effets biologiquesdes rayonnements ionisants

• unités• niveau moléculaire• niveau cellulaire• niveau cellulaire• effets déterministes• effets stochastiques

rayonnements ionisants et non ionisants

50 Hz1022

1020 14

1010

105

10

fréquence (Hz)

énergie des photons (eV)

-6 10 -1113.6

rayonnements ionisants

rayonnements non ionisants

10107

rayonnements ionisants et non ionisants

hν ν ν ν ≥ ∆E

C 11,24 eVH 13,54 eVO 13,57 eVN 14,24 eV

∆E

N 14,24 eV

H2O # 13,6 eV

altérations de l ’ADNmutations radioinduites

unitésactivité : désintégrations par seconde• becquerel Bq : 1 désintégration / seconde• curie Ci : 37 x 10 9 Bq (37 GBq)

dose : énergie absorbée / masse de matière• gray Gy : 1 joule / kilogramme

dose efficace : indicateur du risque global• dose absorbée x W R x WT

• sievert Sv• WR = 1 pour RX, béta et gamma• WT = 0.05 pour la thyroïde

facteur de pondération radiologique W R

• RX, ß+ - et γγγγ WR = 1• neutrons thermiques W R = 3• neutrons énergétiques et p+ W = 10• neutrons énergétiques et p+ WR = 10• αααα et noyaux lourds W R = 20

Organe ou tissu T W T

Moelle osseuse 0,12

Côlon 0,12

Poumons 0,12

Estomac 0,12

Sein 0,12

facteur de pondération tissulaire W T

Organe ou tissu T W T

Foie 0,04

Œsophage 0,04

Thyroïde 0,04

Vessie 0,04

Cerveau 0,01Sein 0,12

Autres* 0,12

Gonades 0,08

Cerveau 0,01

Glandes salivaires 0,01

Peau 0,01

Surface osseuse 0,01

Corps entier 1,00

intérêt et limitesde la dose efficace

adaptée aux besoins de la radioprotection

unité additive : exemple

WR WT %RX : 100 mGy / 0,5 m 2 peau131I : 10 mGy / thyroïde

indicateur de risque stochastique > 200 mSvsans valeur probabiliste aux faibles dosesne tient compte ni du débit de dose, ni de l ’âge

WR WT %1 0,01 30 %1 0,05 100 %

dose efficace = (100 x 1 x 0,01 x 0,30) + (10 x 1 x 0,05 x 1)dose efficace = 0,8 mSv

ordres de grandeur des doses efficaces

10.000 mSv : irradiation aiguë / mort rapide

1.000 mSv : irradiation aiguë / signes cliniques

5 mSv : irradiation annuelle à Clermont -Ferrand5 mSv : irradiation annuelle à Clermont -Ferrand

2,5 mSv : irradiation annuelle à Paris

1 mSv : limite annuelle légale pour la population

1 mSv : irradiation annuelle moyenne médicale

corps humain 30 %tellurique 12 %r. cosmiques 10 %

Irradiationnaturelle renforcée médicale retombées

r. cosmiques 10 %

radon 37 %

médical 29 %

essais nucléaires 2,5 %industrie 0,5 %

irradiation externecosmique 0,4 mSv / an (X 2 / 1500 m altitude)tellurique 0,4 mSv / an

irradiation interne220Rn & 222Rn 1,2 mSv / an40K 0,2 mSv/an

irradiation naturelle

K 0,2 mSv/anautres 0,2 mSv/an

irradiation naturelle totaleFrance 2,5 à 5,5 mSv / anParis 2,5 mSv / anMonde 2,5 à 70 mSv / an# 109 ionisations / s (70 kg.)

retombées des essais nucléairesquelques µSv / an

industrie nucléaireen France 0,015 mSv / an

Tchernobyl 0,4 mSv en 1986

irradiation d’origine humaine

Tchernobyl 0,4 mSv en 19860,07 mSv / an 1987 - 19960,04 mSv / an 1997 - 2046

irradiation médicale0,8 mSv / an en Francetrès hétérogène (sujets âgés)

15

20

25

30

exposition radiologique en fonction de l'âge

0

5

10

15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10décennie

répartitiondes accidents

militaire5%

industriel51%

recherche20%

médical11%

nucléaire civil13%

51%

accidents médicauxradiothérapie

• confusion 20 mm / 20 cm• erreur à l’initialisation après panne• erreur de programmation

accidents industrielsaccidents industrielsperte de sources

• gammagraphie• cobalt 60

accidents de criticité• 17 morts

malveillance, attentats

• unités• niveau moléculaire• niveau cellulaire• niveau cellulaire• effets déterministes• effets stochastiques

