu biologique irradié.
1.5.2 Effet biologique indirect
Dans l’effet indirect, le rayonnement interagit avec d’autres molécules et atomes (principalement l’eau) de la cellule pour produire des radicaux libres, lesquels peuvent en se propageant créent des dommages sur les cibles critiques à l’intérieur de la cellule irradiée.
L’interaction du rayonnement avec les électrons des molécules d’eau produit les radicaux libres H+ et OH-, ils sont chimiquement très actifs. Ceux-ci peuvent causer des
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dommages aux structures critiques de la cellule notamment sur l’ADN par l’altération des bases comme la thymine qui peut être hydroxylée par le radical OH-.
Les radicaux libres jouent un rôle important dans la destruction de la molécule ADN des cellules irradiées. Les effets indirects sont dominants par rapport aux effets directs lors de traitement de la tumeur par radiations vue de la densité importante des molécules d’eau (la richesse en eau des organismes vivants est environ de 80%).
1.5.3 Dommages biologiques : cas de photons
Dans le cas particuliers des faisceaux de photons, deux tiers des dommages biologiques sont produits par effets indirects. Le processus de la destruction de la cellule ciblée peut se décliner en cinq étapes:
Première étape : le photon primaire interagit avec un atome de la cellule (par effet photo-électrique, effet Compton, matérialisation) et produit un électron secondaire de haute énergie.
Deuxième étape : l’´electron de haute énergie mis en mouvement à travers le tissu produit des radicaux libres dans l’eau.
Troisième étape : les radicaux libres formés altèrent les bases puriques (adénine, guanine) ou pyrimidique (cytosine, thymine) de l’ADN.
Quatrième étape : l’altération des bases de l’ADN entraine des dommages biologiques.
Cinquième étape : La destruction de la cellule cancéreuse cible en absorbant une dose suffisante délivrée localement.
1.5.4 Efficacité biologique relative EBR
Lors d’une exposition à un rayonnement directement ou indirectement ionisant les cellules sont impactées et en particulier l’élément le plus radiosensible de celles-ci : le noyau et sa molécule d’ADN. Un moyen pour caractériser la relation dose-effet au niveau cellulaire consiste, pour un type de cellule donné, à observer le taux de survie cellulaire en fonction de l’accroissement de la dose. Le taux de survie cellulaire est le nombre de cellules survies dans un volume irradié par un rayonnement donné on le note Su.
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Selon Rodolphe A. [22], pour comparer cet effet pour les différents types de rayonnements, les radiobiologistes ont défini une grandeur appelée efficacité biologique relative EBR (RBE en anglais), qui se traduit par le rapport entre la dose d’un rayonnement de référence et du rayonnement étudié qui induisent le même effet, en l’espèce le même taux de survie cellulaire Su. Le rayonnement de référence pour lequel l’EBR est prise arbitrairement à 1 est un rayonnement X de 250KeV ou gamma de 1MeV, et un débit de la dose absorbée de 0,1Gy/min.
D’après Rodolphe, pour n’importe quel rayonnement R et pour un taux de survie cellulaire Su, l’EBR s’obtient selon l’expression (1-11)
KL MNO, PQ RSMNO,T (1-11)
Les effets des rayonnements dépendent de la distribution spatiale des énergies déposées dans la cellule (TLE). Si le nombre de cassures formées, dans un endroit restreint de la molécule, augmente, ces cassures peuvent former des lésions complexes difficilement réparables par la cellule. La conséquence de cette inefficacité de mécanismes de réparation, et des aberrations chromosomiques qu’elle peut engendrer, se traduit par deux issues pour une cellule lésée : la mutation génétique ou la mort cellulaire. Notons que cette incapacité est accrue lorsque la dose, au lieu d’être étalée dans le temps, est distribuée instantanément d’une manière homogène. Cette nuance donne toute son essence à la notion de débit de la dose et prouve son importance dans la physique de la radiothérapie.
Ajoutons que cette problématique devient un atout lorsqu’il s’agit de détruire des cellules cancéreuses : il est tout à fait opportun et approprié, dans un tel contexte, de délivrer un maximum de la dose en un minimum de temps au niveau de la tumeur pour tuer le plus grand nombre de cellules tumorales possible pour augmenter l’efficacité radiothérapeutique et améliorer la qualité de vie du patient en épargnant les cellules saines lors du traitement de la tumeur. Ce sont des enjeux pour les chercheurs en radiothérapie à emporter dans les futures générations de linacs.
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