Effets Biologiques des Rayonnements Ionisants PDF

EFFETS BIOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS IONISANTS I- INTRODUCTION - Les rayonnements ionisants (RI) agissent sur les atomes du milieu biologique( surtout: C, O, H, N). entrainant des excitations et des ionisations atomiques à l’origine d’effets biologiques variés (nuisi...

EFFETS BIOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS IONISANTS I- INTRODUCTION - Les rayonnements ionisants (RI) agissent sur les atomes du milieu biologique( surtout: C, O, H, N). entrainant des excitations et des ionisations atomiques à l’origine d’effets biologiques variés (nuisibles avec lésions et dégâts ou bénéfiques dans la thérapie tumorale). II- Notions de dose absorbée 1- Dose absorbée (D) La Dose absorbée, en un point P, est le rapport de l’énergie, dE, effectivement absorbée dans un élément de volume dV centré sur P, à la masse dm de l’élément de volume : D = dE / dm Unité (SI): J/Kg ou Gray (Gy) Ancienne unité: rad avec 1Gy = 100 rad 2 – Débit de dose absorbée (D) D = D / dt (J. Kg-1.s-1) Pr. Abderrahim DOUDOUH III - MODE D’ACTION DES R.I 1- Généralités Effets = résultat des dommages causés aux éléments indispensables à la vie cellulaire Effets = s’expliquent par des effets physico-chimiques directs et indirects On distingue: – Effets Moléculaires - action sur : eau, acides aminés et protéines - il existe 2 molécules, les plus intéressantes à étudier: - H2O (raisons d’ordre quantitatives) et - l’ADN (raisons qualitatives) – Effets cellulaires : action sur les cellules variable selon : type, âge,… – Effets tissulaires : fonction du tissu atteint : hiérarchisé ou non hiérarchisé. 2- Effets physico-chimiques 2-1- Effets directs : - L’ionisation d’une molécule entraine une réorganisation des électrons atomiques et donc l’apparition de ruptures au niveau des liaisons chimiques (de covalence) et destruction de la molécule. - Les conséquences biologiques de ces ruptures de liaisons chimiques sont parfois lourdes et importantes surtout lorsque la molécule cible assure une fonction vitale comme la molécule d’ADN. - La molécule cible pouvant être représentée comme un R-R’ se rompt en 2 fragments moléculaires R° et R’°. Chaque fragment de molécule emporte un électron célibataire et constitue un radical très réactif 2-2- Effets indirects 2-2-1- Radiolyse de l’eau et formation de radicaux libres: La particule ionisante transportant une énergie E suffisante pour arracher un é à une molécule d’eau: on assistera alors à la création d’une paire d’ions (e- , H2O+) : Bilan final de décomposition de l’eau = apparition de radicaux libres: – HO° (Hydroxyle) : Oxydants puissants – H° : Réducteurs – e- aqueux (lié à H2O) H2O H2O + 2-2-2- Devenir des radicaux libres Dépend de: – Nature du rayonnement - Présence d’O2 - Présence de substances organiques dans l’eau a) Nature du rayonnement: Recombinaisons possibles: H° + OH° H2O OH° + OH° H2O2 H° + H° H2 Les 2 dernières possibilités sont favorisées par un rayonnement à TEL fort : densité d’ionisation élevée avec des H° et des OH° proches les uns des autres. b) Influence de la présence d’O2 H° + O2 HO2° HO2° + HO2° H2O2 + O2 NB: HO2° et H2O2 = oxydants très puissants L’O2 augmente les effets d’une radio exposition, surtout si le T.E.L du RI est faible L’oxygène = radio sensibilisateur, intéressant en radiobiologie et en radiothérapie c) Influence de la présence des substances organiques – De nombreuses substances organiques peuvent être transformées en peroxydes – Les radicaux libres, issus de ces réactions, sont des oxydants très toxiques pour les lipides membranaires.  En présence de radicaux oxydants, on aura les réactions proposées par R. Latarget : RH + HO° R° + H2O R° + O2 RO2° ROO° + R’H ROOH + R’° Remarque: Les radicaux formés sont nombreux et disparaissent lentement. Ils sont probablement responsables de certains effets retardés de la radio exposition 3- Lésions moléculaires au niveau de la cellule 3-1- Lésions cytoplasmiques Protéines : celles lésées sont simplement inutilisées 3-2- Lésions membranaires Altération des structures membranaires: - Dégradation des récepteurs membranaires, des systèmes de transport et des flux ioniques - Des doses élevées sont nécessaires pour obtenir cet effet 3-3- Lésions nucléaires ADN : - Cible critique des RI - Radiosensible - Importante dans la vie cellulaire: 3-3-1- Effets sur l’ADN 1) Cassures simples 1 seul brin est cassé au niveau de la liaison désoxyribose – base ou désoxyribose – phosphate 2) Cassures double brin Atteintes des 2 chaînes de l’ADN. Les lésions sont très rapprochées l’une de l’autre. Exemple de cassure double brin 3) Altération des bases Les bases pyrimidiques (thymine et cytosine) sont plus sensibles que les bases puriques 4) Altération des sucres Oxydation / hydroxylation des sucres 5) Modification de la structure d’ADN - Par pontages entre les 2 brins d’ADN ou entre brin et protéine - Par enjambements des chaînes d’ADN Ces altérations sont à l’origine de troubles de la réplication et de la transcription. 