The study is mainly focused on Monte Carlo simulation of carbon fragmentation in nuclear emulsion. The carbon ion is selected as a remarkable candidate for the cancer therapy usages due to its high efficiency in depositing majority of its energy in the narrow region which is called Bragg Peak. On the other hand, the main side effect of heavy-ion therapy is the radiation dose beyond the Bragg Peak which damages the healthy tissues. Therefore the use of heavy-ion in cancer therapy requires accurate understanding of ion-matter interactions which result in the production of secondary particles. A Geant4 based simulation of carbon fragmentation has been done considering 400 MeV/n carbon beam directed to the detector which is made of nuclear emulsion films, interleaved with lexan layers. Four different models in Geant4 are compared with recent real data. Among the four different models, Binary Cascade Model (BIC) shows a better agreement with real data.

Radiotherapy is one of the most used methods for treating cancer and the most common way to execute such treatments is to irradiate tumors with high energy photons. This can damage healthy tissue along the irradiation line. By using hadron therapy and instead irradiate the tumor with charged particles (protons or Carbon 12 ions), the energy can be concentrated to a more specific place in the body. However, the method is not well studied and the tools available for simulating hadron therapy can be hard to use. When simulating hadron therapy and other nuclear interactions a large amount of calculations need to be executed. Monte Carlo methods is a numerical method to solve equations based on repeated number sampling and is used in the simulation program Geant4. Hadron therapy was simulated with Geant4 and the data was analyzed with the data analysis framework ROOT. New macros and analysis scripts were created with the intention to help new Geant4 users. The aim to make Geant4 easier to use was partially met. The implementation of code for the low energy region of Carbon 12 projectiles was unsuccessful.

Cette thèse vise à étudier les nanoparticules d'or (NPOs) comme radio sensibilisateur et nano catalyseur afin d'améliorer la production d'espèces réactives de l'oxygène (EROS) et à fournir un aperçu de l'effet protecteur potentiel des acides aminés de base contre les effets des rayonnements ionisants afin d'étudier le mécanisme de dommages de l'ADN. En outre, il vise à améliorer notre connaissance des effets directs et indirects sur l'ADN plasmatique qui est une cible importante et sensible lors de l'étude des effets des rayonnements ionisants. Cette étude nécessite à la fois Ia bonne distribution et le contrôle de l'ADN déposé sur graphite HOPG. Nous avons procédé à la préparation de films (couches nanométriques à l’échelle) faite d'un complexe d'ADN avec des amines, ainsi que les acides aminés basiques. Nous avons caractérisé le déposé sec par microscopie a force atomique et par XPS. Nous avons montré que les couches contenant des acides aminés basiques sont très denses et que la protection contre les dommages de l'ADN après re-dissolution dans l'eau est très efficace. Ensuite, nous avons déposé l'ADN plasmatique à sec soul sur des feuilles minces de mylar et d'exposé ces films à un faisceau de protons à différentes énergies, Nous avons montré que, dans le value de pic de Bragg d'énergie a protons énergies inferieure a 500 keV il y a un rendement Cleve de protons a endommagé l'ADN. L'effet indirect a donc été étudié en exposant l'ADN plasmatique en solution aqueuse par rayons X ultra-mous. Nous avons procédé a de telles expériences en utilisant 100 lit de solution d'ADN plasmatique avec et sans différentes concentrations de 2-amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol, (Tris) et l'arginine (Arg) à température ambiante et sous agitation. Une très bonne procédure expérimentale. Nous avons montré que les rendements pour les pauses ADN simples brins ont permis au ratio indirect des effets directs à déterminer à 96% en bon accord avec la valeur de 97% découlant d’une étude basée sur l’irradiation aux rayons gamma de solutions congelées de l’ADN plasmatique. Nous analysons nos résultats et nous suggérons que les produits secondaires de Arginine réagissent avec les radicaux OH pour produire des effets secondaires; notamment en raison du fait que, contrairement au Tris, Arg est capable de liaison à l'ADN à l'extérieur et également à l'intérieur de la double hélice. Nous avons exposé également l'ADN de plasmide en solution aqueuse et complexe aux deux autres acides aminés basiques (lysine et histidine) par