Neuropathologie radio-induite : des effets précoces aux séquelles tardives. Etudes comportementales et métaboliques chez le Rat après irradiation globale sublétale

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Submitted on 21 Oct 2010

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métaboliques chez le Rat après irradiation globale sublétale

Alain, Patrick, Laurent Martigne

To cite this version:

Alain, Patrick, Laurent Martigne. Neuropathologie radio-induite : des effets précoces aux séquelles tardives. Etudes comportementales et métaboliques chez le Rat après irradiation globale sublétale.

Neurosciences [q-bio.NC]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2010. Français. �tel-00528214�

Année 2010

UNIVERSITE DE GRENOBLE

École Doctorale Ingénierie pour la Santé, la Cognition et l’Environnement

THESE

Pour obtenir le grade de

Docteur de l’Université de Grenoble

Spécialité : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement Présentée et soutenue publiquement par

A. Patrick MARTIGNE le 10 Mai 2010

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Neuropathologie radio-induite : des effets précoces aux séquelles tardives

Études comportementales et métaboliques chez le Rat après irradiation globale sublétale

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Directeurs de thèse Pr. J. Balosso Pr. JC. Debouzy

Jury :

Pr. Jean-François Le Bas, CHU La Tronche, Grenoble Président

Dr Daniel Béracochéa, Université Bordeaux I Rapporteur

Dr Jean-Marc Bertho, IRSN, Fontenay-aux-Roses Rapporteur

Pr. Jean-Yves Delattre, Groupe La Pitié-Salpêtrière, Paris Examinateur

Pr. Jacques Balosso, CHU La Tronche, projet Etoile, Grenoble Directeur de thèse

Dr Christine Amourette, IRBA antenne CRSSA La Tronche Directrice scientifique

A P

ATRICE LE

N

EPVOU DE

C

ARFORT IN MEMORIAM

Remerciements Remerciements Remerciements Remerciements

Ce travail a été réalisé au sein du département de Radiobiologie et de Radiopathologie de l’antenne de La Tronche (Centre de Recherches du Service de Santé des Armées) de l’Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA), dans les unités de Physiopathologie des communications intracérébrales (PCI) et de Biophysique cellulaire et moléculaire (BCM).

Il a été financé dans le cadre du contrat d’objectif 07co602, PEA n°010807 de la Délégation Générale pour l’Armement (DGA) : Neuropathologie radio-induite.

Je remercie en premier lieu les membres du jury :

Messieurs les Dr D. Béracochéa et J.M. Bertho pour avoir accepté avec enthousiasme d’être rapporteurs et de juger ce travail. Que ce modeste travail puisse devenir la pierre d’achoppement de futures collaborations.

Messieurs les Pr. J.Y. Delattre et J.M. Le Bas pour avoir pris le temps, malgré leurs nombreuses responsabilités, d’évaluer cette thèse en participant à ce jury. En espérant avoir entrouvert des pistes intéressantes, à l’interface de la neurologie, de la radiobiologie et des moyens d’investigation innovants.

Monsieur le Pr. Balosso pour avoir suivi l’évolution de ce travail, pour ses pistes ô combien judicieuses et pour sa confiance en ce travail. Que ce spicilège soit l’occasion de prolonger nos discussions et d’approfondir nos connaissances en neuroradiopathologie.

Je remercie tout particulièrement Monsieur le Médecin en chef Jean-Claude Debouzy pour m’avoir accueilli dans son unité et avoir co-dirigé ce travail. Sa bonne humeur et son enthousiasme communicatif m’ont permis, entre autres, de m’intéresser aux techniques de RMN.

Enfin, je remercie expressément Madame le Pharmacien en chef Christine Amourette, qui m’a proposé ce sujet et sans qui je n’aurais pu mener à bien ce travail. Ce travail repose en partie sur ses dons d’organisation. Que ses nerfs n’aient pas cédé à mon style de travail est déjà un exploit ; que ce mémoire voit le jour au printemps en est un autre. Je lui suis infiniment reconnaissant.

Qu’ils trouvent tous ici un bien modeste témoignage de ma reconnaissance.

Je remercie chaleureusement les soutiens moraux et intellectuels, rouages indispensables à l’accomplissement de ce travail :

Monsieur le Médecin en chef Michel Diserbo (& family), tant pour nos ‘commémo’ de sous-mariniers que pour tes enseignements et ton expertise, dans le domaine statistique notamment.

Monsieur le Dr Ioannis Lamproglou, qui a bien voulu m’enseigner ses techniques, ou plutôt son Art du comportement animal.

Madame le Dr Florence Fauvelle, pour l’accès à la RMN HR-MAS et l’apprentissage de cette technique récente en biologie, et encore en développement.

Madame Roselyne Viret, pour les nombreuses heures passées au chevet de cerveaux fixés, découpés, colorés, photographiés, analysés...

Monsieur le Pharmacien en chef Vincent Dabouis, qui a œuvré dans l’ombre pour compléter l’extraction lipidique et analyser les données spectrales dans l’urgence…

Monsieur le Médecin en chef Philippe Arvers, pour son expertise dans les analyses statistiques multivariées.

Monsieur le Dr William Fauquette, aux conseils avisés et à l’écoute… psychologue.

Je remercie également les nombreuses personnes qui ont œuvré, plus ou moins dans l’ombre, à un moment ou à un autre : Aurélie J., Audrey D., Laure B., Sébastien F., Tiphaine Z.,… sans oublier les animaliers, garants du bien-être de nos ‘n’ sujets : David B., David C. &

David P., Alexandre Z., Maud F., Stéphane G. et bien sûr Hervé Ch., sans oublier M. d’Aléo, chef de service.

Enfin, je remercie tous ceux que j’ai côtoyés et qui m’ont apporté leur soutien ou leur ferveur scientifique : Eric V., Jean-Nicolas T., Diane A., Francis H., David Cr., Jean-François M., Fabien F., Florian N. et tous les VSSA, compagnons de garde, ainsi que tout le personnel du Département de Radiobiologie et plus généralement du CRSSA.

Je passe le témoin à Céline C. pour la dernière ligne droite, avec tango mais sans tangage !

Que ce travail clôture non pas la démarche scientifique qui le sous-tend, mais cette

période difficile pour la famille. A Patricia, qui me supporte dans les deux sens du terme, et à

mes trois enfants, Aurélie, Julien, et Paul, né en même temps que le début de ce travail… En

espérant que mes absences et sautes d’humeur n’aient entraîné chez eux aucune… séquelle.

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS ... 5

TABLE DES MATIERES... 9

LISTE DES ABREVIATIONS ... 13

INTRODUCTION GENERALE... 19

1. N

OTIONS DE RADIOBIOLOGIE

... 25

1.1. Généralités ...25

1.2. Les effets nocifs des rayonnements ionisants...26

1.3. Les effets biologiques des rayonnements ionisants ...30

2. R

ADIOSENSIBILITE DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL

... 40

2.1. Le dogme : radiorésistance du SNC ...40

2.2. Neurogenèse ...41

2.3. Importance des cellules gliales dans le fonctionnement cérébral ...43

2.4. Effets neurologiques radio-induits...44

3. M

ETABONOMIQUE ET

RMN HRMAS

DU TISSU CEREBRAL

... 54

3.1. Principes de la RMN...54

3.2. La RMN HRMAS...54

3.3. Les métabolites observables en RMN HR-MAS...58

4. O

BJECTIF DES TRAVAUX

... 67

MATERIELS ET METHODES ... 73

1. A

NIMAUX

... 73

2. I

RRADIATION

... 73

3. T

ESTS COMPORTEMENTAUX

... 75

3.1. One-Way avoidance test, ou test d’évitement actif unilatéral ...76

3.2. Two-Way avoidance test, ou test d’évitement bilatéral...77

3.3. Paramètres mesurés ...77

4. E

SSAIS THERAPEUTIQUES A VISEE NEUROPROTECTRICE

... 78

4.1. Ramipril ...78

4.2. Amifostine ...79

5. É

TUDES HISTOLOGIQUES

... 80

5.1. Prélèvements...80

5.2. Techniques de marquage sur coupes cérébrales ...80

6. A

NALYSES PAR

R

ESONANCE

M

AGNETIQUE

N

UCLEAIRE

... 87

6.1. Prélèvements...87

6.2. RMN HRMAS ...88

6.3. RMN du liquide ...91

7. A

NALYSES STATISTIQUES

... 94

7.1. Tests paramétriques et non paramétriques...94

7.2. Analyses multi-variées type ACP et PLS-DA ...95

8. P

ROTOCOLES D

’

