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.

L’interaction des particules chargées avec la matière conduit à un dépôt d’énergie très localisé dans des traces de dimensions sub-micrométriques. Cette propriété unique rend ce type de rayonnement ionisant particulièrement intéressant pour disséquer les mécanismes moléculaires radio-induits suite à l’échelle de la cellule. L’utilisation de microfaisceaux de particules chargées offre en outre la capacité d’irradier sélectivement à l’échelle du micromètre avec une dose contrôlée jusqu’à la particule unique. Mon travail a porté sur des irradiations réalisées avec le microfaisceau de particules chargées de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) du CENBG. Ce microfaisceau délivre des protons et particules alpha et est dédié aux irradiations ciblées in vitro (cellules humains) et in vivo (C. elegans).En complément de l’intérêt qu’elles présentent pour des études expérimentales, les dépôts d’énergie et les interactions des particules chargées avec la matière peuvent être modélisés précisément tout au long de leur trajectoire en utilisant des codes de structures de traces basés sur des méthodes Monte Carlo. Ces outils de simulation permettent une caractérisation précise de la micro-dosimétrie des irradiations allant de la description détaillée des interactions physiques à l’échelle nanométrique jusqu’à la prédiction du nombre de dommages à l’ADN et leurs distributions dans l’espace.Au cours de ma thèse, j’ai développée des modèles micro-dosimétriques basés sur l’outil de modélisation Geant4-DNA dans deux cas. Le premier concerne la simulation de la distribution d’énergie déposée dans un noyau cellulaire et le calcul du nombre des différents types de dommages ADN (simple et double brin) aux échelles nanométrique et micrométrique, pour différents types et nombres de particules délivrées. Ces résultats sont confrontés à la mesure expérimentale de la cinétique de protéines de réparation de l’ADN marquées par GFP (Green Fluorescent Protein) dans des cellules humaines. Le second concerne la dosimétrie de l’irradiation d’un organisme multicellulaire dans le cadre d’études de l’instabilité génétique dans un organisme vivant au cours du développement (C. elegans). J’ai simulé la distribution de l’énergie déposée dans différents compartiments d’un modèle réaliste en 3D d’un embryon de C. elegans suite à des irradiations par protons. Enfin, et en parallèle de ces deux études, j’ai développé un protocole pour caractériser le microfaisceau d'AIFIRA à l’aide de détecteurs de traces fluorescent (FNTD) pour des irradiations par protons et par particules alpha. Ce type de détecteur permet en effet de visualiser les trajectoires des particules incidentes avec une résolution de l’ordre de 200 nm et d’examiner la qualité des irradiations cellulaires réalisées par le microfaisceau. / The interaction of charged particles with matter leads to a very localized energy deposits in sub-micrometric tracks. This unique property makes this type of ionizing radiation particularly interesting for deciphering the radiation-induced molecular mechanisms at the cell scale. Charged particle microbeams (CPMs) provide the ability to target a given cell compartment at the micrometer scale with a controlled dose down to single particle. My work focused on irradiations carried out with the CPM at the AIFIRA facility in the CENBG (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine). This microbeam delivers protons and alpha particles and is dedicated to targeted irradiation in vitro (human cells) and in vivo (C. elegans).In addition to their interest for experimental studies, the energy deposits and the interactions of charged particles with matter can be modeled precisely along their trajectory using track structure codes based on Monte Carlo methods. These simulation tools allow a precise characterization of the micro-dosimetry of the irradations from the detailed description of the physical interactions at the nanoscale to the prediction of the number of DNA damage, their complexity and their distribution in space.During my thesis, I developed micro-dosimetric models based on the Geant4-DNA modeling toolkit in two cases. The first concerns the simulation of the energy distribution deposited in a cell nucleus and the calculation of the number of different types of DNA damage (single and double strand breaks) at the nanometric and micrometric scales, for different types and numbers of delivered particles. These simulations are compared with experimental measurements of the kinetics of GFP-labeled (Green Fluorescent Protein) DNA repair proteins in human cells. The second is the dosimetry of irradiation of a multicellular organism to study the genetic instability in a living organism during development (C. elegans). I simulated the distribution of the energy deposited in different compartments of a realistic 3D model of a C. elegans embryo following proton irradiations. Finally, and in parallel with these two studies, I developed a protocol to characterize the AIFIRA microbeam using fluorescent nuclear track detector (FNTD) for proton and alpha particle irradiations. This type of detector makes it possible to visualize in 3D the incident particle tracks with a resolution of about 200 nm and to examine the quality of the cellular irradiations carried out by the CPM.

