Ces dernières années, le paradigme de la radiobiologie selon lequel les effets biologiques des rayonnements ionisants ne concernent strictement que les dommages à l'ADN et les conséquences liées à leur non réparation ou à leur réparation défectueuse, a été remis en question. Ainsi, plusieurs études suggèrent que des mécanismes «non centrés » sur l'ADN ont une importance significative dans les réponses radio-induites. Ces effets doivent donc être identifiés et caractérisés afin d’évaluer leurs contributions respectives dans des phénomènes tels que la radiorésistance, les risques associés au développement de cancers radio-induits, les conséquences des expositions aux faibles doses. Pour ce faire, il est nécessaire : (i) d'analyser la contribution de ces différentes voies de signalisation et réparation induites en fonction de la dose et de la zone d’irradiation; (ii) d’’étudier les réponses radio-induites suite à l’irradiation exclusive de compartiments subcellulaires spécifiques (exclure les dommages spécifiques à l'ADN nucléaire); (iii) d’améliorer la connaissance des mécanismes moléculaires impliqués dans les phénomènes de radiosensibilité/radiorésistance dans la perspective d’optimiser les protocoles de radiothérapie et d’évaluer in vitro de nouvelles thérapies associant par exemple les effets des rayonnements ionisants et de nanoparticules d’oxydes métalliques. Les microfaisceaux de particules chargées offrent des caractéristiques uniques pour répondre à ces questions en permettant (i) des irradiations sélectives et en dose contrôlée de populations cellulaires et donc l’étude in vitro des effets « ciblés » et « non ciblés » à l'échelle cellulaire et subcellulaire, (ii) de caractériser l’homéostasie de cultures cellulaires en réponses à des expositions aux rayonnements ionisants et/ou aux nanoparticules d’oxydes métalliques (micro-analyse chimique multi-élémentaire). Ainsi, au cours de ma thèse, j'ai validé et exploité des méthodes d’évaluation qualitatives et quantitatives (i) in cellulo et en temps réel de la réponse radio-induite de compartiments biologiques spécifiques (ADN, mitochondrie, …) ; (ii) in vitro de la radiosensibilité de lignées sarcomateuses issues de patients; et (iii) in vitro des effets induits par des expositions à des nanoparticules d'oxydes métalliques afin d’évaluer leur potentiel thérapeutique et anti-cancéreux. / Few years ago, the paradigm of radiation biology was that the biological effects of ionizing radiations occurred only if cell nuclei were hit, and that cell death/dysfunction was strictly due to unrepaired/misrepaired DNA. Now, next this “DNA-centric” view several results have shown the importance of “non-DNA centered” effects. Both non-targeted effects and DNA-targeted effects induced by ionizing radiations need to be clarified for the evaluation of the associated radiation resistance phenomena and cancer risks. A complete overview on radiation induced effects requires the study of several points: (i) analyzing the contribution of different signaling and repair pathways activated in response to radiation-induced injuries; (ii) elucidating non-targeted effects to explain cellular mechanisms induced in cellular compartments different from DNA; and (iii) improving the knowledge of sensitivity/resistance molecular mechanisms to adapt, improve and optimize the radiation treatment protocols combining ionizing radiations and nanoparticles. Charged particle microbeams provide unique features to answer these challenge questions by (i) studying in vitro both targeted and non-targeted radiation responses at the cellular scale, (ii) performing dose-controlled irradiations on a cellular populations and (iii) quantifying the chemical element distribution in single cells after exposure to ionizing radiations or nanoparticles. By using this tool, I had the opportunity to (i) use an original micro-irradiation setup based on charged particles microbeam (AIFIRA) with which the delivered particles are controlled in time, amount and space to validate in vitro methodological approaches for assessing the radiation sensitivity of different biological compartments (DNA and cytoplasm); (ii) assess the radiation sensitivity of a collection of cancerous cell lines derived from patients in the context of radiation therapy; (iii) study metal oxide nanoparticles effects in cells in order to understand the potential of nanoparticles in emerging cancer therapeutic approaches.