ETUDES

... 96

RESULTATS EXPERIMENTAUX... 101

1. É

TUDE

A : E

TUDE HISTOLOGIQUE AUX DELAIS PRECOCES APRES

ICT

A

4,5 Gy ... 101

1.1. Objectif ...101

1.2. Protocole ...101

1.3. Résultats : étude histologique ...102

1.4. Conclusions de l’étude A...107

2. É

TUDE

B : D

ELAIS PRECOCES A SEMI

-

TARDIFS APRES

ICT

A

4,5 Gy ... 109

2.1. Objectif ...109

2.2. Protocole ...109

2.3. Résultats...111

2.4. Conclusions de l’étude B ...141

3. É

TUDE

C : D

ELAI PRECOCE APRES

ICT

A DOSES LETALES

... 143

3.1. Objectif ...143

3.2. Protocole ...143

3.3. Résultats...144

3.4. Conclusions de l’étude C ...148

4. É

TUDE

D : D

ELAIS TARDIFS APRES

ICT

A

4,5 Gy (6 et 12 mois) ... 149

4.1. Objectif ...149

4.2. Protocole ...149

4.3. Résultats...151

4.4. Conclusions de l’étude D...163

5. É

TUDE

E : E

SSAIS THERAPEUTIQUE DE MOLECULES A VISEE RADIOPROTECTRICE

... 164

5.1. Objectif ...164

5.2. Protocole commun ...164

5.3. Résultats...166

5.4. C

ONCLUSIONS DE L

’

ETUDE

E...173

DISCUSSION... 177

1. P

HENOMENES CELLULAIRES PRECOCES RADIO

-

INDUITS

... 177

1.1. Apoptose radio-induite ...178

1.2. Neurogenèse radio-induite...179

2. P

ERMEABILITE DE LA

BHE ... 180

3. C

OMPORTEMENT ET MEMOIRE

... 182

3.1. Amaigrissement radio-induit ...182

3.2. Stress induit par la mise en contention ...182

3.3. Mémoire et Apprentissage...183

4. M

ETABOLITES CEREBRAUX ET TECHNIQUE DE

RMN HRMAS ... 184

4.1. Technique de RMN HRMAS – avantages et limites...184

4.2. Variations métaboliques et dysfonctionnement cognitif ...187

4.3. D

OSES LETALES

DL

_50/30j

et DL

_99,9/30j

...196

5. T

RAITEMENTS

:

MOLECULES A VISEE NEUROPROTECTRICE

... 196

5.1. Agent radioprotecteur : l’amifostine (WR-2721) ou Ethyol

^®

...197

5.2. Inhibiteur de l’enzyme de conversion : le Ramipril ...200

6. M

ETHODOLOGIE

... 203

6.1. Modèle animal - limites ...203

6.2. Statistiques sur petits effectifs ...204

PERSPECTIVES ... 206

1. É

TUDE STATISTIQUE MULTI

-

VARIEE DES SPECTRES

HRMAS ... 206

1.1. Étude du spectre RMN par « bucketing »...206

1.2. Données sur le vieillissement ...207

2. D

E LA METABOLOMIQUE A LA METABONOMIQUE

... 207

3. A

PPLICATION A L

’

IN VIVO

:

PRONOSTIC PAR SPECTRO

-IRM... 209

4. M

OLECULES RADIOPROTECTRICES

... 211

CONCLUSION GENERALE... 217

COMMUNICATIONS ... 223

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 229

LISTE DES ABREVIATIONS

13C Carbone-13

31P Phosphore-31

1H Proton-1 Ace Acétate

ACP Analyse en composantes principales Ala Alanine

ANOVA ANalysis Of VAriance Ant. Antérieur

Asp Aspartate

ATP Adénosine triphosphate BHE Barrière hémato-encéphalique BrdU 5-bromo-2’-deoxyuridine CDCl3 Chloroforme deutéré CD3OD Méthanol deutéré Cho Choline

"Cho" Composés à choline (Cho, PC, GPC) COSY COrrelation SpectroscopY

CP Composante Principale

CPMG Carr-Purcell-Meiboom-Gill (séquence RMN) Cr Créatine

"Cr" Composés dérivés de la créatine (Cr, PCr et créatinine) CV Coefficient de Variation

DAB 3,3’-diamino-benzidine

D2O eau deutérée (les atomes d’hydrogène sont remplacés par des deutérium) EPO Erythropoietin

FDR

Facteur de réduction de dose

G-CSF Granulocyte-colony stimulating factor GABA γ-Aminobutyric acid

Gln Glutamine Glu Glutamate Gly Glycine

GPC Glycérophosphorylcholine GSH Glutathion réduit

GSSG Glutathion oxydé

His Histidine

HR-MAS High-Resolution Magic Angle Spinning (haute résolution avec rotation à l’angle magique)

ICT Irradiation corporelle totale (ou TBI, total-body irradiation) IEC Inhibiteur de l’enzyme de conversion

IET Irradiation encéphalique totale (ou WBI, whole-brain irradiation) IRSN Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire

j-MRUI Java-based version of the Magnetic Resonance User Interface (MRUI) Lac Lactate

MPA Acide méthylphosphonique m-Ins Myo-Inositol

mRT mean Response Time NAA N-acétylaspartate

NAAG N-acétylaspartylglutamate NAC N-acétylcystéine

OW One-Way (test) PC Phosphorylcholine PCr Phosphocréatine

PE Phosphoryléthanolamine Phe Phénylalanine

PLS-DA Partial Least Squares Discriminant Analysis PLT Potentialisation à long terme

Post. Postérieur RF radiofréquence

RMN Résonance Magnétique Nucléaire s-Ins Scyllo-Inositol

SCF Stem cell factor

SEM Standard Error Mean ( = écart-type/racine(n)) SNC Système Nerveux Central

T1 Temps de relaxation longitudinale T2 Temps de relaxation transversale Tau Taurine

TSP (sodium) 3-trimethylsilyl propionate

TUNEL TdT (Terminal déoxynucleotidyl transferase-) mediated dUTP-biotin Nick End Labelling TW Two-Way (test)

US Ultra-Son

____________________________

INTRODUCTION GENERALE

_________________________

INTRODUCTION GENERALE _________________________

Dans le contexte international actuel, l'utilisation d'armes nucléaires ou radiologiques lors d'un conflit armé ou d'attentat terroriste est loin d'être improbable. Pour les personnels exposés à des doses non létales se posera alors le problème de l'existence de séquelles, en particulier au niveau du système nerveux central. Ces dysfonctionnements cognitifs sont particulièrement bien décrits par les neurologues assurant le suivi des patients de radiothérapie soumis à des expositions céphaliques à fortes doses (Soussain, Ricard et al.