3-3-2- Réponses aux lésions d’ADN - Réparation Les cellules disposent de différents moyens de défense et de réparation : a) Action d’une simple ligase - Pour des « rupture monobrin simple propre » b) Processus d’excision - resynthèse: - Intervient dans la réparation de lésions et modifications complexes (altérations de bases, pontages intra brins, certaines ruptures double brin,….). c) Processus de réparation SOS (save our synthesis) - Intervient quand le processus d’excision resynthèse ne peut pas être mis en œuvre (lésion en phase de réplication, quand il est dépassé par l’abondance des lésions) - Permet la survie cellulaire au prix d’une mutation de l’ADN de l’une des cellules filles d) Recombinaison post-réplicative - Mis en œuvre, également, lors de la réplication.  3-3-3- Conséquences chromosomiques des lésions d’ADN a) Altération de la structure d’un ou plusieurs chromosomes résultat de cassures: Unique: suivie de recollement avec restitution ad-integrum ou de non recollement (délétion terminale) avec perte de l’information génétique Double: suivie de - restitution ad integrum - délétion interstitielle - inversion (fragment tourne de 180°) - formation d’anneaux De plusieurs chromosomes: suivie de - restitution ad integrum - translocation réciproque - formation de chromosome dicentrique b) Changements du nombre de chromosomes Une radio exposition au cours d’une division cellulaire peut être responsable d’une Trisomie 21 3-3-4- Altération des gènes Le gain, la perte ou la substitution d’1 ou plusieurs bases de la molécule d’ADN, sans modification de la morphologie des chromosomes entraîne une modification de la séquence de base (codon) donc une lésion génique avec mutation. 4 - Effets cellulaires On parle ici de radiosensibilité intrinsèque a) Le cycle cellulaire Cycle cellulaire = ensemble d’événements biologiques se déroulant entre deux mitoses successives : - Phase M : la cellule mère se divise en 2 cellules filles: Radiosensibilité maximale. - Phase G1 : la cellule accumule des nucléotides. - Phase S : la cellule double la quantité d’ADN: Radiosensibilité minimale. - Phase G2 : dure quelques heures et peut être courte. b) Mort cellulaire radio induite b-1- Immédiate - Doses énormes (milliers de Gy) sauf lymphocytes et ovocytes (qq Gy) - Nécrose cellulaire avec arrêt des fonctions cellulaires et cytolyse b-2- Mitotique C’est la perte irréversible de la capacité de prolifération de la cellule Les lésions s’expriment à la mitose ou après quelques mitoses efficaces avec extinction de la lignée issue de la cellule irradiée. C) Mutation - cancérisation : Peuvent survenir quelque soit la dose car: toute lésion de l’ADN peut être mal réparée et devenir « indélébile » dans la descendance de la cellule atteinte. d) Facteurs jouant sur la radiosensibilité d-1- Facteurs liés à la cellule: - Nature des cellules Loi de Bergonié et Tribondeau (1906): « Plus une cellule est jeune, peu différenciée et à forte activité mitotique plus elle est radiosensible ». Exemples: Les cellules les plus sensibles: – Cellules pluripotentes de la moelle osseuse – Spermatogonies Les cellules radiosensibles: – Cellules des muqueuses – Cellules basales de l’épiderme  Les cellules radio résistantes: Fibroblastes Cellules musculaires - Phase du cycle cellulaire : La radiosensibilité est : maximale à la phase M minimale à la phase S d-2- Facteurs liés aux conditions de radio exposition La radiosensibilité cellulaire varie avec : La dose délivrée : la dose peut être délivrée de façon fractionnée ou en dose unique. Le fractionnement de dose a pour effet de diminuer l’efficacité de la radio exposition. Le débit de dose (Gy/h) L’effet Oxygène: radio sensibilisation L’environnement cellulaire : coopération cellulaire. Cellules cultivées en sphéroïdes sont plus radio résistantes que les mêmes cellules cultivées isolées 5- Effets tissulaires La radiosensibilité tissulaire dépend de: a-1- Variété des cellules : cellules souches qui se reproduisent sont très radiosensibles, durée de vie de 2 jours pour les cellules de l’épithélium intestinal = 2 jours et 10 ans pour les neurones a-2- Inter dépendance des tissus : tissu nourricier, de soutien… a-3- Fonctions assurées par les tissus atteints: tube digestif… a-4- Organisation tissulaire :  Le tissu compartimental à renouvellement rapide : comporte un contingent souche très radiosensible, un contingent de maturation, de radiosensibilité intermédiaire et un 3ème contingent fonctionnel, radio résistant sauf lymphocytes et ovocytes Exemples: moelle hématopoïétique, épithélium, tissu séminifère  Le tissu non compartimental à renouvellement lent: renouvellement à la demande par mitoses de cellules fonctionnelles Exemples: tissu hépatique, tissu rénal Ordre de radiosensibilité pour quelques tissus: Par ordre décroissant : – Tissu embryonnaire, – Tissu hématopoïétique, – Gonades, – Épiderme, – Muqueuse intestinale, – Tissu conjonctif, – Tissu musculaire, – Tissu nerveux. FIN