La compréhension et la maitrise des effets de particules chargées, notamment des ions, sur la matière biologique sont aujourd’hui un enjeu majeur pour la communauté scientifique. Que ce soit d’un point de vue thérapeutique (pour la radiothérapie) ou préventif (mesure des risques encourus par des personnes soumises à des rayonnements : astronautes dans l’espace…) il est aujourd’hui essentiel de décrire avec finesse les processus ionisants impliqués dans le ralentissement des particules chargées dans la matière vivante. Ainsi, le docteur Robert Wilson est le premier, dès 1946, à avoir montré les effets positifs des protons en radiothérapie et leur potentiel thérapeutique particulier. Depuis, les ions légers comme le proton ou les ions carbone, sont de plus en plus utilisés dans le cadre d’approches thérapeutiques telles que les traitements anticancéreux. Nous développons dans le cadre de cette une simulation Monte Carlo pour modéliser le transport et les effets des ions dans la matière biologique. Au préalable, nous présentons un travail approfondi sur les interactions induites par des ions multichargés sur le milieu biologique afin d’établir les données (en termes de probabilités d’interaction nommées sections efficaces) indispensables à toute simulation Monte Carlo. Dans notre travail, le milieu biologique est représenté d’une part par de l’eau en phase vapeur et d’autre part par l’ADN. Nous étudions ainsi les effets induits par le passage de protons dans l’eau et dans l’ADN, ce qui est une approche originale et nouvelle du transport de particules chargées dans la matière, en évaluant notamment l’influence de la représentation du milieu biologique et des modèles d’interaction que nous retenons dans notre simulation. / The understanding of the effects of charged particles, including ions, in biological matter is a major challenge for the scientific community. Whether a therapeutic standpoint (for radiotherapy) or preventive (measure of risk to persons subjected to radiation: astronauts in space ...) it is now essential to describe with finesse all the ionizing processes involved in slowing down of charged particles in living matter. Thus, Dr. Robert Wilson was the first, in 1946, to have shown the positive effects of proton radiation therapy and their potential therapeutic. Since then, the light ions like protons or carbon ions, are used in therapeutic approaches such as anticancer treatments.In this work, We develop a Monte Carlo simulation to model the transport and effects of ions in biological material. Beforehand, we present a detailed work on the interactions induced by multicharged ions on the biological environment to compile the data (in terms of probabilities of interaction cross sections named) essential to any simulation Monte Carlo. In our work, the biological environment is represented partly by water vapor and also by DNA. We study the effects induced by the passage of protons in water and in DNA, which is an original and new transport of charged particles in matter, in particular assessing the influence of the representation of the biological and interaction models that we use in our simulation.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre.

Un des principaux buts du domaine de la radiobiologie est de donner une description complète des effets de la radiation ionisante (RI) sur les cellules vivantes et sur l'organisme humain, en analysant la séquence des événements par lesquels les radiations modifient un système biologique. Ce sont tout d'abord les événements ultrarapides (10[indice supérieur -15] -10[indice supérieur -12]s) qui initient tout le processus de modification (dommage). Les études présentées dans ce mémoire portent sur ce type d'évènement durant l'irradiation de l'acide désoxyribonucléique (ADN). Ce choix est dicté par l'importance de l'ADN qui est la structure cible causant la létalité cellulaire. Les électrons de basse énergie (EBE) représentent un élément très important en sciences des radiations, surtout en ce qui concerne les phénomènes ultrarapides (de l'ordre de la femtoseconde (fs)) se produisant lors de l'impact de la radiation sur le milieu biologique. En effet, suite à l'impact du rayonnement ionisant (RI) sur l'ADN, des électrons appelés électrons secondaires (ES) sont arrachés de la cible. Il a été montré, lors d'études récentes, que l'énergie la plus probable de ces ES est de 9-10 eV et qu'ils portent en majorité une énergie inférieure à 25 eV (Pimblott et La Verne, 2007). En plus, dans une cellule irradiée, il y a environ 10 5 produits secondaires (PS) par 1 MeV d'énergie déposée (Pimblott et La Verne, 1995 ; Sanche, 2005), et parmi ces PS, il y a environ 4x10[indice supérieur 4] ES. Il est donc pertinent, voire nécessaire, d'étudier l'effet des ES de basse énergie sur l'ADN. Des études de ce genre ont été plusieurs fois réalisées auparavant. Cependant, les molécules neutres, qui pourtant ont un rôle très important dans le dommage à l'ADN, ne sont pas assez étudiées par rapport aux ions par exemple. L'effet sur des monocouches autoassemblées ("Self Assembled Monolayers" : SAM) d'oligonucléotides (ODN) simple brin chimisorbés sur un substrat d'or a été étudié par spectrométrie de masse des espèces neutres désorbées suite à l'impact électronique. Les SAM sont bombardées à haut courant (10[indice