2009), mais ils sont aussi très fortement suspectés dans le cas d’irradiations corporelles totales ou localisées survenues lors d’accidents nucléaires civils, en particulier au décours de l’accident de Tchernobyl (Loganovsky and Yuryev 2004; Gamache, Levinson et al. 2005).

De même, l’existence de telles séquelles, occasionnées par l’utilisation d’armes nucléaires lors d’un conflit mais aussi par la dispersion de sources scellées dans le cadre du terrorisme nucléaire et radiologique (‘NR’ du risque NRBC), n’est pas à exclure.

Enfin, récemment est paru un rapport

¹

de la FDA (Food and Drug Administration) américaine alertant sur le risque d’irradiation lors des tomodensitométries cérébrales (scanners cérébraux). Une série de 206 patients a reçu une dose cumulée jusqu’à 8 fois la dose tolérée sur une période de 18 mois dans un centre, soit 3 à 4 Gy au lieu de 0,5 Gy.

Certains patients ont présenté un érythème du visage et une alopécie. Par ailleurs, le National Council on Radiation Protection and Measurements a constaté un niveau moyen d’exposition aux radiations ionisantes multiplié par 6 depuis les années 80 (Fazel, Krumholz et al. 2009).

Bien que ces séquelles ne constituent pas, le plus souvent, un risque vital pour les personnels, elles doivent être décrites et les mécanismes de leur genèse doivent être étudiés afin :

1°) d’améliorer les moyens diagnostiques et pronostiques ;

2°) de contribuer à la recherche de traitements curatifs précoces, voire préventifs ; 3°) d’anticiper des questions de contentieux.

1 Medscape neurology FDA :http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/AlertsandNotices/ucm185898.htm

Dans leur article de 2004, Stone et al. soulignent particulièrement l’intérêt d’étudier l’ensemble des mécanismes qui vont conduire des atteintes radio-induites précoces au développement de séquelles tardives manifestes et invalidantes pour l’individu (Stone, Moulder et al. 2004). Actuellement les mécanismes radio-chimiques, moléculaires, cellulaires voire tissulaires précoces ont fait l’objet de nombreux travaux permettant une assez bonne compréhension des altérations radio-induites précoces occasionnées à cinq tissus : système hématopoiétique, système gastro-intestinal, rein, poumon et système nerveux central

²

(SNC). Mais il existe peu de travaux portant sur les mécanismes assurant le lien entre ces atteintes précoces et le développement d’effets retardés. La connaissance de ces mécanismes apparaît pourtant essentielle au développement de moyens thérapeutiques préventifs, curatifs ou palliatifs destinés à améliorer la qualité de vie des personnes irradiées, que ce soit dans le cadre de la radiothérapie ou lors d’un accident à caractère radiologique.

Notre projet a donc pour but de décrire, au niveau cérébral, des événements survenant au niveau cellulaire, moléculaire et intégré, puis de rechercher si certains des paramètres descriptifs peuvent être des marqueurs permettant de prévoir la survenue des séquelles cognitives radio-induites ; ces troubles sont classiquement décrits pour des doses d’exposition céphalique élevées, mais existent également à la suite d’une exposition corporelle totale à dose non létale, comme cela pourrait être observé lors d’un accident ou d’un acte de terrorisme.

L’originalité de ce travail est ainsi de pouvoir explorer, à partir des études in vivo chez le Rat (tests comportementaux), d’une part les phénomènes histopathologiques initiaux et semi-tardifs après irradiation globale aiguë sublétale, et d’autre part les variations des concentrations relatives des lipides ainsi que de dix-huit métabolites, mesurées à différents délais post-exposition au sein des structures cérébrales par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Cette étude s’intègre dans un programme de recherche plus vaste, visant à la compréhension des différents mécanismes cellulaires et moléculaires pouvant être à l’origine des anomalies neurologiques radio-induites. Notre équipe et celles avec lesquelles nous avons collaboré disposent pour cela d’un modèle expérimental commun éprouvé (rat Wistar mâle adulte), validé pour différents types d’exposition aux rayonnements ionisants, et pour

2 Le système nerveux central, ou SNC, est constitué du cerveau et du cervelet d’une part, protégés par la boîte crânienne et composés majoritairement de substance grise, et du tronc cérébral et de la moelle épinière d’autre part, composés majoritairement de substance blanche. C’est un centre d’intégration des informations sensorielles et un centre de décisions permettant la coordination motrice et le fonctionnement de tous les organes. Dans la suite de ce travail, l’étude du SNC se limitera à l’encéphale.

lequel ont déjà été observés des troubles cognitifs radio-induits tardifs (Lamproglou, Chen et al. 1995; Lamproglou, Boisserie et al. 2000; Lamproglou, Djazouli et al. 2003). Par ailleurs, l’équipe de biophysique de l’Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) participe au développement d’un logiciel de quantification à partir de spectres hautement résolus acquis par RMN grâce à une sonde spécifique (High Resolution by Magic Angle Spinning, ou HRMAS) (Rabeson, Ratiney et al. 2007). La RMN HRMAS est une technique initialement développée dans le domaine de la chimie et de la physique ; appliquée à la biologie, elle permet néanmoins de s’affranchir des étapes classiques d’extraction, propres à la RMN liquide « classique » et dont le rendement faible exige un échantillon en quantité importante. Dans notre cas, cette technique RMN à haute résolution a permis l’identification et la quantification relative des métabolites les plus concentrées dans les structures biologiques étudiées.

Enfin, certaines molécules testées ont montré leur potentiel radioprotecteur sur le SNC (Lamproglou, Magdelenat et al. 1998; Lamproglou, Djazouli et al. 2003), l’objectif à terme étant de déterminer quelles molécules auraient le meilleur rapport bénéfice/risque dans un cadre prophylactique et/ou curatif lors d’un événement à caractère radiologique.

Par conséquent, nous nous sommes proposés d’utiliser ces compétences afin de :

A) Mieux comprendre la physiopathologie des perturbations tardives radio-induites par la recherche de corrélations entre les anomalies comportementales observées tardivement après irradiation et des marqueurs précoces traduisant une atteinte du SNC au niveau :

- du métabolisme cérébral,

- des phénomènes apoptotiques et de prolifération cellulaire du SNC, - de la barrière hémato-encéphalique (BHE).

B) Traiter ou prévenir ces anomalies tardives en utilisant les données obtenues précédemment.

Pour cela, nous avons procédé à cinq expérimentations in vivo, distinctes bien que

cohérentes et découlant l’une de l’autre, qui comportent pour la majorité d’entre elles un

volet comportemental et, selon le délai d’étude envisagé et le but recherché, une analyse

immuno-histochimique et/ou une analyse métabolique par RMN HRMAS portant sur cinq

structures cérébrales différentes.

__________________________________________

CHAPITRE I – ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

______________________________________

CHAPITRE I - ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE ______________________________________

Dans cette partie, et après avoir rappelé quelques notions de radiobiologie, nous passerons en revue successivement les effets des rayonnements ionisants sur le système nerveux central (SNC), puis la technique de RMN HRMAS avant d’aborder les métabolites cérébraux ainsi analysés.

1. NOTIONS DE RADIOBIOLOGIE

1.1. G

ENERALITES

Il existe deux grands groupes de rayonnements (figure 1) : les rayonnements non ionisants (ondes radioélectriques, infrarouge, lumière visible et ultraviolet) et ionisants (rayons X, rayons

γ et rayonnements particulaires tels que particules α, β, neutrons et ions

lourds). Ces derniers peuvent être directement ou indirectement ionisants.

Figure 1 : Rayonnements selon leur longueur d’onde (échelle des ordonnées exprimée en angström Å).

