Effets biologiques des rayonnements ionisants Radioprotection Pr E. Garin, Biophysique et Médecine Nucléaire, Centre Eugène Marquis

Effets biologiques des rayonnements ionisants

Radioprotection

Pr E. Garin,

Biophysique et Médecine Nucléaire, Centre Eugène Marquis.

Plan du cours

1) Généralités sur les RI.1. 1 Différents types de RI.1. 2 Unités.

2) Lésions moléculaires.2.1 Principe général.2. 2 Radiolyse de l’eau.2. 3 Effets des RI sur l’ADN.

3) Lésions cellulaires.3. 1 Mort cellulaire.3. 2 Retard de mitose.3. 3 Restauration cellulaire.

4) Effets sur les tissus humains.4. 1 Effets déterministes.4. 2 Effets stochastiques.

5) Les différentes sources d’irradiation.

6) Radioprotection

Introduction

Rayonnement = propagation d’énergie à travers l’espace.

Les RI interagissent avec la matière en produisant des excitations ou des ionisations = absorption

Les RI sont responsables de lésions biologiques néfastes ou utilisées à des fins thérapeutiques.

Les sources de RI sont nombreuses et variées.

1) Généralités sur les RI.1. 1 Différents types de RI.

a) Rayonnements : - noyau d’hélium (2 neutrons et 2 protons), - très énergétiques (plusieurs Mev),- fort pouvoir ionisant,- pouvoir de pénétration très faible: qq cm dans l’air, qq dizaines de m

dans l’eau ou les tissus mous, stoppés par une feuille de papier, trajectoire linéaire car masse importante (7000 x plus lourde qu’un électron).

b) Rayonnements : - électrons (b-) et positons (b+),- énergie très variable (de 0 à plusieurs Mev),- pouvoir ionisant intermédiaire,- pouvoir de pénétration faible: qq mètres dans l’air, qq mm dans l’eau et les tissus mous, stoppés par un obstacle mince (ex: feuille d’alu de qq millièmes à qq mm), trajectoire sinueuse (masse légère).

c) Rayonnements X et :- radiations électromagnétiques d’origine atomique (X) ou nucléaire (), - énergie variable (qq Kev à qq Mev, celle des X est souvent < à celle des ),- pouvoir ionisant faible, ionisations indirectes,- pouvoir de pénétration très important: plusieurs centaines de mètres dans l’air,

traversent facilement l’organisme, stoppés par qq mm de plomb pour les X et jusqu’à plusieurs cm de plomb pour les .

d) Rayonnements neutroniques:- neutrons,- énergie élevée,- pouvoir ionisant fort mais ionisations indirectes (collision avec les noyaux),- pouvoir de pénétration très important: pratiquement pas ralentis par l’air,

pénètrent profondément dans l’organisme puis absorption importante par les tissus mous, traversent les blindages.

1. 2 Unités.a) Unité physique de dose absorbée.

La dose absorbée D correspond à l’énergie déposée par le RI par unité de masse.

D = dE/dm, en joule/Kg.

D est exprimée en Gray (Gy) avec 1 Gy = 1 joule/Kg.

=> la dose absorbée dépend de la nature du RI considéré et de la nature des tissus irradiés

Le débit de dose absorbée D correspond à la dose absorbée par unité de temps.

D = dD/dt, en Gy/s.

=> Une même dose absorbée peut se rencontrer dans 2 situations totalement différentes : faible débit de dose et exposition prolongée, fort débit de dose et exposition brève

b) Unité biologique d’équivalent de dose.

La dose absorbée ne permet pas à elle seule d’expliquer les effets biologiques des RI. D’autres paramètres interviennent tels que la nature des RI considérés et la nature des tissus irradiés.

L’équivalent de dose H fait intervenir la nature des RI.

H = D Wr, en Sievert (Sv) et 1 Sv = 1 Gy

où Wr = Facteur de qualité caractérisant le RI, Wr = 1 pour les X, les , et les , Wr = 5 à 20 pour les neutrons en fonction de leur énergie, Wr = 20 pour les .

