Radiobiologie - Définition

Introduction

La radiobiologie est l'étude des effets biologiques des rayonnements, notamment des rayonnements ionisants, sur les êtres vivants, des moyens de s'en préserver, des traitements à suivre en cas d'irradiation et de leur emploi pour procéder à des investigations dans le corps humain. Elle est également l'ensemble des techniques d'analyses des liquides biologiques qui utilisent un ou des radio-isotopes comme marqueurs.

La radiobiologie actuelle bénéficie d'innombrables découvertes en cinétique cellulaire et en biologie moléculaire. Elle est un apport primordial à l'évolution de la radiothérapie et de la radioprotection.

Les phénomènes biochimiques

Rappel sur les rayonnements ionisants

Un rayonnement est dit « ionisant » lorsque celui-ci est susceptible de provoquer l'arrachement des électrons périphériques de la matière. Pour cela, il est nécessaire que l'énergie du rayonnement incident soit suffisante pour arracher un électron, c'est-à-dire que cette énergie soit supérieure à l'énergie de liaison minimale des électrons du milieu.

On distingue deux types de rayonnements ionisants :

Rayonnement directement ionisant

C'est un rayonnement constitué de particules chargées électriquement :

• Particules lourdes : Protons, deutons; ions lourds
• Particules légères: Électrons

Rayonnement indirectement ionisant

C'est un rayonnement particulaire et/ou électromagnétique non-chargés électriquement :

• Photons
• Rayonnement X
• neutrons

Les effets des radiations sur la matière vivante sont le résultat final d'évènements physiques initiaux. Le rayonnement ionisant agit par transfert d'énergie à la matière et l'effet biologique final résulte d'une chaîne d'évènements physiques et de transformations chimiques qui sont déclenchés par les phénomènes d'ionisation.

Effets physiques et chimiques

L'effet d'un rayonnement ionisant se manifeste dans un premier temps par une interaction entre le rayonnement et la matière : en quelques nanosecondes, le rayonnement interagit avec les électrons périphériques de la matière biologique, provoquant l'apparition au sein du tissu irradié d'atomes excités, puis des ionisations.

Les interactions radio-chimiques sont qualitativement identiques pour tous les rayonnements ionisants et interviennent dans un délai très court (10 ^{− 5} sec.)

Action directe

La molécule ionisée est devenue instable. Lors de la réorganisation du cortège électronique elle expulse l'excédent d'énergie soit par émission de photon de fluorescence, soit par rupture de liaison ce qui peut entraîner une altération de son activité biochimique ou sa destruction. Après quelques micro-secondes, l'excitation et l'ionisation entraînent l'apparition de radicaux libres, fortement réactifs.

L'organisme humain est constitué de plus de 2/3 d'eau. Sous l'action du rayonnement ionisant, les molécules d'eau se décomposent pour donner des radicaux libres.

Action indirecte 

La molécule interagit avec les radicaux libres engendrée par la radiolyse de l'eau.

Après quelques millisecondes, ces radicaux libres provoquent des réactions chimiques anormales, qui dénaturent les protéines et autres constituants de la cellule, rompent les liaisons de l'édifice cellulaire et en perturbent le fonctionnement et la structure. Les radicaux libres produits sont de haute réactivité chimique. Les radicaux libres produits par la radiolyse de l'eau ont une durée de vie très courte, ils sont de puissants oxydo-réducteurs capables d'attaquer les molécules organiques dont les acides désoxyribonucléiques pour former des radicaux libres organiques. Or, ce sont les atteintes de l'ADN qui provoque soit la mort cellulaire soit les effets tardifs. Ce sont ces perturbations qui conduisent, après un temps de latence plus ou moins long, à la manifestation de radiolésions.

Effets sur l'ADN

Les molécules d'ADN sont les constituants principaux des chromosomes qui interviennent dans les procédés de transfert de d'information génétiques de cellules mères aux cellules filles et, par l'intermédiaire des différents ARN, dans la synthèse de protéines.
L'altération la plus connue est la rupture de chaîne ; due au radical OH^o. Le nombre de ruptures croit avec la dose reçue et l'énergie minimale requise serait de l'ordre de 10 eV. Lors de la rupture simple, des molécules d'eau entrent dans la brèche créée par le radical libre : les ponts hydrogène entre les acides nucléiques se cassent et les deux brins s'écartent l'un de l'autre. Ce genre d'altération de l'ADN est réparable par des enzymes de réparation qui parcours l'ADN de la cellule : Processus d'excision-resynthèse, Transkylation...
Cependant il peut y avoir des répercussions sur la réplication de l'ADN qui peuvent engendrer des mutations dont la probabilité varie selon la phase (il y en a 4) du cycle cellulaire dans laquelle se trouve la cellule.

Il y a 5 grands types d'altération de l'ADN :

• Cassure de chaîne, ADN, d'un brin ou des deux brins,
• Dégradations des bases puriques ou pyrimidique,
• Création de sites sans bases par élimination d'une base,
• Pontage ADN-protéine Liaison entre une base et acide aminé,
• Addition des produits de la péroxydation à des bases de l'ADN .

Les radio-lésions de l'ADN ne sont pas directement observables, elles se traduisent pas des anomalies de structures ou modification du nombre de chromosomes visibles au microscope lors de la condensation chromosomique.

Les rayonnement ionisants peuvent également perturber le déroulement du cycle cellulaire et entraîner la mort de la cellule. Sachant que la cellule est plus radiosensible en phase G2 et en phase M. Les mitochondries sont très radiosensibles, elles gonflent, et sont détruites en quelques heures. La réparation s'observe au bout d'un ou deux jours. Les radiolésions du cytoplasme sont généralement guérissables, tandis que celles du noyau provoquent généralement la mort cellulaire si la dose est importante. Seules les liaisons de l'ADN provoquent des effets à long terme, au-delà de quelques jours.

L'étude de l'effet des rayonnements ionisants sur les dommages de l'ADN montre que les dommages constatés sont qualitativement les mêmes que ceux subient spontanément par les cellules, mais pas leur distribution. Toutes proportions gardées, l'exposition d'une cellule à des rayonnements ionisants augmente la proportion de cassures double brin et de ponts ADN/ADN et ADN/protéine.

L'effet des rayonnements ionisants sur l'induction des mutations, de la transformation cellulaire et la perte de la capacité proliférative ne correspond pas par des lésions isolées, mais s'explique par la création de lésions en grappe, qui entraînent des cassures double-brin ou d'autres lésions plus complexes. « Les rayonnements ionisants produisent des lésions ponctuelles des molécules d'ADN, distribuées de façon aléatoire. Ces lésions très instables, dites primaires, seront pour la plupart réparées de façon fidèle. Les lésions qui échappent au processus de réparation peuvent donner lieu à des lésions résiduelles stables, les seules capables d'expression biologique. »