Les rayonnements indirectement ionisants (γ et X) peuvent parcourir de longs trajets dans la matière sans être totalement absorbés, ce qui leur confère un pouvoir hautement pénétrant.

Les rayons γ sont des rayonnements électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière. Leur énergie est transportée sous forme de photons. Les photons ne provoquent pas une activation directe de la matière, mais sont absorbés par celle-ci, entraînant l'expulsion des électrons des orbites atomiques périphériques : c'est l'ionisation. La dose absorbée par la matière est l'énergie globale absorbée par unité de masse de matière ; son unité dans le système international est le Gray (Gy) : 1 Gy = 1 joule/kg = 100 rads (ancienne unité). L'effet biologique du rayon γ dépend à la fois du volume irradié, de la dose absorbée, du débit de dose (dose délivrée par unité de temps, exprimé habituellement en Gy/min) et de la distribution microscopique de la dose au sein des tissus. Quant à la distribution de la quantité d'énergie absorbée, elle est caractérisée par le Transfert Linéique d'Énergie (TLE), lequel varie en fonction de la nature et de l'énergie du rayonnement. Le TLE exprime l'énergie perdue par le rayonnement par unité de longueur de trajectoire, il est exprimé en keV/m. Les rayons γ sont des rayons à faibles TLE, c'est-à-dire à faible densité d'ionisation.

Dans le cas du cobalt, source dont nous avons disposé pour nos expérimentations, l’isotope radioactif du

⁶⁰

Co se transforme en nickel (

⁶⁰

Ni*) en libérant tout d’abord un électron (rayonnement β

^-

) ; ce nouvel atome, instable car d’un niveau énergétique trop élevé, se désexcite par transition isomérique en émettant deux photons γ dont les énergies de 1,17 et 1,33 MeV sont caractéristiques du radionucléide émetteur. Par ailleurs, la radioactivité, propriété qu’ont certains atomes instables de se désintégrer, se caractérise par la période du radio-élément, c’est-à-dire le temps au bout duquel la moitié des atomes s’est désintégrée ; elle varie selon l’inverse de la constante radioactive λ : T = ln2/λ. Dans notre cas, le

⁶⁰

Co a une période de 5,27 ans.

1.2. L

ES EFFETS NOCIFS DES RAYONNEMENTS IONISANTS

Les effets nocifs des rayonnements ionisants sont connus depuis plus d’un siècle, avec

la notion du premier cancer radio-induit décrit en 1902 chez un employé d’une fabrique de

tubes à rayons X. Ces derniers furent découverts par Wilhem Röntgen

(1845-1923, prix Nobel en 1901)

en 1895, un an avant l’observation de la radioactivité naturelle de l’uranium par le

français Henri Becquerel

(1852-1908, prix Nobel en 1903, conjointement avec les époux Curie)

.

En 1897, le britannique Ernest Rutherford

(1871-1937, prix Nobel en 1908)

constate que ces radiations se comportent différemment, certaines traversant une feuille d’aluminium, d’autres pas : il définit ainsi les rayons alpha (α), composés d’un noyau d’hélium, et les rayons bêta (β

⁻

). En 1900, le physicien français Paul Villard découvre les rayons gamma (γ). L’existence du neutron sera bien plus tardive, révélée en 1932 par un autre physicien britannique, James Chadwick.

La découverte du polonium et du radium par les époux Pierre et Marie Curie

(1859-1906 et 1867-1934 respectivement),

deux éléments radioactifs inconnus jusqu’alors, et plus généralement leurs travaux sur la radioactivité, allaient révolutionner le XX

^ème

siècle, mais aussi faire apparaître le danger des rayonnements émis par ces noyaux radioactifs. Ainsi, dès 1928 étaient proposées les premières normes de radioprotection par la Commission Internationale de Protection contre les Rayonnements Ionisants (Gallé et Paulin, Abrégés de Radiobiologie, éd. Masson 1992), avant même la découverte en 1934 des radioéléments artificiels (et des rayons

β⁺

) par Irène et Frédéric Joliot-Curie

(1897-1956 et 1900-1958 respectivement, prix Nobel en 1935)

.

Une irradiation peut être accidentelle ou volontaire, principalement dans un but médical à visée diagnostique ou thérapeutique.

Parmi les expositions accidentelles, celles liées à l’utilisation de la radioactivité dans un but industriel sont prépondérantes. Il ne faut pas méconnaître les nombreuses applications aujourd’hui présentes dans la vie quotidienne : jauges, stérilisation de matériels ou de produits alimentaires, gammagraphies de soudure, détecteurs à incendie, centrales nucléaires…

Par ordre de fréquence, les surexpositions aux rayonnements X ou

γ sont

prépondérantes. Suivent les accidents par rayonnement β d’énergie supérieure à 100 keV, et

enfin ceux induits par les neutrons. Ces expositions peuvent être diagnostiquées très

rapidement en raison d’un incident technique patent, ou au contraire passer inaperçues dans

un premier temps. La présence d’une trilogie symptomatique, souvent séquentielle, doit faire

évoquer un syndrome d’exposition aiguë aux rayonnements ionisants : syndrome gastro-

intestinal (douleurs abdominales, diarrhées simulant une gastro-entérite), leuco-neutropénie

et thrombopénie entraînant de facto infections et saignements d’origine diverse (plaie

minime, saignement gingival, des muqueuses), et enfin lésions cutanées (à type d’érythème

plus ou moins localisé pouvant aboutir à des phlyctènes ou à une nécrose, dépilation inexpliquée).

Parmi les dernières expositions accidentelles recensées dans le monde, nous pouvons citer celles ayant nécessité le transfert des victimes sur l’hôpital d’instruction des armées Percy :

o

Chili fin 2005 : 3 ouvriers manipulent sans le savoir une source d’iridium (

¹⁹²

Ir) perdue la veille sur un chantier. L’ouvrier de 26 ans qui la mettra dans sa poche de pantalon présentera un syndrome aigu d’irradiation ainsi que de graves blessures à la fesse gauche et aux doigts. La dosimétrie biologique révèlera une dose estimée à 1600 Gy au centre et 20 Gy en périphérie de la lésion fessière, 13 Gy au niveau de la crête iliaque, 8 Gy au niveau de l’émail dentaire et 2,9 Gy au niveau des cellules sanguines circulantes. Expatrié en France, il subira plusieurs interventions chirurgicales à type d’excisions-recouvrement des deux zones fortement lésées, ainsi qu’une injection autologue de cellules souches mésenchymateuses qui améliorera sensiblement les troubles trophiques. Il rentrera dans son pays 5 mois plus tard, en voie de cicatrisation (Lataillade, Doucet et al. 2007).

o

Belgique (Fleurus) 2006 : un technicien d’une cellule d’irradiation industrielle (stérilisation de matériel) pénètre dans le local après avoir déverrouillé les alarmes.

Exposé à la source de

⁶⁰

Co (30 000 TBq) pendant une vingtaine de secondes, les premiers symptômes, 24 heures plus tard, passent pour un dérangement gastro- intestinal. Ce n’est que trois semaines plus tard que le médecin du travail fait le rapprochement entre l’alopécie naissante et surtout la dépilation pubienne, et le métier de l’employé. La surexposition estimée à plus de 4 Gy par l’institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) entraînera une aplasie profonde (leucocytes < 600/mm

³

, plaquettes < 4000/mm

³

). Quatre semaines après l’irradiation, il bénéficiera d’une injection de cytokines (G-CSF, EPO, SCF).

o

Sénégal et Côte d’Ivoire 2006 : une source d’

¹⁹²

Ir de gammagraphie, coincée dans

la gaine de protection de l’appareil, a irradié plusieurs personnes dans deux pays

différents (colis postal) pendant plusieurs semaines. Quatre personnes présentant

des lésions localisées ont été transférées en France ; un employé exposé à la tête a

présenté des perturbations électro-encéphalographiques (EEG). La dose reçue a été

estimée entre 1 et 2,3 Gy pour les plus atteints (Bertho, Roy et al. 2008; Bertho,

Roy et al. 2009).