L’équivalent de dose efficace He fait intervenir la nature des RI et des tissus.

He = D Wr Wt en Sv

où Wt = Facteur de distribution caractérisant le milieu.

Organes Wt

Gonades 0.2

Moelle osseuse, Estomac 0.12Colon, Poumons 0.12

Vessie, sein, foie 0.05Œsophage, thyroïde 0.05

Peau, surface osseuse 0.1

Corps entier 1

c) Unité d’activité.

Le débit de dose D délivré par une source radioactive dépend directement de l’activité de cette source (il dépend aussi de la distance et du milieu traversé).

L’activité d’une source radioactive corresponds à la quantité de radioactivité présente dans la source,

activité = nombre de désintégrations radioactives par seconde.

USI = becquerel (Bq), 1 Bq = 1 désintégration par seconde.

Ancienne unité: curie, 1 mCi = 37 MBq

Plan du cours






6) Radioprotection

2) Lésions moléculaires.2.1 Principe général.

Le phénomène initial = transfert d’une partie de l’énergie radiative à la molécule.

Le transfert d’énergie:- forme thermique = négligeable,- ionisations, excitations.

L’excès d’énergie est expulsé soit par émission de photons (fluorescence) soit par transfert de cette énergie sur une liaison au voisinage qui peut se rompre.

=> l’excès d’énergie interne compromet la stabilité de la molécule et peut être responsable de modifications des liaisons chimiques donc de lésions moléculaires.

Les RI possèdent 2 particularités:

- efficacité importante pour créer les lésions moléculaires,- absence de spécificité moléculaire (les lésions dépendent de la

nature des atomes constituant la molécule).

=> toutes les molécules de l’organisme peuvent être modifiées, 2 sont particulièrement importantes:

- l’eau (70% du poids de l’organisme, siège le plus fréquent des lésions moléculaires),

- l’ADN (modifications du patrimoine génétique).

2. 2. Radiolyse de l’eau.L’irradiation de l’eau aboutit à la formation de radicaux libres de haute réactivité chimique.

Radical libre = atome ou molécule possédant un électron non apparié.

a) Etape initialeExcitation: h + H2O H2O

Ionisation: h + H2O H2O.+ + e-

b) Etape pré-diffusionnelle (délais de 10-12 S).Les molécules excitées et radicalaires donnent lieu aux réactions suivantes:

- H2O OH. + H.- H2O.+ OH. + H+

L’électron éjecté lors de l’ionisation se stabilise au niveau de l’énergie thermique et s’entoure d’une cage de molécules d’eau pour former un électron acqueux (e-aq) réducteur puissant.Certains électrons éjectés se recombinent avec les ions positifs du milieu (H2O.+ , H+).

c) étape diffusionnelle (10-6 S).

Les produits de la radiolyse (OH., H., e-aq, H+) se recombinent simultanément entre eux ou diffusent dans le milieu.

Les principales recombinaisons sont:

- OH. + OH. H2O2 (eau oxygénée, oxydant puissant)

- OH. + e-aq OH-

- OH. + H. H2O

- e-aq + H+ H.

- H. + H. H2

A la fin de l’étape diffusionnelle les produits de radiolyse présents dans le milieu sont: OH., e-aq, H., H+, H2O2 et H2

d) Etape chimique.Les radicaux ainsi formés, hautement réactifs, peuvent modifier les liaisons chimiques et être responsable d’altérations moléculaires.

Par exemple:

Réaction avec un radical OH.

R-H + OH. R. + H2OR. + OH. R-OH

Réaction avec un radical H.

R-H + H. R. + H2

R. + R’. R-R’

=> inactivations enzymatiques, dégradation des macromolécules.

e) Effet radiosensibilisant de l’oxygène.

L’oxygène augmente l’effet biologique des RI par l’intermédiaire de 2 types de réactions:

- créations de radicaux libres HO2. à partir de 2 réactionsH. + O2 HO2.e-aq + O2 O2

-, O2- + H2O HO2. + OH-

Ce radical libre (HO2.) est beaucoup plus stable que les radicaux OH. et H.Il entraîne la formation d’eau oxygénée (HO2. + HO2. H2O2 + O2; HO2. + H. H2O2).