supérieur -6] Amp) et dans une chambre à hyper vide (10[indice supérieur -9] Torr) avec des électrons ayant une énergie de 3 à 25 eV, grâce à un canon collimé magnétiquement. Nos résultats montrent que les EBE ont des effets directs et indirects sur l'ADN. Ces effets semblent être principalement des cassures de brin. Il n'y a pas eu observation de molécules de sucre ou de fragments contenant du phosphore ou encore de bases d'ADN entières. Cependant, nous observons la formation de nouvelles (pour ce type d'expériences) molécules neutres. La section efficace absolue est obtenue à partir de la pression partielle absolue des molécules neutres. Nos résultats montrent qu'en plus des mécanismes résonnants tels que l'attachement dissociatif d'électron (ADE), des excitations non résonantes (dissociations directes) sont à l'origine du dommage à l'ADN. Et les courbes de section efficace obtenues pour la majorité des molécules neutres ont la même allure que les courbes de section efficace de cassure simple brin obtenues par Cai et al. (2006). D'autre part, avec la proximité de notre substrat d'or, les rendements de désorption de fragments neutres ont pu être réduits (Rowntree et al., 1996) et par conséquent les dommages pourraient s'avérer plus importants dans le milieu biologique. Nous avons aussi suggéré quelques mécanismes de formation des molécules neutres. Les EBE ont des effets importants sur l'ADN et ces effets dépendent de l'environnement et de la topologie moléculaire de l'ADN (Abdoul-Carime et al., 2000). L'importance de ces effets implique l'action des EBE en radiobiologie et en radiothérapie.

La détection de rayonnements ionisants - notamment les neutrons de basse énergie qui sont la signature de matériaux fissibles - est un enjeu majeur pour des applications duales civiles et militaires. La raréfaction de l’hélium 3 indispensable à la production de détecteur nécessite la découverte et la mise au point d’alternative fiable. Le développement de prototypes de détecteurs pour la caractérisation de neutrons permet de répondre aux risques d’accidents technologiques et de terrorisme. Mais ils permettent également l’amélioration de l’analyse de radiations ionisantes en recherche fondamentale. Une approche convergente de la synthèse des matériaux salins luminescents permet d’adresser à la fois la détection et la discrimination de rayonnements ionisants mais également de développer de nouveaux matériaux pour la détection de petites molécules en phase gazeuse. Les matériaux ioniques à base de sels d’imidazolium présentent des propriétés physiques remarquable tout en ayant une structure chimique malléable à façon. Ce projet vise à explorer de nouvelles méthodes pour la synthèse de sels d’imidazolium luminescents et leurs propriétés en détection. / Detector of ionizing radiation is a key challenge for both civil and military applications. New prototype of ionizing radiation discrimination helps us against technological accident and terrorism act. For instance, neutron of low energy is sign of fissile material. However current detectors require helium 3 which is scarce resource. Thus, a sustainable alternative has to be found. A convergent approach to synthesis active luminescent salt materials cope both. It identities and discriminate ionizing radiation. Especially for small cell in gas phase, this approach allows to develop new material to detect them. Based on imidazolium salt, ionic material has remarkable property with the benefit of being scalable.This project aims to explore new synthesis methods of luminescent imidazolium and their properties to identify ionizing radiation characteristic.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) sont en passe de supplanter les autres formes de mémoires à accès aléatoire utilisant des états de charge électrique, et ce grâce à leurs nombreux avantages techniques : non-volatilité, rapidité, faible consommation énergétique, robustesse. Egalement, les MRAM sont prétendues insensibles aux rayonnements ionisants, ce qui n'a pas été vérifié expérimentalement jusqu'à présent. L'architecture actuelle des MRAM est basée sur l'utilisation de jonctions tunnel magnétiques (JTM). Ces MRAM peuvent présenter un inconvénient de taille, car elles sont susceptibles d'exhiber des erreurs d'adressage, en particulier lorsque l'intégration (la densité de points mémoire) est de plus en plus poussée. Le travail mené pendant cette thèse concerne ces deux points : - vérifier la fiabilité fonctionnelle des MRAM à base de JTM exposées aux rayonnements ionisants de haute énergie ; - étudier un alliage amorphe ferrimagnétique, le GdCo, susceptible d'entrer dans la composition de JTM et permettant de s'affranchir des éventuelles erreurs d'adressage par un processus d'inhibition thermique des points mémoire. Ces travaux de thèse ont démontré que les MRAM à base de JTM conservent pleinement leurs propriétés fonctionnelles lorsqu'elles sont soumises à un rayonnement ionisant intense, et que le GdCo est un matériau très intéressant du point de vue de la physique du solide et du magnétisme, que ses propriétés physiques sont très prometteuses quant à ses applications, et que son intégration dans une JTM réclame encore des évolutions technologiques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 106-126. Publié aussi en version électronique.