Comme on peut le constater par ces exemples, la majorité des accidents radiologiques proviennent du secteur industriel (51 %), 20 % du monde de la recherche, 13 % du nucléaire civil, 11 % surviennent dans le domaine médical et 5 % dans le secteur militaire.

L’exposition externe est en majorité purement localisée (plus de 50 % des cas), globale dans 24 % dont hétérogène pour un tiers des cas, mixte dans 9 % ; l’exposition est interne (contamination) dans 9 % des cas, et combinée dans la même proportion (Chambrette 2001).

Les expositions médicales à forte dose sont, actuellement, principalement liées à la radiothérapie (RT), utilisée couramment en cancérologie mais qui a également d’autres indications encore aujourd’hui.

Ainsi pour le traitement par occlusion des malformations artério-veineuses (MAV) cérébrales, des études récentes font le point sur les différents protocoles de RT stéréotaxique.

Lindvall et al. mettent en balance la meilleure efficacité d’une dose fractionnée de 35 Gy vs 30 Gy, avec le risque accru de voir apparaître une radionécrose cérébrale symptomatique (Lindvall, Bergstrom et al. 2010). Jones et al. , pour des MAV d’un volume supérieur à 10 mL, préconisent une radiochirurgie en deux temps, en diminuant la dose unitaire, ce qui fait passer le taux de troubles neurologiques radio-induits de 27 à 14 % (Jones, Jang et al.

2007).

Récemment en France, ont été mis en lumière des accidents de surexposition lors de séances de radiothérapie. Depuis une quinzaine d’années, grâce aux progrès techniques (Rahman, Murad et al. 2009), l’on assiste à la disparition des sources de « cobalt » au profit des accélérateurs linéaires (rayons X) ; toutefois, cette modernisation s’est faite parfois au détriment de la formation du personnel et du recrutement de plus de spécialistes. A l’hôpital d’Épinal, entre 1999 et 2006, ce sont plus de 400 patients qui auraient été surexposés dont 24, traités pour un cancer de la prostate, ayant subi une sur-irradiation de 20 % (Peiffert, Simon et al. 2007), tandis qu’à Toulouse, c’est 145 malades traités par radiochirurgie intracrânienne entre avril 2006 et avril 2007 qui ont été surexposés en raison de la mauvaise configuration du logiciel de dosimétrie, entraînant un calibrage inadapté du collimateur.

Historiquement, l’irradiation eut des indications telles que la teigne de l’enfant, avec

des conséquences neurologiques non négligeables : Mottram en 1949 justifiait cette

radiothérapie crâniale à 3 Gy/jour pendant 4 jours (12 Gy au total) par l’efficacité qu’elle

apportait (The most efficacious form of therapy for M. audouini infections is roentgen

epilation), et notait la survenue, chez ces patients âgés en moyenne de 7 ans, d’érythèmes

faciaux, de quelques malaises, et de seulement 2,4 % de nausées et vomissements. Ce pourcentage pouvait grimper à 40 % en cas de dose délivrée en un seule fois (Mottram and Hill 1949). Vingt ans plus tard, les études épidémiologiques relataient de nombreux cancers radio-induits (Albert, Omran et al. 1966), et encore récemment des études sont publiées sur les conséquences à long terme (plus de 40 ans) de ce traitement radical : tumeurs neuroendocrines et cancers multiples (Benbassat and Olchovsky 2003), méningiomes (Gosztonyi, Slowik et al. 2004), etc.

Les expositions médicales à faible dose sont délivrées lors des actes diagnostiques.

Toutefois, il est de plus en plus admis que de faibles doses cumulées dans le temps, ou les doses délivrées lors d’actes diagnostiques particuliers tels que les scintigraphies ou les tomographies par émission de positron (TEP), sont à prendre en compte dans l’historique du patient.

1.3. L

ES EFFETS BIOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS IONISANTS

La description des mécanismes lésionnels radio-induits peut se faire à différents niveaux, tant sur une échelle temporelle que structurelle.

Les rayonnements, en traversant la matière vivante, lui cèdent des paquets d’énergie.

Ceux-ci provoquent des phénomènes élémentaires physiques puis chimiques qui, à leur tour, induisent des lésions cellulaires et, par voie de conséquence, tissulaires.

1.3.1. Phénomènes élémentaires

On oppose classiquement les effets directs, produits par l’ionisation suite au dépôt d’énergie sur ou à proximité d’une liaison atomique, et les effets indirects, liés à une ionisation secondaire à la rencontre d’un radical libre et d’une molécule.

Sur le plan temporel, les mécanismes élémentaires d’absorption des rayonnements ionisants par la matière peuvent être décomposés en deux types.

1.3.1.1. Les événements physiques initiaux

Ils constituent une phase de réactions élémentaires, très courtes, de l'ordre de 10

^-15

seconde, correspondant à l'interaction du rayonnement avec les atomes et les molécules du

tissu (ionisations et excitations). Lors de collisions avec les atomes du milieu, les photons

mettent en mouvement des électrons auxquels ils transfèrent leur énergie. Ceux-ci exercent

une force de répulsion électrique sur les électrons périphériques des atomes lorsqu’ils passent

à proximité. Ils peuvent ainsi soit faire sauter ces électrons sur une orbite plus périphérique (excitation), soit les éjecter hors de l’atome (ionisation). Ces interactions entraînent des transferts d’énergie de valeur relativement élevée (10 à 100 eV), groupés le long de la trajectoire des électrons, à des distances relativement courtes les uns des autres (une dizaine de nm), leur conférant une grande efficacité. Les rayonnements particulaires provoquent les mêmes excitations et ionisations le long de leur trajectoire mais à des distances beaucoup plus courtes.

1.3.1.2. Les phénomènes radiochimiques

Ils constituent une phase de réactions chimiques (fraction de seconde à plusieurs heures), où l’ionisation d’un atome à l’intérieur d’une molécule entraîne en général la rupture de celle-ci, et les fragments ainsi formés, appelés radicaux libres, sont chimiquement très

« actifs ». Ils sont capables de réagir entre eux ainsi qu’avec d’autres molécules, initiant ainsi diverses réactions chimiques.

L’eau est le constituant majeur de la matière vivante. La grande majorité des radicaux libres produits dans cette matière résultent donc de l’éjection d’électrons de la molécule d’eau et sont responsables de plus de 80 % de l’énergie déposée dans les cellules par les rayonnements ionisants.

Dans un premier temps (figure 2), la radiolyse de l'eau produit un certain nombre d’espèces réactives dont les premières sont les radicaux hydrogène (H

^•

) et hydroxyle (HO

^•

), hautement réactifs, à l’origine de plus de la moitié des lésions moléculaires.

Figure 2 : Formation en cascade des différentes espèces réactives de l’oxygène (ERO) à partir du radical superoxyde (tiré de Koechlin-Ramonatxo, 2006).

Secondairement, ces espèces peuvent réagir avec l’oxygène, favorisant l’apparition d’oxydants très puissants comme le peroxyde d’hydrogène (H

₂

O

₂

) et les radicaux peroxyles (HO

₂^•

) ou encore l’anion superoxyde (O

₂^•-

) (Nikjoo, O'Neill et al. 1994).

