Effets de la combinaison des rayonnements ionisants -rayons X et ions atomiquesavec des nano particules d atomes lourds sur l ADN et les cellules

Institut Sciences Moléculaires (ISMO) Bât 351

Université Paris Sud Orsay France

Effets de la combinaison des rayonnements ionisants -rayons X et ions atomiques-

avec des nano particules d’atomes lourds sur l’ADN et les cellules

Claude Le Sech, Erika Porcel, Sandrine Lacombe

K. Kobayashi N. Usami Y. Furusawa Photon Factory

Tsukuba Japan HIMAC Chiba O. Tillement

P. Mowat

Université Lyon1 H. Remita

LCP Orsay

J.L. Guerkin Kern E. Sage

Institut Curie Orsay

Collaborations

Le but de ce travail est l’étude des conséquences de l’irradiation

de molécules comme l’ADN,

ou la survie cellulaire, lorsque des atomes lourds (platine, Or, Gadolinium ...) sont présents.

Possibilité d’augmenter l’efficacité

des traitements par rayonnements ionisants

en enrichissement les tumeurs solides avec des molécules ou nanos particules contenant des atomes lourds.

On présente ici les résultats très récents obtenus avec :

- les rayons X mous ( ~ 11 keV ou ~ 2,6 keV) - les ions atomiques C⁶⁺

I) Irradiation par des photons monochromatiques en couches L_III et M_III de complexes d’ADN : plasmides pBR 322 + nanos particules de platine

II) Irradiations par les ions C⁶⁺ de

complexes ADN + nanos particules de platine et nanos particules de gadolinium

III) Effets sur les cellules CHO

I) Irradiation par les rayons X en couches L et M du platine

de complexes d’ADN On mesure les coupures

simple et double des plasmides

Nano particules de platine d’environ 3 nm contenant 1000 atomes de platine

Une nano particule pour un ou deux plasmide

poly-acrylique (APA)

Comparaison avec des résultats précédents obtenus avec des molécules contenant des atomes de platine (terpyridine platine).

Même quantité dans l’échantillon d’atomes lourds contenus :

-dans les molécules

-dans les nanos particules

-0.3 -0.28 -0.26 -0.24 -0.22 -0.2

11.54 11.55 11.56 11.57 11.58 11.59 11.6 11.61

Photon energy (keV) Eres = 11562eV

Eabove

E below

H

D

RESONANCE seuil L_III Pt

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 50 100 150 200 250 300

dose

PtTC on

ADN seul ADN+ nanos on et off

Résultats en couche L (11557 eV) on (résonance) 11537 eV off

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

0 50 100 150 200 250 300

dsb-PtTC-on NPapa-on NPapa-off DNA-pur-on

dose

PtTC on

ADN pur

ADN +NPapa on, off

Nombre de coupures (ssb, dsb) par plasmide

0 0.5 1 1.5 2

0 50 100 150 200 250 300

PtTC-on NPapa-on NPapa-off ADN-pur

dose

ptTC-on

ADN-pur nanos-on,off

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

0 50 100 150 200 250 300

dsb NPapa-on NPapa-off ADN-pur

dose

PtTC

ADN-pur nanos on, off

Résultats en couche M Energie = 2649 eV on Energie = 2639 eV off

PtTC on

Nanos-Pt on

Nanos-Pt off

ADN seul SSB-L-

Shell(10³)

13.6 8.6 8.4 7.7

SSB-M- shell(10³)

6.5 5.5 5.4 3

SSB-M DMSO

0.68 0.64 0.74 0.57

DSB-L- shell(10⁵)

12.2 9 8.4 7.4

DSB-M- shell(10⁵)

11 8.7 8.6 5.5

DSB-M DMSO

1.37 1.47 1.52 1.49

Valeurs des pentes des SSB et DSB

- Augmentation des SSB, DSB plus importante en couche M comparée à la couche L

- Mécanisme radicalaire principalement - Dans toutes les expériences

avec des atomes de platine (terpyridine, nanos) le nombre de coupures est augmenté

pour toutes les énergies (L, M)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

0 50 100 150 200 250 300

dsb NPapa-on NPapa-off ADN-pur

dose PtTC

ADN-pur nanos on, off

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

0 50 100 150 200 250 300

dsb-PtTC-on NPapa-on NPapa-off DNA-pur-on

dose PtTC on

ADN pur ADN +NPapa on, off

DSB L DSB M

Interprétation

On observe que les résultats sont voisins

aux seuils et en dessous pour les couches (L, M)

Absorption principalement dans l’eau : Rôle des photoélectrons

Excitations électroniques des couches N, O … de l’atome lourd.