Les microfaisceaux d’ions ont, au cours de ces dernières décennies, montré leur efficacité dansl’étude des effets des rayonnements ionisants sur le vivant notamment concernant les effets des faiblesdoses ou l’étude de l’effet de proximité. Le CENBG dispose depuis 2003 d’un dispositif permettant la micro-irradiation ciblée d’échantillons biologiques vivants. Les applications des microfaisceaux dans ce domainese sont récemment diversifiées et des études plus fines sur les mécanismes de réparation desdommages ADN radio-induits aux échelles cellulaire et multicellulaire sont devenues possibles via lesévolutions en imagerie par fluorescence et en biologie cellulaire. Ces approches ont nécessité une évolutionimportante de l'instrumentation de la ligne de micro-irradiation du CENBG qui a été entièrementredessinée et reconstruite dans un souci d’optimisation d’apport de nouvelles fonctionnalités. Les objectifsde mes travaux ont été i) la mise en service du dispositif, ii) la caractérisation des performances dusystème, iii) la mise en place de protocoles pour l’irradiation ciblée à dose contrôlée aux échelles cellulaireet multicellulaire, in vitro et in vivo, et le suivi en ligne des conséquences précoces de cette irradiation,iv) la modélisation des irradiations afin d’interpréter les observables biologiques au regard des donnéesphysiques calculées.Ces travaux ont permis i) de caractériser les performances du dispositif : une taille de faisceau d’environ2 μm sur cible et une précision de tir de ± 2 μm, de développer des systèmes de détection d’ions pour uncontrôle absolu de la dose délivrée, ii) d’induire des dommages ADN fortement localisés in vitro, et devisualiser en ligne le recrutement de protéines impliquées dans la réparation de ces dommages,iii) d’appliquer ces protocoles pour générer des dommages ADN in vivo au sein d’un organisme multicellulaireau stade embryonnaire, Caenorhabditis elegans.Ces résultats ouvrent la voie vers des expériences plus fines sur la ligne de micro-irradiation ciblée duCENBG pour étudier les effets de l’interaction des rayonnements ionisants avec le vivant, aux échellescellulaire et multicellulaire, in vitro et in vivo. / The main goal of radiobiology is to understand the effects of ionizing radiations on the living.These past decades, ion microbeams have shown to be important tools to study for example the effects oflow dose exposure, or the bystander effect. Since 2003, the CENBG has been equipped with a system toperform targeted micro-irradiation of living samples. Recently, microbeams applications on this subjecthave diversified and the study of DNA repair mechanisms at the cellular and multicellular scales, in vitroand in vivo, has become possible thanks to important evolutions of fluorescence imaging techniques andcellular biology. To take into account these new approaches, the CENBG micro-irradiation beamline hasbeen entirely redesigned and rebuilt to implement new features and to improve the existing ones. My PhDobjectives were i) commissioning the facility, ii) characterizing the system on track etch detectors, and onliving samples, iii) implementing protocols to perform targeted irradiations of living samples with a controlleddelivered dose, at the cellular and multicellular scales, and to visualize the early consequencesonline, iv) modelling these irradiations to explain the biological results using the calculated physical data.The work of these past years has allowed us i) to measure the performances of our system: a beam spotsize of about 2 μm and a targeting accuracy of ± 2 μm, and to develop ion detection systems for an absolutedelivered dose control, ii) to create highly localized radiation-induced DNA damages and to see onlinethe recruitment of DNA repair proteins, iii) to apply these protocols to generate radiation-induced DNAdamages in vivo inside a multicellular organism at the embryonic stage: Caenorhabditis elegans.These results have opened up many perspectives on the study of the interaction between ionizing radiationsand the living, at the cellular and multicellular scales, in vitro and in vivo.