L'exposition aux rayonnements ionisants est une composante inévitable de la vie moderne. Il est bien établi qu'il existe une grande variabilité inter-individuelle de la radiosensibilité chez les individus sains et chez des patients atteints de cancer. Cependant, les mécanismes impliqués dans l'hétérogénéité des réponses biologiques radio-induites ne sont pas encore bien compris, et une approche biologique permettant d’établir de façon fiable le niveau de radiosensibilité reste à développer. Dans cette thèse, nous avons étudié l'ampleur et l'impact de la radiosensibilité individuelle chez les individus sains dans les contextes de dosimétrie d'urgence et de radiothérapie. Nous avons également examiné les différents rôles des télomères dans la prédiction de la radiosensibilité individuelle et des risques pour la santé humaine à long terme (spécifiquement, en ce qui concerne les maladies cardiovasculaires et/ou les cancers) après irradiation. Tout d'abord, dans le contexte de la dosimétrie dans le cas d'une situation d'urgence (lorsqu’il est nécessaire d’estimer rapidement la dose d’irradiation reçu par un individu), nous avons démontré que l'impact de la radiosensibilité individuelle peut être négligeable en utilisant des mesures globales de fluorescence de γH2AX via cytométrie en flux dans des fibroblastes humains et des lymphocytes à 4 heures après exposition ; cette méthode peut être un outil de biodosimétrie efficace et rapide qui peut aider au tri des personnes irradiées dans une situation d'urgence basées sur les niveaux individuels d'exposition. Dans un second temps, nous avons étudié l'ampleur et l'influence de la radiosensibilité individuelle sur l'induction d'aberrations chromosomiques après une irradiation de 2 Gy de rayons γ, correspondant à une fraction de radiothérapie conventionnelle, dans les lymphocytes d'individus sains. Pour ces analyses, nous définissons la radiosensibilité individuelle par rapport à la fréquence des cassures double-brin (CDB) radio-induite, qui ont été calculées à partir de la quantification des aberrations chromosomiques visualisées par hybridation in situ des télomères et centromères (TC-FISH). Ce marquage améliore et simplifie la technique « gold standard » de dosimétrie biologique (la quantification des chromosomes dicentriques). Nous avons également estimé la radiosensibilité individuelle à l’irradiation carbone, ions lourds utilisés en radiothérapie, et l'efficacité biologique relative (EBR) des ions carbone par rapport à une irradiation γ. Nous avons fourni des courbes dose-réponse pour ces deux types d’irradiations en fonction de la fréquence des CDB radio-induite par exposition à une gamme de doses. De plus, nous avons estimé l'EBR d'un troisième type de rayonnement également utilisé en radiothérapie d'ions lourds (protons) par rapport à une irradiation γ, et nous avons comparé la radiosensibilité individuelle de ces trois types d'irradiation avec énergies différentes. Ensuite, nous avons évalué les rôles des télomères et de leur maintien pour la prédiction de la radiosensibilité individuelle. Nous avons constaté que la longueur moyenne des télomères, en combinaison avec leurs modifications radio-induites, peuvent être un bon prédicteur de la radiosensibilité individuelle. Enfin, nous avons montré comment les télomères pourraient être liés à des risques sanitaires à long terme après une irradiation: nous avons démontré que le raccourcissement des télomères pouvait être un nouveau facteur de prédiction de maladies cardiovasculaires après radiothérapie, et nous avons discuté par la suite, les télomères comme des acteurs clés dans le processus de cancérogenèse radio-induite. En conclusion, nous proposons un modèle présentant la façon dont les télomères pourraient jouer un rôle crucial dans ces deux pathologies radio-induite, et nous délibérons des relations entre le maintien des