- créations de radicaux péroxydes (toxiques à demie vie longue, persistant après l’irradiation):

R. + O2 ROO.

f) Molécules radioprotectrices.

Certaines molécules possèdent à l’inverse un pouvoir radioprotecteur comme les molécules ayant un radical thiol (mécanisme inconnu).

2. 3 Effets des RI sur l’ADN.a) Effets directs des RI sur l’ADN.

Les effet sur l’ADN peuvent être de deux types, directs ou indirects.

Les effets directs sont secondaires aux transfert direct de l’énergie du RI à la molécule d’ADN.

Les effets indirects correspondent aux effets secondaires aux réactions physico-chimiques ayant lieu dans l’environnement proche de l’ADN (radiolyse de l’eau principalement).

Les RI peuvent être responsables de ruptures d’un ou des deux brins de la chaîne d’ADN (cassure simple brin : CSB ; ou double brin : CDB), de modifications chimiques des bases ou des sucres et de différents types de pontages.

b) Expression biologique des lésions de l’ADN.

La plupart des lésions de l’ADN n’ont pas d’expression biologique pour 2 raisons:

- les différentes régions de la chaîne d’ADN ne sont pas codante pour la synthèse de protéines, pour une cellule donnée environ 90% des gènes ne s’expriment pas.

- la plupart des lésions sont réparables.

c) Mécanismes de réparation.

Environ 1000 km d’ADN sont synthétisés par seconde dans l’organisme humain.

Agression permanente de l’ADN- radioactivité naturelle- radicaux libres produits par le métabolisme oxydatif (3500 CSB et 10 CDB

par cellule et par jour)

=> Il existe des mécanismes de réparation efficaces de l’ADN

d) Les différents mécanismes de réparation.

Excision resynthèse.

C’est le mécanisme prépondérant, il a lieu sur les chaînes d’ADN qui ne sont pas en réplication:

- reconnaissance de la lésion par une endonucléase,- excision du segment lésé par une exonucléase,- synthèse d’un nouveau fragment par une ADN polymérase en

prenant le brin intact comme modèle,- ligation du brin resynthétisé à la chaîne d’ADN par une ligase.

=> la réparation est fidèle.

Recombinaison post-réplicative.

Ce mécanisme survient quand les cellules sont en phase S.

- l’ADN polymérase ne reconnaît pas la lésion et ne peut pas répliquer le fragment lésé => brèche,

- cette brèche est comblée par le transfert du segment d’ADN correspondant provenant de l’autre brin de la chaîne mère intacte;

- cette deuxième brèche est réparée par resynthèse et la lésion par excision resynthèse.

=> la réparation est fidèle.

Réparation SOS ou mutagène.

Ce mécanisme ne fonctionne pas en permanence, il est induit dans certaines conditions pathologiques (ex: irradiation).

Synthèse d’une protéine particulière ( RecA) levant l’inhibition de la réplication des fragments lésés. La réplication de l’ADN peut se poursuivre mais la lésion n’est pas remplacée par la structure saine correspondante

=> apparition d’une mutation.

Réparation des ruptures doubles brins.Mécanismes mal précisés, réparations pouvant être fautives.

Ces mécanismes de réparations peuvent néanmoins être insuffisants:

- en particulier lorsque le nombre de lésions à réparer est très important (saturation des systèmes enzymatiques), notamment en cas d’irradiations fortes à débit élevé,

- dans certains cas la réparation est fautive: le brin réparé n’est pas la copie fidèle du brin intact,

=> apparition possible de mutations malgré les systèmes de réparation.

e) Les mutations.Dans certains cas les RI sont responsables de lésions chromosomiques non létales pouvant conférer à la cellule mutée de nouvelles propriétés.

Certaines mutations touchant une cellule somatique peuvent être responsable de développement de cancers.

Proto-oncogène initiation = mutation

Oncogène (prolifération infinie, immortalité) , 200 sont connus promotion (sélection clonale,instabilité chromosomique...)

