De la physico-chimie à la radiobiologie: nouveaux acquis (I)
Collaboration: - Laboratoire de Radiotoxicologie et Oncologie (L. Sabatier) CEA, DSV - Laboratoire de Génotoxicité et Modulation de l’Expression Génique (E.Sage) Institut Curie - Radiation and Genome Stability Unit (M. Hill, P. O’Neill, D. T. Goodhead) M. R. C. Harwell - Radiation Biology Group (A. Chatterjee) Lawrence Laboratory, Berkeley - Groupe de Physique des Solides (A. Chetioui) Université P6 Supports: EDF, CNES, France-Berkeley Fund
Problématique
-Quels sont les événements critiques à l’origine des effets biologiques des rayonnements ionisants ? - Quel est le rôle des ionisations en couche interne (K) des atomes de l’ADN dans l’induction de mort cellulaire et d’aberrations chromosomiques?
Chronologie des événements induits par une irradiation cassure simple-brin : cassure double-brin : dommage de base
réparation
mort cellulaire
incorrecte
instabilité à long terme carcinogenèse
mutations
transformation cellulaire
correcte
survie
Dommages physiques et biologiques engendrés en cellules de mammifères (V79) par 1 Gray de rayons γ
Traces dans le noyau Ionisations dans le noyau Ionisations dans l’ADN Excitations dans l’ADN Dommages de bases Cassures simple-brin d’ADN Cassures double-brin d’ADN (CDB) Aberrations chromosomiques Lésions létales
1000 100000 1500 1500 10000 850 40 0,3 0,3
H. Nikjoo et al I.J.R.B, 1998
Premier modèle d’événements physiques critiques (D. T. Goodhead ~1990) Mort cellulaire attribuée à l’action sur l’ADN des grappes d’ionisations (clusters) créées en fin de trace des électrons secondaires segment d ’ADN électron créant des grappes d ’ionisations le long de son parcours
segment d ’ADN
Succès et échecs du modèle des clusters efficacité biologique relative (EBR) des rayons X et γ pour l’inactivation cellulaire
efficacité biologique relative (EBR) des ions pour l’inactivation cellulaire
10
4
He Ar
2
He
8
Fe
Ar
U Kr
1 0.6
EBR
EBR
6
Fe
0.4 0.2
4
Kr
0.1 0.06
2
0.04
modèle expérience
0 100
modèle expérience
0.02 1000
10000
Energie des photons (eV)
du Penhoat et al, Rad Res 1999 Fayard et al, Rad Res 2002
10
100
U 1000
10000
transfert d ’énergie linéique (keV / µm)
Champion et al, NIM B 1998
Modèle K Mort cellulaire attribuée aux événements d’ionisation en couche interne des atomes de l’ADN ionisation en couche externe
phénomène peu violent dominant (plus de 99% des événements)
ionisation en couche interne
phénomène violent (~20 fois plus énergétique) rare (~200 fois moins probable)
Evénements K sur l ’ADN Les événements K sont certainement très efficaces pour induire des cassures double-brin d ’ADN complexes
Electron
K
Auger
Electron secondaire
ADN ~2nm
Evénements K sur l’ADN Les événements K peuvent aussi être efficaces pour induire des cassures multiples dans le nucléosome et la chromatine particule incidente
chromatine
K
nucléosome
Ions: les probabilités d’inactivation de cellules V79 reproduisent celles d’ionisation K sur l’ADN (efficacité d’1 ionisation K ~6%) Inactivation (expérience)
ionisation K (modèle)
(Kraft, Adv.Space Re., 1987)
(Chetioui et al., IJRB, 1994)
mammifère
mammifère (V79)
100
100
F
Xe
Ni
U
probabilité (%)
probabilité (%)
Ar 10 He
Xe
U+Pb
Kr 1
levure
H
Ar
U
Ar
bactérie 0.1
Kr Xe
Ne
10
TEL = dΕ/dx keV/µm) 1
He
levure H Ne
Pb
He
bactérie 10
0.1
100
Ne 1000
10000 He
Rayons X: les EBR d’inactivation de cellules V79 reproduisent celles d’ionisation K sur l’ADN
12
expérience modèle
EBR
8
4
seuil d ’ionisation K du carbone 0 0
500
1000
1500
énergie des photons (eV)
du Penhoat et al, Rad Res 1999, Fayard et al, Rad Res 2002.
2000
Les cassures double-brin d’ADN engendrées par événements K sont peu réparables
% cassures non rejointes
rayons X de 960 eV: (30±10)% CDB K et 25% CDB non réparées à 2h rayons γ du 60Co: (8±5)% CDB K et ~ 4% CDB non réparées à 2h
960 eV
rayons γ temps (mn) Botchway et al, Rad Res 1997
Les aberrations dicentriques suivent, comme les événements létaux, les ionisations K sur l’ADN depuis la gamme des rayons X (30 à 100% d’événements K) jusqu’à celle des rayons γ (0.5% d’événements K)
nombres moyens / Gy
1000
100
ionisations K sur l'ADN 10
1
événements létaux aberrations
0,1
0
500
1000
106
énergie (eV)
du Penhoat et al, Rad. Res. 1999; Fayard et al, Rad. Res. 2002; Gobert et al, I. J. R.B.2004
Les ionisations K induisent des aberrations chromosomiques complexes, impliquant plus de 3 chromosomes (expériences en cellules humaines B3)
A. Boissière, thèse, 2004
Conclusion .
-Les ionisations K sur l’ADN sont à l’origine d’une part importante des effets biologiques des rayonnements ionisants: contribution ~50 à 100% pour l’inactivation cellulaire par exemple (Fayard et al, Rad Res 2002) - Un enjeu du futur sera d’identifier tous leurs champs d’intervention et d’élucider leur mode d’action: effet chimique? nature des lésions létales? formation des aberrations chromosomiques?