Afin d’améliorer les traitements par radiothérapie, des radiosensibilisateurs tels que les nanoparticules d’or (NPo) sont étudiés. Mais leur translation en clinique nécessite une bonne compréhension des phénomènes en jeu. Si l’effet radiosensibilisateur a bien été confirmé sur des cibles biologiques (ADN, cellules et in vivo) et si les radicaux hydroxyle ont souvent été proposés comme intermédiaires, aucune preuve claire n’a encore été apportée. Ce travail avait pour premier objectif d’élaborer un protocole de « référence » afin de quantifier les radicaux hydroxyle et les électrons produits par les NPo en interaction avec un rayonnement ionisant. Cette étude a mis en évidence des productions massives de ces deux espèces pour des NPo non-fonctionnalisées. De plus, l'étude de différents paramètres, tels que la quantité de dioxygène en solution ou le rayonnement incident, nous a conduits à proposer un nouveau mécanisme permettant de rendre compte de nos résultats. Néanmoins, l'application biologique des NPo ne peut être envisagée que si ces nano-objets sont fonctionnalisés afin de les rendre furtifs et de les adresser spécifiquement à la tumeur. Après synthèse et caractérisation poussée de différents types de NPo fonctionnalisées, nous avons comparé la production de radicaux hydroxyle avec la dégradation d’une cible biologique, l'ADN, et mis en évidence l'impact significatif de la fonctionnalisation sur l'effet radiosensibilisateur. Ainsi, cette étude apporte des informations essentielles en vue de l’optimisation de la conception des NPo les plus efficaces pour la radiosensibilisation, une première étape vers leur application radiothérapeutique. / To improve radiotherapy efficiency, radiosensitizers such as gold nanoparticles (GNP) are developed. But to translate them to clinics, a good knowledge of the processes at stage is needed. GNP radiosensitizing effect was well-confirmed on biological targets (DNA, cells and in vivo) and hydroxyl radicals are often proposed to be key intermediates, but no clear evidence has been given yet. In this work, we first developed a ‘reference’ protocol to quantify hydroxyl radicals and electrons produced by GNP in their interaction with ionizing radiation. These investigations reveal a massive production of both species for non-functionalized GNP. Moreover the study of various parameters such as the concentration of dissolved dioxygen or the energy of the incident radiation leads us to propose a new mechanism on the origin of the radiosensitizing effect. Nevertheless, biological applications of GNP can only be considered if the nano-objects are functionalized to make them furtive, address them or deliver medicines to the tumor. After synthesis and characterization of different functionalized GNP, we compared hydroxyl radicals production with the damages induced on DNA and highlighted a significant impact of functionalization on the radiosensitizing effect. Finally, this work gives valuable information for the design of the most efficient GNP for radiotherapy which is a first step towards their medical application.

De nos jours, les caméras sont de plus en plus utilisées lors de missions spatiales ou en centrale nucléaire pour des missions d'observations (civiles ou militaires) et de surveillance (vérification du déploiement de panneaux solaires, opérations extravéhiculaires, accident nucléaire, site de stockage). L'environnement spatial, les réacteurs civils nucléaires ou les lieux de stockage de déchets radioactifs sont des milieux radiatifs qui peuvent très fortement perturber les composants électroniques et les systèmes. Dans ces environnements, les rayonnements ionisants dégradent les paramètres électriques des composants électroniques. La dose totale ionisante conduit à l'apparition d'un nombre significatif de charges dans les oxydes des matériaux constituant les composants électroniques, modifiant leurs propriétés électriques. Il en résulte qu'une exposition à la dose totale ionisante peut entraîner une défaillance partielle ou totale d'un composant voire d'un système électronique embarqué.Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une méthode de régénération pour guérir les paramètres électriques dégradés par la dose totale ionisante de composants électroniques soumis aux rayonnements ionisants. Cette méthode consiste à appliquer des cycles de recuit isothermes à un composant électronique. Dans un premier temps, cette méthode est appliquée sur des transistors MOS, et une étude est menée sur l'impact des différents paramètres clés du recuit (polarisation, température, durée de recuit, pas en dose entre chaque recuit). Dans un second temps, nous nous intéressons à des composants plus intégrés et plus récents tels que des capteurs d'images de type CMOS APS. Nous montrons expérimentalement l'impact d'un recuit sur ce type de composant et enfin, nous adaptons la méthode de régénération pour l'appliquer à ces capteurs APS afin d'augmenter leur durée de vie. / Nowadays, cameras are more and more used in space missions or nuclear plant for observation (civil or military) and monitoring missions (checking the deployment of solar panels, extravehicular operations, nuclear accident, and area storage). The space environment, nuclear reactors or radioactive waste storage areas are radiative environments that can greatly disturb electronic components and systems. In these environments, ionizing radiation degrades the electrical parameters of electronic components. The total ionizing dose induces significant charge build-up in oxides, degrading the electrical properties of the materials of electronic devices. That can result in the loss of functionality of the entire electronic system.In this thesis, we propose a regeneration method to recover the electrical parameters degraded by total ionizing dose of electronic components subjected to ionizing radiation. In this method isothermal annealing cycles are applied to electronic devices. In a first step, this method is applied on MOS transistors, and a study is conducted on the impact of various key parameters of annealing (bias, annealing temperature, annealing time, dose step between each annealing). In a second step, we focus on components more integrated and newer such as CMOS APS image sensors. We experiment what is the impact of annealing on this type of component and finally, the regeneration method is modified to be suitable on these APS sensors to increase their lifetime.