lésions de l’ADN

cassuresimple brin

TT

Apontage ADN -protéine

• ionisations• radicaux libres très réactifs

H2O2 ou peroxydes RO 2

métabolisme oxydatif• cassures simple brin

3 000 / j / cellule• lésions de base

3000 / j / cellule• cassures double brin

8 / j / cellule

dimérisation

site abasique

modification de base

T

AX

C

cassure double brin

pontage ADN -protéine

coupure de chaîne

réparation d’une lésion monobrin d’ADN

cassure simple brin

section du brin : endonucléase

liaison : ligase

élimination

synthèse brin : polymérase

• unités• niveau moléculaire• niveau cellulaire• niveau cellulaire• effets déterministes• effets stochastiques

lésions de l’ADNsignalisation

rayonnementionisant

réparationfautiveréparation

fidèlepas de

réparation

apoptosecancer

radioinduit

mutations

intégritéintégritégénomiquegénomique

fidèle

mortmitotique

réparation

• unités• niveau moléculaire• niveau cellulaire• niveau cellulaire• effets déterministes• effets stochastiques

risques déterministes(non stochastiques)

• ne se produisent jamais si la dose < D seuil min

• se produisent à coup sûr si la dose > D seuil max

• gravité croît avec la doseexemple : irradiation moëlle osseuse > 5 Gy => apla sieerythème, brûlure, aplasie , radiomucite, œdème cérébralerythème, brûlure, aplasie , radiomucite, œdème cérébral

• protection simple

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10

dose Gy

probabilité

compartiments tissulaires

3 compartiments

C. différenciées résistance

radiosensibilité

maturationdifférenciation

faiblesensibilité

C. souches fortesensibilité

élimination naturelle

irradiation aiguë

priorité : reconstitutiondes cellules souches

disparition progressive

reprise de maturation

disparition des cellules différenciéesacmé des symptômes

reconstitutiondes cellules souches

reprise de maturation

organes et tissus

• tissus embryonnaires• tissus hématopoïétiques• gonades• épiderme• muqueuse intestinale

• moins différencié• renouvellement rapide• grand nombre de mitoses programmé

• muqueuse intestinale• tissu conjonctif• tissu musculaire• tissu nerveuxà part : cristallin

irradiation aiguë globale

DL50 # 4 Sv chez l’homme

• prodromesnausées, vomissements, diarrhée, fatigue, malaises

• latence

• 2 à 4 Sv syndrome hématopoïétiquelymphopénie, leucopénie, thrombopénie, anémie

• > 8 Sv syndrome gastrointestinalvomissements, diarrhée, hémorragie digestive, mort

• > 20 Sv syndrome nerveuxconvulsion, coma, mort

irradiation cutanée aiguë

• seuil # 3 Gy

• 3 - 5 Gyépilation # 4 Gyérythème # 5 à 6 Gy « dose érythème »érythème # 5 à 6 Gy « dose érythème »puis (3 semaines) épidermite sèche

• > 20 Gy épidermite exsudative

• > 30 Gy radionécrose

gonades• homme

stérilité transitoire > 0,2 Gystérilité définitive 4 - 6 Gy

• femmestérilité définitive 3 – 6 Gycastration

cristallincristallin• opacités cristalliniennes

> 1-2 Gy en exposition unique> 5 Gy en exposition fractionnée

• cataracte> 5 Gy en exposition unique> 10 Gy en exposition fractionnée

embryon et fœtus

• tératogenèse (malformations)effet déterministe à seuilCIPR 84 # 100 - 200 mGyMolé # 400 - 2000 mGy Br J Radiol 1993

• sensibilité variable au cours de la grossesseorganogenèse (du 9 ° jour au début de la 9 ° semaine)organogenèse (du 9 ° jour au début de la 9 ° semaine)

• taux de malformations spontanées # 3 %

• retard mental� seuil 100 - 200 mGy� 1 Gy : - 30 points de QI

• cancérogenèse : stochastique

• unités• niveau moléculaire• niveau cellulaire• niveau cellulaire• effets déterministes• effets stochastiques

• faibles ou fortes doses

• probabilité croît avec la dose

• gravité indépendante de la dosee.g. thyroïde enfant > 100 mGy fort dd => CTD

risques aléatoires (stochastiques)

e.g. thyroïde enfant > 100 mGy fort dd => CTD

• cancérogenèse

• malformations congénitales héréditaires (?)

• protection complexe : modèle dose-risque, seuils

le problème des faibles doses

• faible dose ≤ 200 mGy

• faible débit de dose ≤ 50 µGy / minute

• irradiation naturelle 8 µGy / jour

• doses rencontrées en radioprotection� industrielle� médicale diagnostique

• relation dose - risque ?

• seuil ? quasi-seuil ? linéaire sans seuil ?