télomères, les effets biologiques radio-induites, et la radiosensibilité individuelle. / Exposure to ionizing radiation (IR), from both natural and man-made sources, is an inevitable part of modern life. It is well established that there are considerable inter-individual variations in sensitivity to IR among healthy individuals and cancer patients. However, the mechanisms involved in the heterogeneity of biological responses to IR are not well understood, and a reliable biodosimetric and clinical approach to measure and rank radiosensitivity remains to be established. In this thesis, we study the extent and impact of individual radiosensitivity in healthy individuals in the contexts of emergency dosimetry and radiotherapy, and we explore the roles of telomeres in the prediction of individual radiosensitivity and long-term human health risks following IR exposure (specifically, cardiovascular diseases and/or cancer). First, in the context of dosimetry in the event of an emergency situation (when rapid dose estimates of each individual in an irradiated population are needed), we demonstrate that the impact of individual radiosensitivity can be negligible using global cellular measurements of γH2AX fluorescence via flow cytometry in human fibroblasts and lymphocytes at 4 hours post-irradiation; this method could be an effective and rapid biodosimetry tool that can aid in the medical triage of irradiated individuals in an emergency setting based on individual levels of exposure. Second, we study the extent and influence of individual radiosensitivity on the induction of chromosomal aberrations following a routinely administered dose of 2 Gy during conventional fractionated photon radiotherapy (γ-rays) in lymphocytes of healthy individuals. For these analyses, we define individual radiosensitivity based on the frequency of IR-induced DNA double strand breaks (DSBs), which were calculated from the scoring of chromosomal aberrations visualized with telomere/centromere-fluorescence in situ hybridization (TC-FISH). This TC-FISH staining of metaphasic chromosomes enhances the “gold standard technique” of biodosimetry (the dicentric chromosome assay) with the visualization of telomeres and centromeres and thereby provides improved simplicity and sensitivity to the classical cytogenetic assay. We also compare individual radiosensitivity following γ-irradiation to that following carbon irradiation, an up-and-coming ion species currently being used in heavy ion radiotherapy. We provide dose response curves for both γ- and carbon irradiations based on the calculated frequency of IR-induced DNA DSBs at a range of doses, and estimate the relative biological effectiveness (RBE) of carbon irradiation relative to γ-irradiation. We then estimate the RBE of a third type of IR also frequently used in heavy ion radiotherapy (proton beams) in comparison to γ-irradiation, and compare individual radiosensitivity to each of these three types of IR with different IR energies. Third, we evaluate the roles of telomeres and telomere maintenance in the prediction of individual radiosensitivity; we find that inherent mean telomere length in combination with the IR-induced change in mean telomere length may be a strong predictor of individual radiosensitivity. Finally, we show how telomeres could be linked to long-term health risks following IR exposure: we demonstrate that telomere shortening could be a new prognostic factor for cardiovascular disease following radiotherapy, and discuss how telomeres could be key players in the process of radiation-induced carcinogenesis. In conclusion, we deliberate the relationships between telomere maintenance, radiation effects, and individual radiosensitivity, and propose a model of how telomeres could play crucial roles in the development of cardiovascular diseases and the process of IR-induced carcinogenesis.