Tumeur

Ce processus de transformation maligne est très complexe et très long

Si la mutation touche une cellule germinative elle peut être transmise à la descendance et être responsable d’anomalies héréditaires.

f) Lésions chromosomiques.

La plupart des lésions provoquées sur l’ADN par les RI ne sont pas directement observables.Dans certains cas elle peuvent se traduire par des anomalies structurales visibles au microscope quand se forme les chromosomes: délétions, translocations, chromosomes en anneau, chromosomes dicentriques (2 centromères).

L’apparition de chromosomes dicentriques est spécifique d’une irradiation et permet d’apprécier la dose reçue par un sujet irradié:

- observation des lymphocytes en métaphase2 Gy => 20% de dicentriques1 Gy => 8% de dicentriques0.5 Gy => 2% de dicentriques< 0.25 Gy => non mesurable.

Plan du cours






6) Radioprotection

3. Les lésions cellulaires.3. 1 Mort cellulaire.

a) Mort cellulaire immédiate.

La mort cellulaire immédiate ne survient que pour des doses d’irradiation extrêmement importantes de l’ordre de quelques centaines de Gy.

b) Mort cellulaire différée.

Les cellules irradiées continuent de fonctionner mais perdent la capacité de se multiplier (aberrations chromosomiques), la mort cellulaire survient après un temps variable dépendant de la vitesse de renouvellement cellulaire.

Le phénomène de mort cellulaire différée est d’autant plus précoce que les cellules ont un haut pouvoir de prolifération: cellules souches de la moelle osseuse, cellules intestinales, cellules de la peau, cellules cancéreuses.

c) Influence du débit de dose sur l’effet létal.Pour une même dose, l’effet des RI est plus important si le débit de dose augmente. Les variations sont importante entre 10-2 et 1 Gy/min.

Cette augmentation de l’effet pour des fort débits de dose s ’explique par la saturation des mécanismes de réparation de l’ADN.

% cellules vivantes

Débit dose

d) Influence de la phase du cycle cellulaire sur l’effet létal.

Le cycle cellulaire est constitué de 5 phases:- G1 (6h) = synthèse des enzymes nécessaires à la synthèse

d’ADN,- S (10h) = synthèse de l’ADN,- G2 (5h) = préparation à la mitose,- M (1h) = mitose,- G0 (durée variable) = fonctions physiologiques.

Les cellules sont le plus radiosensibles pendant la mitose et la phase G2.

=> les cellules de l’organisme qui ont un haut pouvoir de prolifération sont plus radiosensibles.

3. 2. Le retard de mitose.

Lorsque la dose de RI est relativement faible il n’y a pas de mort cellulaire mais éventuellement uniquement un retard de mitose de quelques heures (allongement de la phase G2 ou de la phase S).

3.3. La restauration cellulaire.

Dans les premières heures qui suivent une irradiation, les cellules peuvent réparer une partie des dommages causés. Les cellules saines sont capables de réparer leurs lésions beaucoup plus rapidement que les cellules cancéreuses,

=> fractionnement des doses en radiothérapie.

Plan du cours






6) Radioprotection

4. Les effets tissulaires des RI.

On distingue deux types d’effets chez l’homme: les effets obligatoires ou déterministes secondaires aux lésions létales, et les effets aléatoires ou stochastiques secondaires aux lésions non létales.

4.1. Les effets déterministes.

Ils apparaissent au-delà d’une dose seuil dont la valeur est généralement connue pour une lésion donnée.

Si la dose est inférieure au seuil, le nombre de cellules détruites est trop faible pour que l’effet soit apparent.

Une fois que le seuil de dose est atteint, ils apparaissent de façon obligatoire.

Au dessus du seuil, la gravité de l’effet dépend de la dose reçue.

=> altérations de la moelle osseuse hématopoïétique, de l’intestin et du SNC.

- Syndrome hématopoïétique (1Gy):mortel, sans traitement, pour 50% des patients pour une dose > 3 à 4 Gy.

