Comprendre les mécanismes fondamentaux des dommages biologiques par radiations ionisantes
Publié par Redbran le 27/09/2018 à 12:00
Source: CNRS IN2P3
Geant4-DNA: une nouvelle plateforme ouverte pour simuler les interactions physiques entre particules et le milieu biologique.

Depuis juin 2018, les chercheurs en radiobiologie bénéficient à présent d'un ensemble de modèles de simulation pour décrire les interactions électromagnétiques des particules ionisantes avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...) biologique (l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) liquide). Ces modèles sont en accès libres et sont accompagnés d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) d'exemples d'utilisation dédiés. Ces développements ont été menés par la collaboration internationale Geant4-DNA, coordonnée depuis 2008 par l'équipe iRiBio du CENBG, et sont entièrement intégrés à l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) de simulation Monte Carlo généraliste Geant4. Ils viennent de faire l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) d'un "Special Report" dans la revue "Medical Physics".


Exemple de la simulation détaillée avec Geant4-DNA de la trace d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) de 1 MeV (en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte...), trace du bas), d'une particule alpha de 1 MeV (en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône...), trace du milieu) et d'une particule alpha de 4 MeV (en vert, trace du haut) dans l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Les électrons secondaires sont représentés en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). © Geant4-DNA

Comprendre les mécanismes fondamentaux impliqués dans l'induction des dommages biologiques par les radiations ionisantes, notamment au niveau de l'ADN, reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. Ainsi, la radiobiologie dite "computationnelle" est aujourd'hui un axe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) prometteur pour tenter de mieux estimer les risques liés à l'exposition aux radiations ionisantes, comme par exemple lors de séjours prolongés dans l'espace ou encore lors de traitements de radiothérapie (La radiothérapie est une méthode de traitement locorégional des cancers, utilisant des radiations pour détruire les cellules cancéreuses en bloquant leur capacité...).

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) Geant4-DNA1-4 est né de la nécessité d'accéder facilement à un outil de modélisation mécanistique des effets biologiques des radiations ionisantes à l'échelle de l'ADN. Il a pour objectif de délivrer la première plate-forme ouverte librement accessible à tous les utilisateurs pour la simulation des dommages biologiques précoces induits par les radiations ionisantes. Ce projet est porté par une collaboration internationale, coordonnée depuis 2008 par l'équipe iRiBio du CENBG. Ses développements se focalisent sur la description des interactions physiques élémentaires, ainsi que des interactions physico-chimiques et chimiques (radiolyse de l'eau) dans des cibles biologiques, comme par exemple le noyau cellulaire. Ils sont tous progressivement intégrés à l'outil de simulation Monte Carlo généraliste Geant4.

Geant4-DNA permet d'abord de simuler en mode pas-à-pas les interactions électromagnétiques des électrons, des protons, des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et des particules alpha (incluant leurs états de charge) dans l'eau liquide, le principal constituant du milieu biologique. Ce mode pas-à-pas assure précision à petite échelle (typiquement inférieure au micromètre) et à faible énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (jusqu'à quelques dizaines d'électronVolts) pour la simulation des interactions physiques, par rapport à une approche dite "condensée", plus rapide mais moins précise (comme c'est par exemple le cas pour les modèles de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) électromagnétique déjà disponibles dans Geant4).

Une étape importante du cycle de développement (Il existe différents types de cycles de développement entrant dans la réalisation d'un logiciel. Ces cycles prendront en compte toutes les étapes de la conception d'un logiciel.) de Geant4-DNA vient d'être franchie. En effet, les modèles physiques proposés par Geant4-DNA pour simuler ces interactions physiques et plusieurs exemples d'utilisation associés viennent d'être publiés dans le quatrième article de la collaboration Geant4-DNA, sous la forme d'un "Special Report"(7) dans le journal "Medical Physics". Ces exemples permettent de calculer des quantités physiques fondamentales caractérisant les interactions des particules dans le milieu irradié, comme par exemple le parcours, le pouvoir d'arrêt, le libre parcours moyen, ... ou encore des quantités utilisées pour la microdosimétrie et la dosimétrie en physique médicale: les points kernels de dose, les facteurs S, ... C'est la première fois que de tels modèles physiques et ces applications associées sont mis à disposition librement pour les utilisateurs. Étant entièrement intégrées à Geant4, ces fonctionnalités de Geant4-DNA deviennent en particulier accessibles à d'autres plates-formes de simulation qui se basent sur Geant4, comme GATE et TOPAS.

Geant4-DNA permet également de modéliser la radiolyse de l'eau jusqu'à une microseconde (considéré comme un effet précoce en biologie) après l'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha,...), une nécessité pour simuler les dommages biologiques précoces "indirects" des radiations induites par l'action des radicaux issus de la radiolyse de l'eau sur l'ADN.

Enfin, Geant4-DNA bénéficie aussi des nombreuses fonctionnalités de Geant4 pour la modélisation de géométries de cibles biologiques variées. Nous venons ainsi récemment de démontrer la possibilité de combiner la simulation des interactions physiques, physico-chimiques et chimiques avec des géométries simplifiées de cibles biologiques pour la prédiction des dommages précoces dans des bactéries(5) et des cellules humaines (6).

Ces développements se poursuivent aujourd'hui afin de délivrer dans un futur proche l'ensemble de ces fonctionnalités au sein de Geant4. Il est notamment prévu d'inclure des processus de réparation biologique de l'ADN pour décrire l'évolution temporelle des dommages précoces induits par l'irradiation.

Pour faciliter l'accès à Geant4 et à Geant4-DNA, rappelons que le CENBG continue à proposer depuis 2004 une "machine virtuelle (Le sens originel de machine virtuelle (ou Virtual Machine (VM) en anglais) est la création de plusieurs environnements d'exécution sur un seul...) Geant4", également en téléchargement (En informatique, le téléchargement (en anglais download) est l’opération de transmission d’informations — programmes, données, images, sons, vidéos — d’un ordinateur à un autre via un canal de...) libre, permettant d'émuler une station de travail Linux(TM) directement équipée avec la dernière version de Geant4. Cette machine est notamment régulièrement utilisée durant les formations à Geant4 et à Geant4-DNA, tant en France qu'à l'étranger.

Références publication:
(1) Int. J. Model. Simul. Sci. Comput. 1 (2010) 157–178 ;
(2) Med. Phys. 37 (2010) 4692-4708 ;
(3) Phys. Med. 31 (2015) 861-874 ;
(4) Access to Infrastructures for Radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) protection Research (AIR2) / CONCERT newsletter, Issue 28 (2018) ;
(5) Phys. Med. 48 (2018) 146-155 ;
(6) Sc. Rep. 7 (2017) 11923 ;
(7) Med. Phys. 45 (2018) e722-e739.


Pour en savoir plus:
- Le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par...) de Geant4-DNA ;
- Le site web de Geant4 ;
- La machine virtuelle Geant4 du CENBG ;
- 3ème conférence internationale "Geant4 à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) Physique-Médecine-Biologie", 29-31 Octobre 2018, Bordeaux.


Contacts chercheurs:
- Sébastien Incerti, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) (équipe iRiBio, CENBG), porte-parole de la collaboration Geant4-DNA ;
- Hervé Seznec, chercheur CNRS (équipe iRiBio, CENBG).
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