Notre étude a porté, d'une part sur l'effet du bicalutamide, un inhibiteur du récepteur aux androgènes, sur la réponse de trois lignées de cancer de prostate en association avec les rayonnements ionisants, d'autre part sur la recherche d'une corrélation entre l'expression des microARN miR-210 et miR-373 sur la tolérance à l'hypoxie et la réponse au rayonnement.Nous montrons que le bicalutamide induit un effet cytostatique et cytotoxique dans la lignée LNCaP, qui exprime le récepteur aux androgènes. Les lignées DU145 et PC3, qui n’expriment pas ou peu le récepteur, sont sensiblement plus résistantes mais sont cependant affectées par les concentrations élevées de bicalutamide. Cette sensibilité résiduelle suggère l'existence d'un mécanisme secondaire, indépendant de la voie de signalisation du récepteur aux androgènes. L'inhibition de la prolifération produite par le bicalutamide s'accompagne d'un blocage du cycle cellulaire en phase G1 avec une augmentation de l’expression de la protéine p27 et une diminution de l’expression de la protéine HER2. L'association concomitante au bicalutamide se traduit par un effet radioprotecteur dans la lignée LNCaP. Cette observation nous conduit à déconseiller l’association concomitante du bicalutamide avec la radiothérapie, notamment en cas d’irradiation hypofractionnée.Facteur bien connu de radiorésistance dans les tumeurs solides, l'hypoxie est associée à un mauvais pronostic dans les cancers de la prostate. Nos données montrent qu'en sus de l'induction de marqueurs classiques comme HIF-1α, CA9 et VEGF, l'hypoxie promeut l’expression du microARN miR-210, (mais non de miR-373) indépendamment de l’expression du récepteur aux androgènes. Les données suggèrent que miR-210, dont l'expression apparaît corrélée à la résistance à l'hypoxie, pourrait constituer un bon biomarqueur pronostique dans le cancer de la prostate. En revanche, l’inhibition de l’expression de miR-210 n'a aucun effet sur la radiosensibilité des cellules en condition d’hypoxie. / The first aim of our study was to evaluate the effect of the association between bicalutamide, an androgen receptor inhibitor, and ionizing radiation in three prostate cancer cell lines. The second aim was to examine a possible a correlation between the expression of miR-210 or miR-373, the tolerance to hypoxia tolerance and the responses to radiation.We found that bicalutamide produced cytostatic and cytotoxic effects in the androgen receptor- positive LNCaP cell line. The androgen receptor-negative DU145 and PC3 cell lines were more resistant to bicalutamide. However, these cell lines were affected by high bicalutamide concentration with the same endpoints as for LNCaP cells. The inhibition of proliferation by bicalutamide was associated with G1 cell cycle phase arrest, increased expression of p27KIP1 protein, and decreased expression of HER2 protein. Last but not least, bicalutamide elicited a marked radioprotective effect in LNCaP cells when associated with concomitant irradiation. This result suggests that bicalutamide and radiotherapy should not be delivered in close temporal proximity, especially in case of hypofractionated radiotherapy protocols.Hypoxia is a well known radioresistance factor in tumors and is associated with a bad prognosis in prostate cancer. In this study, we found that hypoxia promotes the expression of HIF-1α, CA9, VEGF and miR-210 but not miR-373 in prostate cancer cell lines irrespective of their androgen receptor status.Our findings suggest that miR-210 expression is correlated with resistance to hypoxia and could be used as a prognostic marker in prostate cancer. Conversely, miR-210 inhibition did not impact the radiation susceptibility of PC3 prostate cancer cell line under hypoxia.

Les résultats insuffisants de la radiochimiothérapie conventionnelle ont motivé l’évaluation de nouvelles cibles afin de moduler la radiosensibilité tumorale: voies intrinsèques impliquées dans la réponse aux rayonnements ionisants, vascularisation tumorale, stroma non vasculaire. A travers cette thèse, nous avons évalué trois nouvelles stratégies de radiosensibilisation pharmacologique. Nous avons d’abord étudié en association à la radiothérapie l’intérêt de la modulation de l’axe p53/Mdm2 par le JNJ26854165, un inhibiteur de la dégradation de p53 par le protéasome. Les résultats in vitro et in vivo dans des xénogreffes sous-cutanées de cancers bronchiques non à petites cellules (CBNPC) montrent que cette stratégie permet d’améliorer significativement l’efficacité de la radiothérapie. Nous avons également rapporté des résultats encourageants in vitro dans plusieurs lignées cellulaires tumorales avec un nouvel