Granulopénie => infectionsThrombopénie => hémorragiesAnémie => pâleur cutanéo-muqueuse, asthénie, dyspnée...

- Syndrome digestif (7Gy):

ulcérations digestives, déséquilibre hydro-électrolytique (mort par déshydratation en quelques jours pour une dose > 10 Gy).

- Syndrome neurovasculaire (40Gy):

désorientation, détresse respiratoire, convulsions, coma (décès en 48h).

a) Après irradiations globales aiguë.

b) Effets des Irradiations localisées sur les organes.

La peau :Brulures (3Gy)Tardivement Fibrose (12 Gy)

Les gonades.-Testicules: stérilité définitive (6 Sv)-Ovaires: stérilité à partir de (12 Sv)

Les yeux: cataracte (2 Sv)

Les poumons : Fibrose (30 Gy).

Les reins : Radionéphrite avec HTA et IR à partir de 20 Gy.

Les os : Radionécrose (70 Gy).

La thyroïde : Hypothyroïdie chez 50% des sujets pour 200 Gy

c) Effet des RI sur l’embryon et le foetus.

Dans les huit premier jours.Avortement pour une irradiation de 4 Gy.

=> Irradiation diagnostique ou thérapeutique que les 10 jours suivant le début des règles pour les femmes en période d’activité génitale.

De J9 à J 60.Période d’organogénèse avec prolifération rapide de tous les tissus => période de radiosensibilité élevée avec apparition de malformations:

Après J 60.Période foetale. Radiosensibilité moins importante,

- retard de croissance, petite taille adulte,- risque cancérigène (leucémie, néphroblastomes...).

4. 2. Les effets stochastiques.

Ce sont des effets rares qui apparaissent de façon aléatoire, secondairement à des lésions non létales (mutations).

On ne sait pas s’il existe un effet seuil.

La gravité des effets stochastiques est d’emblée maximale.

=> Cancers radio-induits et anomalies génétiques

Plan du cours






6) Radioprotection


L’homme est soumis en permanence à des RI:

- origine naturelle (cosmique, tellurique, interne),- origine artificielle (médicale, industrielle, domestique,

explosions nucléaires);

a) Irradiation naturelleC’est une irradiation permanente à faible débit de dose.

La dose efficace annuelle est en moyenne par individu de 2.4 mSv/an.

- Irradiation cosmique:

RI provenant du soleil et des galaxies.


Elle augmente faiblement au niveau des pôles et beaucoup avec l’altitude (x 2 tous les 1500 m):

Altitude (m)

He (mSv/an)

0 0.26

1000 0.36

2000 0.64

3000 1.1

- Irradiation tellurique:

RI provenant des constituants de l’écorce terrestre ou de différents matériaux (à l’intérieur des habitations).


Elle dépend de la nature du sol:He (mSv/an)

craie 0.3

sédiments 0.5

granit 1 à 1.5

L’exposition tellurique varie beaucoup en fonction des pays ou régions:- France: 0.6 mSv/an

1.3 à 1.7 mSv/an dans les régions granitiques0.14 mSv/an dans les Bouches-du-Rhône

- 4 à 7 mSv/an dans le Kérala en Indes,- jusqu’à 400 mSv/an en Iran.

- Irradiation interne:

Le corps humain est radioactif de façon naturelle.


Origine de l’irradiation interne:- principalement par inhalation de radon (1.3 mSv/an),- ingestion (0.18 mSv/an), principalement de potassium 40 (70Bq/kg

de lait, 140 Bq/kg de blé, 150 Bq/kg de pommes de terre, 100Bq/kg de viande).

Radioactivité de différents milieux naturels.

eau de pluie 0.3 à 1 Bq/l

eau de rivière 12 Bq/l

eau de mer 14 Bq/l

eau minérale 1 à 2 (40) Bq/l

lait 60 Bq/l

sédiments 400 Bq/kg

granit 8000 Bq/kg

corps humain 200 Bq/kg

b) Irradiation artificielle.Ces irradiations récentes sont dues à des sources crées par l’homme. - Irradiation médicale.Ce sont des irradiations brèves à débits de dose relativement élevés. La dose efficace annuelle moyenne rapportée par individu est de 1 à 2 mSv/an.

