Laboratoire d'accueil : Laboratoire de dosimétrie des rayonnements ionisants (LDRI)

Date de début de la thèse : 01/10/2010

Nom du doctorant : Morgane Dos Santos

Contexte général du projet

La radiothérapie, externe ou vectorisée, est à ce jour un outil incontournable pour les traitements en cancérologie et son importance continue de croître. De plus, le plateau technique utilisé se complexifie en ce qui conceme la balistique, la modulation des faisceaux ou encore l'arrivée de nouvelles techniques comme la radiothérapie stéréotaxique hypofractionnée ou l'hadronthérapie.
Ces pratiques s'inscrivent dans un cadre réglementaire qui demande une justification, puis une optimisation de la dose reçue par le patient. Il n'en reste pas moins que la prise en compte des risques encourus à long terme par le patient devient de plus en plus déterminante dans l'optimisation et le choix des protocoles thérapeutiques.
L'évaluation des risques à long terme liés à l'utilisation de ces nouvelles techniques représente un défi certain dans le champ de la recherche en dosimétrie. C'est l'un des objectifs du projet ROSIRIS qui vient de s'engager entre l'IRSN et l'INSERM.

Ce projet est divisé en trois axes:

• l'axe 1 (dans le cadre duquel ce travail de thèse est proposé) allie le travail de physiciens et biologistes afin de trouver des relations entre la description physique de l'interaction et les premiers effets radioinduits sur la cellule.
• les axes 2 et 3, quant à eux, visent à relier, par différentes méthodes, les effets précoces et tardifs aux niveaux cellulaire et tissulaire.
  

Actuellement, le projet ROSIRIS se trouve dans la phase 1 de son developpement, pour laquelte des objectifs précis pour chacun de ces axes ont été définis.
Pour l'axe 1, l'objectif principal consiste démontrer qu'il est possible, à l'échelle moléculaire ou cellulaire, d'établir dans des modèles expérimentaux simplifiés, une relation quantifiable entre la topologie des dépôts d'énergie des rayonnements ionisants, uniquement accessible par simulation numérique, et les signaux biologiques initiaux radio-induits.
En effet, la topologie des dépôts d'énergie à cette échelle n'est accessible que par simulation numérique à l'aide de codes de transport de particules dans la matière de type Monte Carlo qui prennent en compte toutes les interactions possibles des particules primaires, ainsi que des particules secondaires créées dans le milieu jusqu'à leur arrêt complet. les évènements biologiques qui peuvent ètre théoriquement pris en compte dans la réponse initiale de la cellule aux rayonnements sont multiples. Toutefois, très peu de senseurs moléculaires mettant en évidence des évènements biologiques sont techniquement accessibles en termes de sensibllité, de résolution spatiale et de stabilité temporelle du signal. les senseurs de l'ADN qui répondent aux lésions de cette macromolécule sont de bons candidats théoriques dès lors que l'on peut les détecter par des techniques histologiques couplées à l'immunoflourescence. l'Histone H2AX (pH2AX) phosphorylée après irradiation de l'ADN et qui peut être visualisé en 3D par immunofluorescence sous forme de "foci" a été choisie comme senseur moléculaire dans la phase préliminaire du projet.
Au sein de l'axe 1, l'IRSN et l'INSERM travaillent d'ores et déjà en collaboration avec le groupe de recherche M12B de l'IN2P3 (CNRS) qui regroupe differentes équipes de recherche: le Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG), le laboratoire de Physique Corpusculaire de Clermont-Ferrand et le laboratoire d'Informatique en Images et systèmes d'Information (LIRIS) de Lyon.

Travail de thèse

Comme décrit plus haut, lorsque le rayonnement ionisant entre en contact avec la matière vivante, des interactions physiques ont lieu (la trace physique) en un temps très court (-1O15s). Par ailleurs, le dépôt d'énergie créé peut modifier une ou plusieurs liaisons moléculaires dans le milieu traversé créant ainsi des espèces chimiques que l'on appelle Les "radicaux libres". Ces radicaux libres sont hautement réactifs et peuvent interagir avec les molécules du milieu biologique en y provoquant des dommages notamment dans la molécule d'ADN (faisant partie des effets radio induits primaires).
Afin d'établir un lien entre les dépôts d'énergie de nature stochastique calculés à partir de la trace physique et les effets biologiques observés nous nous proposons de suivre, en parallèle, deux types d'approche:

• Une approche "directe" qui vise à trouver des paramètres de corrélation entre les dépôts d'énergie et les dommages cellulaires radio-induits précoces.
• Une approche progressive par modélisation qui permet de décrire les phases physico-chimiques et chimiques à partir de la trace physique.

Actuellement, au sein de la collaboration Geant4 "Low Energy" (ou Geant4-DNA), dont le responsable est Sébastien lncerti (CENBG Bordeaux), des travaux ont d'ores et déjà été entrepris concernant l'introduction dans le code des éléments nécessaires à la modélisation des phases physico-chimiques et chimique set pourront être utilisés au cours de ce projet de thèse.

Le sujet de thèse proposé consiste à rechercher les paramètres de corrélation entre l'interaction du rayonnement ionisant avec les noyaux cellulaires et les premiers dommages radio-induits. Ce travail permettra ainsi de disposer d'un nouveau modèle dosimétrique complet, adapté à l'échelle cellulaire, capable d'évaluer les effets primaires radio-induits et de prédire certains effets biologiques.
Le travail sera articulé autour des deux axes méthodologiques suivants:

• Une approche "directe" qui vise à trouver des paramètres de correlation statistique entre la topologie des dépôts d'énergie résultant de la phase physique et les premiers dommages cellulaires radio-induits précoces visibles par des techniques d'immunofluorescence.
• Une approche progressive par modélisation qui, en partant des résultats de la trace physique, prend en compte de manière détaillée les phases physico-chimique et chimique qui s'ensuivent et recherche les corrélations à partir des résultats de ces étapes postérieures.

Cette recherche de corrélation sera basée, dans un premier temps, sur l'analyse des foci nucléaires issus de la phosphorylation de l'histone H2AX sur une lignée fibroblastique humaine (modèle biologique simple mis au point au sein de la collaboration ROSIRIS) suite à une irradiation avec différents types de rayonnement ionisant. Des expériences complémentaires nécessaires à la validation expérimentale seront conduites en lien avec les équipes de radiobiologistes (INSERM, CNRS, IRSN) dans le cadre du projet ROSIRIS en utilisant des fibroblastes ainsi que des cellules endothéliales (modèle retenu dans le projet ROSIRIS).
La relation entre La morphologie des foci (taille, intensité) et les évènements radio-induits (type, quantité) devra être établie en s'affranchissant au maximum des biais expérimentaux et méthodologiques. L'objectif est d'être capable de définir le nombre et la répartition spatiale des cassures double-brins de L'ADN, ceci dans des conditions d'irradiation connues.
Ainsi, une analyse croisée des données sera réalisée afin de trouver les corrélations entre les agrégats de dépôt d'énergie, obtenus par la simulation, avec la topologie des cassures double-brins, obtenue à partir des images des foci. Pour réaliser cette analyse, des descripteurs statistiques (distribution entaille des foci/clusters, répartition spatiale des foci) seront définis en utilisant des algorithmes de clusterisatlon mis au point dans le laboratoire qu'il faudra optimiser. Pour réaliser cette corrélation, il faudra également tenir compte de la geométrie de L'ADN qui devra être implémentée dans Le code de simulation.