Effet Auger qui induit la

radiolyse de l’eau du milieu (HO°)

photoélectron s

II) Irradiation par les ions C

Aux énergies considérées (290 MeV/amu)

au pic de Bragg environ 50% des noyaux C⁶⁺ sont fragmentés en H⁺, He²⁺, Li³⁺, ¹⁰C^{6+ ...}

On cherche à voir un influence sur les coupures de l ’ADN

de cette fragmentation avec et sans atomes lourds

Influence de la fragmentation des noyaux C⁶⁺

ETUDE avec terpyridine PtTC

Complexes ADN + PtTC (X)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Doses (Gy)

Entrance Pt

Bragg Pt

Bragg Pt =0

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

0 100 200 300 400 500 600

Doses (Gy) Bragg Pt

Entrance Pt

Bragg Pt=0

Entrance Pt=0

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

0 100 200 300 400 500

Doses (Gy)

Bragg

Entrance

Bragg D MSO Entrance DMSO

0 0.5 1 1.5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Do ses (G y)

Entran ce

Bragg

En trance DMSO

Bra gg D MSO

Rôle des radicaux HO°

L (in mm) 0 50 100 Bragg 138

LET (keV/µm) 13.1 14.2 17.2 110

Effective Dose D₀ D₀x1.0 D₀x1.2 D₀x2.9

mssb x10^-4 39 ± 1.8 38 ± 1.6 35 ± 1.1 19 ± 1.0 mssb x 10^-4Pt 65 ± 1.9 63 ± 1.6 58 ± 1.9 37 ± 0.4 mdsb x10^-5 9.3 ± 0.09 11 ± 0.12 11 ± 0.4 9.4 ± 0.5 mdsb x10^-5 Pt 19 ± 0.4 20 ± 1.1 21 ± 1.3 20 ± 0.4

mssb x10^-4DMSO 8.3 ± 0.3 5.2 ± 0.3

mdsbx10^-5DMSO 3.7 ± 0.2 3.3 ± 0.2

mssb x10^-4DMSO Pt 11 ± 0.5 6.3 ± 0.44

mdsb x10^-5DMSO Pt

6.1 ± 0.6 4.1 ± 0.5

Résultats

-Les coupures simple diminuent au pic par rapport au plateau

-Les coupures doubles sont constantes

SSB sont produits par les HO° qui diffusent

DSB produits par les HO° prochent des plasmides -Rôle de la recombinaison des radicaux HO°

- Le fragmentation ne joue pas un rôle spécifique avec et sans platine

Irradiation par les ions atomiques C⁶⁺ 290 MeV/amu

de complexes ADN + nanoparticles.

Comparaison avec les molécules PtTC.

-une molécules PtTC pour 15 pb

-une nanoparticule pour deux plasmides

Les ions atomiques induisent efficacement des cassures en présence

des nanos particules

platine

Mécanismes radicalaires

Irradiation par C⁶⁺ ADN plus

nanosparticules de gadolinium

Irradiation de cellules CHO par les ions carbone

LET = 13 et 70 keV/ µ m

Avec et sans PtTC

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

0 2 4 6 8 10

C 290MeV/u

13keV/um -Pt 70keV/um -Pt 13keV/um +PtTC 70keV/um +PtTC 13keV/um +Pt2 70keV/um +Pt2

Dose (Gy)

0,0001 0,001 0,01 0,1 1

0 2 4 6 8 10

C 145 MeV/uma LET = 70 keV/µm

DMSO

Pt=0 DMSO =0 Pt

DMSO =0

Les effects of platinum sont scavengeable par le DMSO

Localisation PtTC

nano-SIMS : Secondary Ion Mass Spectroscopy

ion Cesium 16 keV

potential d’extraction négatif de 8 keV

CΗΟ incubées 6 heures avec PtTC 350 µM

Irradiation de cellules CHO par les ions carbone

avec et sans nanos particules

LET = 13 keV/µm

0,001 0,01 0,1 1

0 2 4 6 8 10

Dose (Gy)

Blue dots : without nanoparticles NPt Red squares with nanoparticles

CHO avec et sans nanos particules de platine Incubation 6h 200 µM

LET (keV/µm)

13 C ion αNPtα

0.19 0.25 βNPtβ

0.047 0.048 αNPt/α 1.3

On observe que l ’irradiation par les ions carbone augmente

la mortalité des cellules

contenant des nanos particules par forcément sur l ’ADN !

Les photons ne sont pas impliqués dans ces mécanismes

Intérêt des ions atomiques

en particulier de petit TEL (H⁺, He²⁺ )

Rôle des sels d’or utilisés comme anti inflammatoire

dans la polyarthrite rhumatoïde :

Auro thiopropanol sulfonate de sodium (Allochrysine ®)

Aurothioglucose (Solgonal ®)

0.001 0.01 0.1 1

0 2 4 6 8 10

13keV/um 13keV/um Pt 13keV/um gold

Dose (Gy)

Comparaison auro-thiopropanol sulfonate sodium

et PtTC

LET (keV/µm)

13 C ion αgoldα

0.15 +/- 0.01 0.25 +/- 0.05 βgoldβ

0.051 +/- 0.001 0.05 +/- 0.006 αgold/α 1.7

Aurothioglucose (Solgonal ®) ? Analogie ¹⁸ FDG

Conclusion

Nous avons montré que les ions C⁶⁺

induisent efficacement l’activation des nanos particules La combinaison ion atomique est plus intéressante

que la combinaison photons X de 200keV très souvent proposée dans les études

du fait du profil de dépôt de dose des ions et des effets secondaires des rayons X

d’assez basse énergie

comme l’induction de radiodermite.