Origine:- examens de radiologie

- examens de médecine nucléaire

- radiothérapie

18F-FDG/CT

- Irradiation industrielles:

Elles sont secondaires à des rejets liquides et gazeux (soumis à autorisation) par les centrales nucléaires et les usines de traitement.

La dose efficace annuelle estimée pour les populations à risque est comprise entre 0.001 et 0.2 mSv/an. - Explosions nucléaires.

Diffusion dans l’atmosphère de radioélément à demie vie longue.La dose efficace annuelle est de 0.005 mSv/an. - Irradiations domestiques.

La dose efficace annuelle est estimée à 0.05 mSv/an.Montres à cadrans lumineux (radium).Ecrans de télévisions: émissions de rayons X de faible énergie.Paratonnerres (radium ou américanium).

Plan du cours






6) Radioprotection

Contexte:

Exposition constante à de faibles doses

Exposition occasionnelle à des doses plus élevées, médicales (radiologie, radiothérapie, médecine nucléaire)

Objectifs:

Protection des individus contre les effets des rayonnements ionisants (RI)

Protection du public et des travailleurs

Moyens

Mesures réglementaires

1. Principe de responsabilité:– Responsabilité des exploitants pour la sûreté des installations nucléaires, – Responsabilité des fournisseurs de sources radioactives– Responsabilité des employeurs,– Responsabilité du médecin réalisant l’exposition– Responsabilité des pollueurs

2. Justification de l’exposition: – Évaluation des risques et des bénéfices attendus– Prescription médicale motivée obligatoire– Le médecin spécialiste est le seul responsable de l’exposition du patient et a le droit

de refuser de faire l’examen

3. Principe de limitation des doses:– < au doses réglementaires (sauf exposition médicale)

4. Principe d’optimisation (ALARA): l’exposition doit toujours être la plus faible possible

Quatres principes fondamentaux.

• Exposition maximale au cours de 12 mois consécutifs

- Dose efficace CE : 20mSv

- Peau: 500 mSv

- Cristallin: 150 mSv

- Femme enceinte: < 1 mSv

• Limites: but = rendre impossible tout effet déterministe et réduire au maximum le risque d’effet stochastique (mais pas de seuil ???)

Protection des travailleurs (Décret 2003-296 du 31 mars 2003)

1 mSv 6 mSv 20 mSv

Public Catégorie B Catégorie A

Exposition indirecte Directement affectées

à des travaux sous RI

Personnes de Dosimètre individuel

16-18ans

Classement des travailleurs exposés au rayonnements(Décret 2003-296 du 31 mars 2003)

Zone Contrôlée:

- Lieu ou l’exposition des travailleurs est susceptible de dépasser les 3/10

- Débit de dose < 25Sv/H

tolérance si débit > 25Sv/H => dose sur 1h < 25Sv

Zone Surveillée:

- Lieu ou l’exposition des travailleurs est susceptible de dépasser les 1/10

- Débit de dose < 7,5Sv/H

tolérance si débit > 7,5Sv/H => dose sur 1h < 7,5Sv

Définition des Zones(Décret 2003-296 du 31 mars 2003)

Trois moyens fondamentaux pour réduire l’exposition

Distance, Temps, Ecran

• Le débit de dose D varie avec l’inverse du carré de la distance:

– D(x) = D0/x2

• Le débit de dose D est proportionnel à la durée de l’exposition

• Ecran: D(x) = D0 e-x, = coefficient d’atténuation linéique du matériau constituant l’écran

– Couche de demie-atténuation ou CDA => CDA =ln2/

– Blindage des murs, enceintes de manipulation, protège seringue…

Distance, Temps, écran

CDA en mm

béton acier plomb

99mTc 22 3,2 0,3

131I 40 12,5 3,3

18F 47 15 4,8

... .

.

. .

Documents

Effets biologiques des rayonnements ionisants Radioprotection Pr E. Garin, Biophysique et Médecine Nucléaire, Centre Eugène Marquis