Dans le domaine du nucléaire, les techniques actuelles de mesure de radiation n’offrent pas la possibilité d’effectuer un contrôle le long d’un objet filaire. Le projet Droïd a pour but de développer un dosimètre linéique utilisant une fibre optique comme élément sensible. L’atténuation radio-induite (ARI) du guide d’onde, lue par réflectométrie optique, permet non seulement de quantifier, mais également de localiser le dépôt de dose le long de la fibre. Chaque portion du câble fait alors office de capteur de rayonnement. Il est envisageable d’effectuer des mesures réparties sur de longues distances (plusieurs dizaines de mètres) et d’obtenir des cartographies de dose en une, deux ou trois dimensions selon la disposition de l’objet dans l’espace. Le projet se structure en deux volets. Le premier est le développement d’une fibre optique hautement sensible aux radiations. En effet, les technologies commerciales standard ne le sont pas suffisamment pour des applications comme la radioprotection du personnel dans le milieu du nucléaire. Définir la composition chimique de la fibre permet de maîtriser sa réponse aux rayonnements. Le second volet du projet concerne la modélisation liant l’atténuation radio-induite à la dose reçue par le guide d’onde. Dans le cas général d’une fibre avec fading, le développement et l’inversion d’un modèle non linéaire sont primordiaux pour le bon fonctionnement du dosimètre et constituent un verrou scientifique majeur à lever. / In the nuclear domain, current radiation monitoring techniques do not offer the possibility to locally determine the dose received by a wire along its path. The purpose of the Droïd project is to develop a linear dosimeter based on an optical fiber as a sensitive element. The Radiation-Induced Attenuation (RIA) of the waveguide, read by optical reflectometry, can be used not only to quantify, but also to locate the dose deposition along the fiber. Each portion of the cable acts as a radiation sensor. It becomes possible to make measurements over long distances (several tens of meters) and to obtain dose maps in one, two or three dimensions depending on the spatial arrangement of the fiber. The project is structured in two parts. The first one is the development of an optical fiber that is highly sensitive to radiation. Indeed, standard commercial technologies are not reactive enough for applications such as staff radioprotection. Defining the chemical composition of the fiber permits to master its behavior under radiation. The second part of the project deals with modeling the non-linear relationship between the RIA and the dose received by the waveguide. In the general case of a sensor with fading, building and inverting such a model are a requirement for the final device and constitute a major scientific challenge.

L'acide désoxyribonucléique (ADN) est porteur de l'information génétique et les conséquences biologiques des lésions survenant sur cette molécule peuvent être importantes. Nous avons utilisé la chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse en mode tandem (CLHP/SM-SM) pour mettre en évidence la formation de nouvelles lésions radio-induites de l'ADN. L'analyse par CLHP/SM-SM en mode « perte de neutre » utilise la perte de 116 unités de masse, spécifique de la fragmentation de la majorité des nucléosides. Ainsi, 4 nouvelles lésions radio-induites, dont la quantité formée est proportionnelle à la dose d'irradiation, ont été détectées dans l'ADN isolé. L'une d'elles, la dCyd341 est de plus formée dans l'ADN cellulaire. Il s'agit d'une modification de la 2'-désoxycytidine (dCyd) ayant un poids moléculaire de 341 uma. La synthèse chimique de ce nucléoside modifié nous a permis de le caractériser par résonance magnétique nucléaire (RMN) et de déterminer sa masse exacte. Un mécanisme de formation a été proposé, dans lequel l'évènement initiateur est l'arrachement de l'atome d'hydrogène en position 4 du 2-désoxyribose (dR) génèrant un intermédiaire aldéhydique capable de réagir sur une cytosine voisine. La dCyd341 peut être considérée comme un dommage complexe, sa formation impliquant une cassure de la chaîne d'ADN et un pontage entre un produit de modification du dR et une dCyd voisine. En plus de sa caractérisation, de premières études biologiques portant sur la réparation de la dCyd341 ont révélé que la lésion est excisée de l'ADN avec une certaine efficacité.