1.3.2. Cibles moléculaires des rayonnements ionisants

Toutes les molécules biologiques peuvent être altérées mais les molécules d’acide désoxyribonucléique (ADN), sont celles dont la lésion est la plus grave pour la vie cellulaire.

1.3.2.1. L’ADN

Suite à la radiolyse de l’eau, environ 60 à 70% des dommages cellulaires de l’ADN produits par une irradiation ionisante sont causés par les HO

^•

, le reste étant le résultat d’effets directs de l’irradiation sur la molécule d’ADN. Les dommages les plus fréquents sont dans l’ordre : les lésions simple brin, les modifications des bases, les lésions double brin et les pontages ADN-protéines, beaucoup plus rarement, la destruction des sucres (Goodhead 1994). Bien que les cassures simple brin de l’ADN soient les plus observées, les cassures double brins sont corrélées avec les effets cytotoxiques de l’irradiation ionisante et sont considérées comme la cause première de létalité. Ces cassures double brin peuvent être franches ou causées lors de la réparation des lésions multiples de l’ADN simple brin par le système "excision resynthèse" (BER, Base Excision Repair) (Wallace 1998). Si la lésion radio-induite bloque le passage des ADN-polymérases - cas des cassures double brin notamment, la lésion est potentiellement létale. D’autre part, l’insertion d’une base incorrecte est susceptible d’engendrer des mutations. Les conséquences sont donc, à terme et selon la survenue de l’événement dans le cycle cellulaire, la mort cellulaire, la perte de matériel génétique ou des aberrations chromosomiques (Shikazono, Noguchi et al. 2009).

1.3.2.2. Les protéines

Depuis Latarjet et Loiseleur en 1942 et les premières découvertes de la peroxydation

protéique par les rayons X via le peroxyde d’hydrogène (H

2

O

2

), nous savons qu’en milieu

oxygéné, l’effet de l’irradiation ionisante sur les protéines est principalement attribuable à la

formation des radicaux HO

^•

, O

₂^•-

et HO

₂^•

, qui cassent la liaison

α-hydrogène (Gebicki and

Gebicki 1993). Cela aboutit à la formation d’intermédiaires peroxydes dont la décomposition

entraîne le clivage de la liaison peptique (Stadtman 1993; Stadtman, Oliver et al. 1993). Tous

les acides aminés sont sujets à l’attaque radicalaire mais les acides aminés aromatiques

(comme le tryptophane) et sulfurés (comme la cystéine) sont les plus sensibles (Svistunenko

2005). Ces peroxydes entraînent également une consommation accrue du glutathion intracellulaire et, de fait, une diminution de la viabilité cellulaire (Rahmanto, Morgan et al.

2010).

Dans des conditions anaérobies, il n’est que rarement observé de clivage peptidique. En revanche, on observe la formation de gros agrégats dus aux pontages disulfures protéine- protéine (-S-S-). Récemment a également été démontré le couplage protéine-glutathion (PSSG) lequel, de fait, empêche la fonction de la protéine ; ce phénomène serait à l’origine de l’opalescence du cristallin, i.e. la cataracte radio-induite (Lou 2003). Outre ces changements structuraux affectant les protéines, il existe également des changements de l’hydrophobicité et de la viscosité, une diminution du point isoélectrique, une augmentation de leur sensibilité à la protéolyse, une altération du pouvoir rotatoire ou encore, dans le cas de certaines enzymes, une perte de l’activité catalytique.

1.3.2.3. Les lipides

L’irradiation est susceptible, par l’intermédiaire des diverses espèces réactives de

l’oxygène (ERO) qu’elle génère, d’induire une peroxydation lipidique des phospholipides

polyinsaturés, des glycolipides ou du cholestérol contenus dans les membranes, des

lipoprotéines et d’autres structures contenant ces lipides. La peroxydation lipidique consiste

principalement en la formation d’hydroxyperoxyde lipidique (LOOH), à partir d’un lipide

(LH), suite à l’attaque d’un radical HO

^•

. Ces hydroxyperoxydes lipidiques donnent

naissance, en présence d’ions de métaux de transition, à de nouveaux radicaux entraînant des

réactions en chaîne (Girotti 1998). Les conséquences d’une peroxydation membranaire sont

multiples et comprennent entre autres, des modifications de la fluidité membranaire, une

désorganisation de la bicouche lipidique ou encore, une augmentation de la constante

diélectrique (Stark 1991; Strassle, Wilhelm et al. 1991; Stark 2005). Outre ces perturbations

structurales pouvant conduire à des modifications de la perméabilité membranaire, certains

auteurs semblent penser que la peroxydation lipidique, et plus particulièrement la présence

d’hydroxyperoxydes pourrait être impliquée dans la signalisation cellulaire conduisant à la

survie ou à la mort de la cellule. Enfin, l’oxydation des LDL (Low Density Lipoprotein) est

un autre exemple des dommages causés par la peroxydation lipidique puisqu’elle contribue

largement au développement de l’athérosclérose (Steinberg, Carew et al. 1989).

1.3.3. Atteintes cellulaires radio-induites

L’atteinte moléculaire des différents constituants cellulaires susmentionnés engendre a fortiori des modifications de certaines fonctions cellulaires comme le déroulement du cycle cellulaire, la perméabilité ionique membranaire ou le métabolisme cellulaire.

Mais le devenir de la cellule irradiée dépend pour l’essentiel du nombre et de la nature des lésions de l’ADN non réparées, et par conséquent de la dose et du débit de dose. Lorsque les lésions de l’ADN sont fidèlement réparées, l’effet de l’irradiation est faible. Lorsque les lésions sont non ou mal réparées, trois situations peuvent se présenter :

Perte de viabilité de la cellule

C’est l’incapacité de la cellule à se diviser et à donner naissance à des cellules viables et capables à leur tour de se diviser. Cette mort mitotique peut se manifester dès la première division cellulaire ou, plus fréquemment, au bout de quelques mitoses.

Élimination par apoptose

C’est le cas des cellules dont l’ADN a été imparfaitement réparé. Les effets tissulaires surviendront si le nombre de cellules mortes dans un tissu est suffisamment élevé. Cela explique la notion d’effets « à seuil » ; on distingue, parmi eux, les effets précoces et les effets tardifs.

Mutation

Une mutation qui persiste après division cellulaire peut entraîner une modification permanente du patrimoine héréditaire. Au niveau d’une cellule germinale, une mutation peut induire un effet génétique chez les descendants. Pour des cellules somatiques, une cellule mutée, si d’autres altérations du génome s’accumulent dans la même cellule, peut donner naissance à un cancer. Cependant, il existe des mécanismes de contrôle de la prolifération cellulaire et un système d’immunovigilance susceptible de reconnaître les cellules anormales et de les détruire, mais son efficacité n’est pas totale. Ceci explique la survenue d’effets aléatoires tardifs.

1.3.4. Atteintes tissulaires radio-induites

Auparavant, les normes de radioprotection prenaient en compte les effets tissulaires

immédiats, potentiellement à l’origine des effets tardifs, cancérogènes ou mutagènes. Depuis

les années 1950, les conséquences des rayonnements sur les organismes biologiques sont

décrites selon la dose absorbée par l’organisme. On détermine ainsi les effets probabilistes ou

stochastiques, qui surviennent de façon aléatoire pour les faibles doses, et les effets

déterministes, lesquels surviennent pour des doses plus importantes, de manière obligatoire au-dessus d’un seuil et pour tous les individus.