évaluation du risque des faibles doses

excès derisque relatif

effets avérés

• linéaire sans seuil

exposition0X

ERR

effetshypothétiques

ERR

• quadratique

• hormésis

• réglementation

effets génétiques héréditaireschez l’homme

• prouvé chez l’animal (drosophile, souris)

• hypothétique chez l’homme

• aucun effet significatif• aucun effet significatif� Hiroshima - Nagasaki� Tchernobyl� Kérala

études épidémiologiques

Hiroshima-Nagasaki leucémies seuil # 150 mSv76.000 ; M 200 mSv cancers solides NS < 100 mSv

CIRC 2005 (BMJ) leucémies et cancers solides600.000 T. Nucléaire NS < 100 mSv600.000 T. Nucléaire NS < 100 mSv

radiologues > 1960 leucémies NS220.000 ; 10 - 50 mSv / an cancers solides NS

navigants leucémies NS47.000 ; 1,5 - 6 mSv / an cancers solides NS

(mélanomes)

études épidémiologiques

examens médicaux leucémies NScancers sein >> 100 mSv

radiothérapie NS si séances ≤ 150 mSv7.700 cancer du sein cancers solides NS

Kérala leucémies NS100.000 ; …70 mSv / an cancers solides NS

Yangijang leucémies NS100.000 ; 2 - 6 mSv / an cancers solides NS

F. de Vathaireétudes de cohorte sur les faibles doses de RIdoses < 100 mSvERR / Sv non significatif

effectif 415.000suivi 18 anscancers solides ERR = - 0,012 [-0,041 / +0,017]leucémies ERR = +0,032 [-0,011 / +0,019]

P. Duport. Int J Low Rad. 2003méta-analyse sur ensemble expériences publiées# 60 000 sourishormesis : 40 % des séries expérimentales pour des doses # 200 -250 mSv

existence hormesis

pour des doses # 200 -250 mSv

Portess D. Cancer Res. 2007Low -dose irradiation of nontransformed cells stimulate the selective removal of precancerous cells via intercellular induction of apoptosis

1 - autonomie de divisionactivation de facteurs de croissance

cancérogenèse : un processus darwinien complexe

2 - échappement aux mécanismes anti-prolifération inactivation de gènes suppresseurs de tumeur

3 - immortalisationaltération des mécanismes d’apoptosemaintien de la taille des télomères

inactivation de gènes suppresseurs de tumeur

4 - échappement au contrôle par les cellules voisine s

5 - échappement au contrôle immunitaire

événements physiques initiaux proportionnels à la d ose• indépendants• 1 mGy entraîne

� 1 CSB / cellule

la cellule n’est pas isolée et se défend

modèle classique : évolution linéaire• mutations indépendantes

� 1 CSB / cellule� 1 CDB / 25 cellules� 1 aberration chromosomique / 10.000 cellules

mécanismes de défense fortement non linéaires• leur mise en œuvre dépend

� de la dose� du débit de dose (nombre de lésions simultanées)

• proportionnellement plus efficaces à faible dose

état basal : métabolisme oxydatif / irradiation nat urelle• 3000 à 10 000 CSB / cellule / jour• 8 à 50 CDB / cellule / jour• systèmes de réparation basal activés

une défense au moindre coût

très faible dose (qq mGy) et débit de dose (< 5 mGy / min)• pas de signalisation supplémentaire

et pour quelques mGy de plus• signalisation• les lésions simples sont réparées• les lésions complexes conduisent à l’apoptose

• pas de signalisation supplémentaire• les lésions complexes ne sont pas réparées• mort cellulaireRothkamm - Lobrich. PNAS 2003 ; Collis. J Biol Chem 2004

de quelques mGy à # 100 - 200 mGy• signalisation• induction de systèmes de réparation• leur efficacité diminue avec la dose• apoptose ou réparation

une défense au moindre coût …

au delà de 100 - 200 mGyau delà de 100 - 200 mGy• réparation impérative pour la fonction tissulaire• lésions complexes réparées avec risque d’erreur• la cancérogénicité augmente• le risque de cancer est le prix de la réparation

au delà de 500 mGy• stimulation de la prolifération• facteur épigénétique

excès de risque relatif

exposition0 100 mSv10-20 mSv

élimination réparation prolifération

la règle de trois m’a tuer !

les radiographies seraient responsables de

Lancet 2004

les radiographies seraient responsables de 0,6% des cancers au Royaume Uni (700 / an)0,9% des cancers aux USA (6000 / an)3 % des cancers au Japon (7600 / an)

les incohérences de la CIPR • abandonner la Dose collective• conserver garde la Relation Linéaire Sans seuil• ces deux notions sont strictement équivalentes !

une relation linéaire sans seuil ne peut pas êtreutilisée pour prévoir le nombre de cancers induitspar les examens radiologiques

conclusion

cela ne remet en cause• ni la réglementation• ni les principes de la radioprotection médicale• ni les principes de la radioprotection médicale

• justification et optimisation

besoins de la radioprotection• nécessitent une quantification précise des risques• très faibles doses / très faibles débits de dose• qui prenne en compte l’évolution des connaissances

aurengo@wanadoo.fr