rayons X ultra-mous. Nous avons constaté que la présence de ces acides aminés augmente également la détérioration de l'ADN et suggère que les acides aminés sont donc également susceptibles de produire des effets secondaires. Enfin, nous avons étudié Ie rôle de nanoparticules d'or (NPO) dans le renforcement de la sensibilisation de la radio de l'ADN. En utilisant de nouveaux protocoles expérimentaux, nous avons fini à interpréter l'interaction du (NPOs) avec ionisation rayonnement dans des solutions aqueuses oxygénées. Pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de sensibilisation de radio par NPOs, nous avons utilisé une variété de espèces détritivores, spécifiques et réactives d'oxygène et l'ADN plasmatique comme sonde afin de favoriser les voies donnees et de determiner laquelle d'entre elles est la plus efficace dans l'ADN dommageable. Cette étude a démontré pour la première fois que les NPOs contribuent en permanence à l'amélioration de la production de OH en utilisant un stock potentiel maintenu sous la forme d'HO2 • / 02 • - et H202 produits de radiolyse de l'eau primaire. Nous avons montre en effet que H202 peut réagir avec NPOs pour produire • OH radicaux. / This thesis aims at studying the gold nanoparticles (GNPs) as radiosensitizer and nanocatalyst in order to enhance the generation of reactive oxygen species (ROSs) and at providing insight into the potential protective effect of basic amino acids against ionizing radiation effects in order to study the mechanism of DNA damage. Also, it aims at improving our knowledge of direct and indirect effect on plasmid DNA which is an important and sensible target when studying ionizing radiation effects. This study required both the good distribution and control of the DNA deposited on HOPG (Highly Ordered Pyrolytic Graphite). We carried out the preparation of films (nanometer scaled layers) made of complex of DNA with diamines as wel as basic amino acids. We have characterized dry deposited by AFM (Atomic Force Microscopy) and by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). We have shown that the layers containing basic amino acids are very dense and that the protection against DNA damage after re-dissolution in water is very effective. Then, we have deposited dry plasmid DNA alone on thin mylar foils and exposed those films to a proton beam at various energies. We have shown that in the Bragg-peak energy range i.e. at proton energies lower than 500 keV there is a high efficiency of protons to damage DNA. The indirec effect was thus studied by exposing plasmid DNA in aqueous solution by (USX). We carried out such experiments by using 100 pit of plasmid DNA solution with and without different concentrations of 2-Amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol (Tris) and arginine (Arg) at ambient temperature and under stirring. A very good agreement was found with the rare data dealing with DNA plasmid exposed to Al Ka photons at low temperature (T < 277 K), which therefore validated the experimental procedure. We showed that the yields for DNA single strand breaks determined enabled the ratio of indirect to direct effects to be determined at 96.2%; in good agreement with the value of 97.7% stemming from a study based on y-ray irradiation of frozen solutions of plasmid DNA. We analyze our results and suggest that secondary products of Arginine react with OH radicals to produce side effects; notably due to the fact that contrary to Tris, Arg is capable of binding DNA outside but also inside the double-helix. We exposed also the plasmid DNA in aqueous solution and complexed to the two other basic amino acids (histidine and lysine) by USX. We found that the presence of tilos amino acids also increases DNA damage and suggest that those amino acids are therefore also prone to produce side effects. Lastly, we studied the role of Gold Nano Particles (GNPs) in enhancing DNA radio sensitization. By using new experimental protocols, we achieved to interpret the interaction of GNPs with ionization radiation in oxygenated aqueous solutions. To get better insight into the mechanisms of radiosensitization by GNPs, we used a variety of specific reactive oxygen species scavengers and plasmid DNA as a probe in order to favor given pathways and to determine which of them is the most effective in damaging DNA. This study has demonstrated for the first time that the GNPs contribute permanently to the enhancement of ■OH production by using a potential stock kept under the form of 1102•/02•- and H202 primary water radiolysis products. We showed indeed that H202 ca react with GNPs to produce •0H radicals.