1.3.4.1. Les effets stochastiques (ou aléatoires, à long terme)

Les effets stochastiques peuvent survenir pour des doses faibles, de façon différée dans le temps (le plus souvent des années après l’exposition) et, par définition, de façon aléatoire pour un individu. En réalité, le profil génétique intervient grandement dans l’apparition de ces effets, phénomènes de cancérisation pour la majorité. En effet, si les effets déterministes proviennent de l’issue fatale des cellules irradiées, par apoptose immédiate ou mort mitotique différée, les effets stochastiques sont le résultat d’une accumulation de mutations viables pour la cellule, mais dont les conséquences sont l’immortalisation et la transformation d’une cellule, laquelle produit alors sa propre lignée.

Les principaux effets stochastiques sont la carcinogenèse, initiée par une mutation d’une cellule somatique, mais aussi les anomalies héréditaires, si la mutation touche une cellule germinative. Dans ces cas, la gravité ne dépend pas de la dose reçue mais seulement de la variété du cancer radio-induit et de son évolution. Toutefois, certains types de cancers semblent porter la signature de l’irradiation ; des outils moléculaires sont actuellement développés pour le confirmer, en particulier pour les cancers radio-induits de la thyroïde, typiquement de type papillaire (Goolden 1958; Cohen, Rovelli et al. 2001; Bounacer, Du Villard et al. 2002; Schneider and Sarne 2005).

Cependant, nous ne nous attarderons pas sur les effets stochastiques, la gamme de doses n’étant pas celle retenue dans notre étude.

1.3.4.2. Les effets déterministes (ou obligatoires, immédiats)

1.3.4.2.1. Généralités

Ils surviennent pour des doses importantes de radiations ionisantes, de manière obligatoire au-dessus d’un seuil (le plus souvent au-delà de 1 à 2 Gy), de façon stéréotypée et le plus souvent précocement par rapport à l’exposition, et ce quel que soit le profil de l’individu (figure 3).

Des doses supérieures à 1 Gy réduisent considérablement la prolifération cellulaire dans un tissu. Après un délai de quelques heures, les divisions cellulaires reprennent mais certaines d’entre elles sont anormales et donnent naissance à des cellules qui dégénèrent.

L’évolution ultérieure des lésions dépend de la dose et surtout des caractéristiques du

tissu irradié. En effet, des cellules incapables de se reproduire peuvent avoir une activité

fonctionnelle normale pendant de longues périodes, les lésions ne s’extériorisant que tardivement. La vitesse d’apparition des lésions dépend donc de la durée de vie des cellules du tissu. En effet, la constance du nombre de cellules dans un tissu adulte est due à un équilibre entre le nombre de cellules qui meurent et de celles qui naissent ; or, d’un tissu à l’autre, la durée de vie des cellules peut varier énormément. De plus, des mécanismes régulateurs accélèrent la vitesse de multiplication cellulaire dès qu’il y a une diminution notable du nombre de cellules viables présentes dans un tissu. Il résulte de ces observations que les dommages tissulaires s’exprimeront d’autant plus tôt que la demi-vie des cellules le constituant est courte.

Suite à une exposition à des rayonnements ionisants, et selon la localisation et l’importance de celle-ci (tableau 1), nous pouvons observer une atteinte cutanée (d’un simple érythème à la nécrose en passant par une dermite sèche ou exsudative), pulmonaire (fibrose, « pneumonie radique », insuffisance respiratoire), du cristallin (opacification), de la thyroïde (insuffisance) ou encore des gonades (stérilité).

Organe Dose (en Gy) Signes cliniques

3 érythème 8-12 épidermite sèche

12-20 épidermite exsudative Peau

25 nécrose

Poumon 8 fibrose

Cristallin 1 cataracte

Thyroïde 10 hypothyroïdie

0,2 stérilité transitoire

OGE 5 stérilité définitive

Tableau 1 : Effets déterministes aux différents organes selon la dose reçue (OGE : organes génitaux externes)

L’atteinte symptomatique des autres organes (foie, cœur, rein) avec retentissement

fonctionnel survient habituellement pour des doses supérieures à 30 Gy, pouvant alors

conduire au syndrome de défaillance multi-viscérale (ou MOF en anglais, pour multi-organ

failure). La fibrose, quant à elle, survient en général tardivement suite à l’atteinte vasculaire,

la vascularite entraînant une ischémie puis une nécrose et une réorganisation des tissus

déplétés en cellules.

Toutefois, la différentiation cellulaire constitue le critère majeur de sensibilité d’un tissu, selon la loi de Bergonié et Tribondeau édictée en 1906 (Bergonie and Tribondeau 2003). On classe en effet les cellules d’un tissu en trois compartiments : les cellules souches très radiosensibles, les cellules en voie de maturation et les cellules différentiées ou fonctionnelles qui ne se multiplient plus et sont donc insensibles à l’irradiation.

Ces éléments permettent de mieux comprendre l’évolution clinique précoce, décrite dans le cas du syndrome aigu d’irradiation survenant après une irradiation globale unique.

1.3.4.2.2. Le syndrome aigu d’irradiation

Il est décrit pour des doses d’exposition supérieures à 1 Gy. Son évolution clinique se distingue par deux phases symptomatiques séparées par une période de latence (figure 3), cinétique principalement due à l’atteinte des tissus compartimentaux, c’est-à-dire ceux comportant les trois types cellulaires : les cellules souches, le compartiment de maturation et les cellules différenciées.

Figure 3 : Effets déterministes : évolution clinique du syndrome d’irradiation globale aiguë en fonction de la dose (figure originale de Jean-Claude Nenot).

Une phase de symptômes initiaux survient dans les heures suivant l’irradiation, voire

les minutes si la dose reçue est potentiellement létale : nausées, vomissements, fatigue, maux

de tête, fièvre et chute de tension sont fréquents. Les nausées et vomissements sont

déclenchés principalement par la libération de neuromédiateurs tels que la dopamine,

l’histamine (récepteurs H1 et H2), l’acétylcholine et la sérotonine (récepteurs 5-HT3).

Après cette phase initiale de prodromes, survenant d’autant plus précocement que la dose est importante, s’ensuit une phase de latence plus ou moins prolongée, période durant laquelle les cellules survivantes continuent de jouer leur rôle et où les cellules en fin de différenciation deviennent fonctionnelles (période de prolifération terminée au moment de l’irradiation). Cette phase de latence est particulièrement bien illustrée par l’accident de Fleurus en Belgique (cf. paragraphe 1.2).

Puis survient une phase critique, moment où les cellules souches et les progéniteurs, décimés par les radiations ionisantes, auraient dû arriver au stade mature.

En-deçà de 1 à 1,5 Gy, il est classiquement admis qu’il n’existe pas de symptômes patents, seule la numération - formule sanguine (NFS) peut être modifiée. Au-delà de 3 Gy, les signes digestifs sont constants et le syndrome hématopoïétique survient après un délai de latence, en raison de l’atteinte de la moelle osseuse (voir la figure 3). Dans la plupart des livres de radiobiologie cependant (Bertin 1994; Tubiana 2008), l’atteinte du système nerveux central ne survient que pour des doses supérieures à 20 Gy, voire 40 Gy (figure 4).

Figure 4 : Schéma classique des « effets d’une irradiation aiguë selon la partie de l’organisme exposé » en fonction de la dose. Noter l’atteinte du SNC « seulement » pour une dose > 40 Gy.

(réf. : http://www.mesure-radioactivite.fr/public/IMG/pdf/effet_ray_ionisants.pdf)

Selon la dose reçue et l’importance des lésions tissulaires radio-induites, l’issue pourra être favorable pour le patient irradié, ou au contraire fatale.

La dose létale 50 % (DL

₅₀

), dose entraînant la mort de 50 % d’une population humaine irradiée en l’absence de traitement, est de l’ordre de 4,5 à 5 Gy corps entier (Tubiana, Radiobiologie éd. 2008, p. 380). Toutefois, la DL

₁₀₀

est de l’ordre de 6 Gy à 6,5 Gy en l’absence de toute antibiothérapie, transfusion voire greffe de moelle osseuse.

