Biologie cellulaire et radiobiologie

Les rayonnements ionisants (RI) affectent les atomes des organismes vivants, principalement le carbone, l'oxygène, l'hydrogène et l'azote, en provoquant des excitations et des ionisations. Cela conduit à des effets biologiques divers, certains néfastes avec des lésions et des dommages, d'autres bénéfiques comme dans la thérapie tumorale.

La dose absorbée (D) en un point spécifique mesure l'énergie absorbée par une petite partie du volume en question, divisée par sa masse.

Le débit de dose absorbée (D) représente la variation de la dose absorbée par unité de temps.

Les effets des RI sur les organismes vivants résultent des dommages causés aux éléments essentiels à la vie cellulaire, comme l'ADN.

Les effets des RI sur la matière vivante peuvent être directs ou indirects. Les effets directs impliquent une rupture des liaisons chimiques dans les molécules, tandis que les effets indirects résultent de l'interaction des RI avec l'eau, produisant des radicaux libres qui endommagent les molécules.

Les RI affectent les molécules d'eau et d'ADN, ces deux molécules étant cruciales pour la vie.

L'impact des RI sur les cellules varie en fonction du type de cellule, de son âge et d'autres facteurs.

L'effet des RI sur les tissus dépend du type de tissu concerné, certains étant plus sensibles que d'autres.

Les particules ionisantes, en transportant suffisamment d'énergie, peuvent arracher un électron à une molécule d'eau, créant ainsi une paire d'ions (e-, H2O+).

Lors de la radiolyse de l'eau, la molécule d'eau se décompose en radicaux libres: HO° (hydroxyle), H° (hydrogène) et l'électron aqueux.

L'hydroxyle (HO°) est un radical très réactif qui agit comme un oxydant puissant.

L'atome d'hydrogène (H°) est un radical réducteur, il peut donner un électron.

Le devenir des radicaux libres dépend de la nature du rayonnement, de la présence d'oxygène et de substances organiques.

Les radicaux libres peuvent se recombiner pour former des molécules stables: H2O, H2O2, H2.

La présence d'oxygène augmente les effets d'une exposition aux rayonnements en produisant des oxydants puissants, HO2° et H2O2.

Les substances organiques peuvent réagir avec les radicaux libres pour former des peroxydes, qui sont des oxydants très toxiques pour les lipides membranaires.

Les protéines endommagées par les radiations ne peuvent plus remplir leurs fonctions et sont considérées comme inutiles.

Les radiations peuvent altérer les structures des membranes cellulaires, affectant les récepteurs, les systèmes de transport et les flux ioniques. Mais des doses élevées sont nécessaires pour observer cet effet.

L'ADN est une cible majeure des radiations ionisantes en raison de sa sensibilité et de son importance vitale pour la cellule.

Une cassure simple implique la rupture d'un seul brin d'ADN, affectant les liaisons entre le désoxyribose et la base ou le désoxyribose et le phosphate.

Une cassure double brin affecte les deux chaînes d'ADN, les lésions étant très proches l'une de l'autre. C'est une situation très grave.

Les bases pyrimidiques (thymine et cytosine) sont plus sensibles aux dommages causés par les radiations que les bases puriques.

Ces dommages peuvent entraver les processus essentiels de réplication et de transcription de l'ADN.

Les cellules se protègent et réparent les dommages à l'ADN grâce à différents mécanismes, tels que la ligase, l'excision-resynthèse et la réparation SOS.

Une seule cassure chromosomique peut se réparer parfaitement (restitution ad integrum) ou entraîner une perte d'information génétique (délétion terminale).

Une double cassure chromosomique peut se réparer parfaitement, entraîner une perte interne d'information (délétion interstitielle), inverser un fragment (inversion), ou former un anneau.

Les cassures sur plusieurs chromosomes peuvent se réparer parfaitement, conduire à un échange de fragments (translocation réciproque), ou créer un chromosome avec deux centromères (chromosome dicentrique).

L'exposition aux radiations pendant la division cellulaire peut entraîner une trisomie 21, c'est-à-dire une copie supplémentaire du chromosome 21.

L'altération d'une séquence de bases (codon) de l'ADN, sans modification de la structure des chromosomes, provoque une mutation.

La cellule passe par différentes phases de développement entre deux divisions : phase M (division), G1 (accumulation de nucléotides), S (duplication de l'ADN), et G2 (préparation à la division).

La radiosensibilité est la sensibilité d'une cellule aux radiations. Le cycle cellulaire influence la radiosensibilité, avec une sensibilité maximale lors de la phase M et minimale lors de la phase S.

L'irradiation peut entraîner la mort cellulaire immédiate (nécrose) avec des doses élevées, ou la perte de la capacité de prolifération (mort mitotique) après quelques divisions.

La sensibilité aux rayonnements ionisants varie en fonction du type cellulaire, de son stade de développement et de son activité de division. Les cellules jeunes, peu spécialisées et à fort taux de division sont plus radiosensibles.

Les cellules immatures, non spécialisées et à fort taux de division sont plus sensibles aux radiations. Cela explique pourquoi la moelle osseuse, les gonades et les cellules épithéliales sont particulièrement vulnérables.

Les cellules les plus matures et spécialisées, comme les cellules musculaires et les neurones, sont plus résistantes aux radiations.

La sensibilité aux radiations est maximale en phase M (mitose) et minimale en phase S (synthèse d'ADN).

La dose, le débit de dose, l'effet oxygène et l'environnement cellulaire influencent la radiosensibilité.

L'irradiation fractionnée, avec des doses plus faibles administrées sur plusieurs jours, est moins efficace que l'irradiation en dose unique. De même, un débit de dose plus faible est généralement moins dommageable.

La présence d'oxygène augmente la radiosensibilité des cellules, car les radicaux libres produits par les radiations sont plus réactifs en présence d'oxygène.

Les tissus et organes ont des radiosensibilités différentes en fonction de leur type de cellules, de leur taux de renouvellement et de leur fonction.