Nous allons successivement aborder les trois principaux syndromes en terminant par

l’aspect neurologique qui nous intéresse, tout en ayant conscience que, pour une irradiation

corporelle totale (ICT), ils pourront survenir concomitamment, avec une gravité fonction de

la dose (figure 3) et de l’état de santé initial de l’individu. Selon la dose reçue, l’état général

sera altéré, une prostration et un ralentissement idéo-moteur pourront également être constatés.

Le syndrome hématologique

C’est le syndrome qui survient le plus précocement, à partir d’une dose reçue supérieure à 2 Gy lors d’une irradiation corporelle totale. L’atteinte des cellules souches hématopoïétiques, cellules les plus radiosensibles selon la loi édictée par Bergonié et Tribondeau en 1906 (Bergonie and Tribondeau 2003), entraîne une pancytopénie : tout d’abord une leucopénie (neutropénie et lymphopénie) et une thrombocytopénie, susceptibles d’engendrer respectivement infections et hémorragies ; pour des doses plus importantes, une anémie peut également survenir (atteinte des érythrocytes), avec un délai de latence dû à la durée de vie des globules rouges.

La gravité de cette atteinte hématologique est fonction de la dose : à partir de 0,3 Gy, une lymphopénie temporaire régressant spontanément peut survenir ; pour 2 Gy, les lymphocytes chutent de moitié en quelques jours ; pour 3 Gy, ils diminuent des deux tiers ; au-delà de 8 à 10 Gy, le processus est irréversible avec destruction complète des cellules souches de la moelle osseuse ; c’est l’aplasie médullaire.

En conséquence, lors d’une irradiation accidentelle, une dose de 1 à 2 Gy

³

impose d’emblée une hospitalisation, au moins pour surveillance des paramètres sanguins. Au-delà de 2 Gy, le patient est pris en charge dans un service spécialisé d’hématologie voire un centre hospitalier de référence (Buisson 2004).

Le syndrome gastro-intestinal

Cliniquement, le syndrome gastro-intestinal est décrit chez l’Homme pour des doses supérieures à 5 à 8 Gy. Il est lié à l’atteinte des cellules souches des cryptes intestinales, très radio-sensibles. Il se caractérise par une détérioration progressive de la barrière intestinale conduisant à des pertes massives des fluides et des électrolytes, et à des bactériémies conduisant à un risque infectieux majeur. Le pronostic en est encore extrêmement sombre, en l’absence d’une greffe de moelle.

Fonctionnellement, l’atteinte de la muqueuse intestinale survient à partir de 1 à 2 Gy.

L’intestin grêle est le plus radiosensible, et des doses supérieures à 5 Gy peuvent entraîner des ulcérations et des perforations. A des doses moindres, une perte de l’appétit, des diarrhées et des pertes électrolytiques plus ou moins importantes surviennent néanmoins, ainsi que des nausées et vomissements.

3 Une dose de rayonnement gamma de 4,5 Gy chez le Rat entraîne un syndrome hématologique réversible.

Le syndrome neuro-vasculaire

Depuis longtemps, les effets d’une irradiation à forte dose (>40 Gy) sur le SNC sont connus. Cliniquement, il s’agit d’un syndrome neuro-vasculaire avec obnubilation, désorientation spatio-temporelle, apathie, aboutissant au coma puis à la mort, en quelques heures le plus souvent. S’y associent nausées et vomissements, d’autant plus précoces que la dose reçue est importante. Aucune thérapeutique n’est efficace à ces doses. Le SNC semble naturellement impliqué, aujourd’hui, dans l’évolution du syndrome de défaillance multi- viscérale (MOF), lequel survient pour une irradiation globale à forte dose, homogène ou hétérogène (Gourmelon, Marquette et al. 2005).

Bien que ce syndrome ne soit décrit que pour des doses très importantes, incompatibles avec la survie, un certain nombre d’éléments mettent en évidence une radiosensibilité du système nerveux central pour des doses non létales. Cette radiosensibilité est objectivée par des signes cliniques tardifs décrits principalement après irradiation céphalique à dose élevée, mais aussi précocement après exposition à des doses non létales d’exposition corporelle totale. Parallèlement, cette radiosensibilité du SNC apparaît également en l’absence d’une irradiation spécifique de l’encéphale, via les médiateurs de l’inflammation.

2. R ADIOSENSIBILITE DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL 2.1. L

E DOGME

:

RADIORESISTANCE DU

SNC

Considérant le non-renouvellement des neurones, la loi de Bergonié Tribondeau et le

rôle méconnu des cellules gliales, le système nerveux central fut considéré comme très

radiorésistant jusqu’aux années 1990-2000. L’histologie venait conforter ce dogme,

puisqu’elle ne montrait aucune atteinte cellulaire ou morphologique précocement après des

expositions à doses fortes. Toutefois, des données épidémiologiques complétées par des

travaux expérimentaux ont fait soupçonner qu’il n’en était rien, comme nous le décrirons ci-

dessous. Ainsi le développement de techniques de plus en plus sensibles et spécifiques a

permis de renverser le dogme de la radio-résistance du SNC, et a ouvert la voie à une

meilleure compréhension de la genèse d’effets secondaires indésirables à long terme. Ces

techniques permettent en particulier de prendre en compte les trois types cellulaires

contribuant au fonctionnement cérébral : les neurones, les cellules gliales et les cellules endothéliales.

2.2. N

EUROGENESE

Le dogme de l’absence de nouveaux neurones dans le cerveau humain adulte est en partie issu d’expériences menées sur primate dans les années 1960, notamment par Rakic qui mettait l’accent sur le développement synaptique pour expliquer la plasticité cérébrale. Les travaux de Altman et Das, en 1965, commencèrent à ébranler ce postulat, en rapportant chez le Rat adulte la naissance de nouvelles cellules dans des régions assez primitives du cerveau, en l’occurrence le système olfactif et le gyrus denté de l’hippocampe, sans distinguer toutefois les types cellulaires : neurones et glie (Altman and Das 1965; Altman and Das 1965). De même, Rakic et Sidman observèrent quelques années plus tard la migration de jeunes neurones le long de guides radiaux d’origine gliale (Sidman and Rakic 1973).

Dans les années 1980, Goldman et Nottebohm détectèrent l’apparition de nouveaux neurones dans le cerveau de canaris lors de l’apprentissage de nouveaux chants (Goldman and Nottebohm 1983; Paton, O'Loughlin et al. 1985). D’autres indices s’accumulaient, comme l’augmentation du poids du cerveau de rat suite à l’entraînement en labyrinthe. Mais le dogme de l’absence de nouveaux neurones dans le cerveau adulte persista jusqu’aux années 1990. A cette époque, Elizabeth Gould, qui étudiait les effets des stéroïdes sur le cerveau, observa avec perplexité des signes de la naissance de nouveaux neurones dans l’hippocampe de rat ; mais ses travaux n’attirèrent pas l’attention de la communauté scientifique (Gould, Daniels et al. 1992). Puis Gould et McEwen constatèrent que le stress diminuait la formation de ces nouveaux neurones dans le cerveau de rat (Gould, McEwen et al. 1997) (planche 1). Enfin en 1998, Eriksson, Gage et al. décrivent une neurogenèse chez l’Homme adulte, jusqu’à plus de 70 ans (Eriksson, Perfilieva et al. 1998).

Planche 1 : Groupe de cellules marquées à la BrdU dans la SGZ du gyrus denté (g : couche granulaire, h : hile) ; la barre noire représente 20 µm.

D’après Gould, 1997.