agent antivasculaire ciblant la tubuline, l’EHT 6706. Cette stratégie augmentait l’efficacité de l’irradiation et potentialisait l’effet antiprolifératif de certains agents de chimiothérapie conventionnelle. Enfin, le développement le plus abouti a consisté en l’évaluation de l’association d’un triple inhibiteur de MET/AXL/FGFR en association à l’irradiation in vitro et dans des modèles de CBNPC implantés en xénogreffes sous-cutanées, mais également sous forme de tumeurs pulmonaires orthotopiques. Cet agent pharmacologique potentialisait l’efficacité de la radiothérapie dans des lignées ne surexprimant pas MET. Il est apparu que l’activité de la drogue faisait intervenir, au moins partiellement, l’inhibition de l’activité d’acteurs de la cytocinèse. Ces trois évaluations, qui s’inscrivent dans la recherche translationnelle, montrent l’importance de la recherche préclinique pour les études d’association aux rayonnements ionisants. Seul un développement préclinique rationnel permettra de faire émerger de nouveaux standards dans le domaine de la biomodulation pharmacologique de la radiosensibilité tumorale. / Insufficient results of conventional chemoradiation have encouraged assessment of new targets for radiosensitization: intrinsic cellular pathways involved in radiation response, tumor angiogenesis, and nonvascular stroma. We have investigated these three strategies for pharmacological radiosensitization. First, we examined the usefulness of targeting p53/Mdm2 pathway in combination with irradiation. In vitro and in vivo results obtained in non-small cell lung carcinoma (NCSLC) showed that this strategy was promising for enhancing radiation efficacy. We also found encouraging results within several cell lines with a novel vascular disrupting agent targeting tubulin. This strategy enhanced radiation effects and also increased the antiproliferative effects of various chemotherapeutics. Finally, the most advanced preclinical development was obtained with a novel MET/AXL/FGFR inhibitor, which improved effectiveness of radiation therapy in vitro and in subcutaneous and orthotopic models of non MET-dependent cell cancer lines. This effect was not only related to an inhibition of stroma/cancer cell interactions, as it probably involved activity toward actors of cytocinesis. These studies, which are part of translational research, highlight the importance of preclinical investigations in the area of radiation research. Only rationale preclinical development will allow new standards to emerge for pharmacological modulation of tumor radiosensitivity.

Notre étude a porté, d'une part sur l'effet du bicalutamide, un inhibiteur du récepteur aux androgènes, sur la réponse de trois lignées de cancer de prostate en association avec les rayonnements ionisants, d'autre part sur la recherche d'une corrélation entre l'expression des microARN miR-210 et miR-373 sur la tolérance à l'hypoxie et la réponse au rayonnement.Nous montrons que le bicalutamide induit un effet cytostatique et cytotoxique dans la lignée LNCaP, qui exprime le récepteur aux androgènes. Les lignées DU145 et PC3, qui n'expriment pas ou peu le récepteur, sont sensiblement plus résistantes mais sont cependant affectées par les concentrations élevées de bicalutamide. Cette sensibilité résiduelle suggère l'existence d'un mécanisme secondaire, indépendant de la voie de signalisation du récepteur aux androgènes. L'inhibition de la prolifération produite par le bicalutamide s'accompagne d'un blocage du cycle cellulaire en phase G1 avec une augmentation de l'expression de la protéine p27 et une diminution de l'expression de la protéine HER2. L'association concomitante au bicalutamide se traduit par un effet radioprotecteur dans la lignée LNCaP. Cette observation nous conduit à déconseiller l'association concomitante du bicalutamide avec la radiothérapie, notamment en cas d'irradiation hypofractionnée.Facteur bien connu de radiorésistance dans les tumeurs solides, l'hypoxie est associée à un mauvais pronostic dans les cancers de la prostate. Nos données montrent qu'en sus de l'induction de marqueurs classiques comme HIF-1α, CA9 et VEGF, l'hypoxie promeut l'expression du microARN miR-210, (mais non de miR-373) indépendamment de l'expression du récepteur aux androgènes. Les données suggèrent que miR-210, dont l'expression apparaît corrélée à la résistance à l'hypoxie, pourrait constituer un bon biomarqueur pronostique dans le cancer de la prostate. En revanche, l'inhibition de l'expression de miR-210 n'a aucun effet sur la radiosensibilité des cellules en condition d'hypoxie.

Environ, 60 % des personnes atteintes d’un cancer auront au moins une séance de radiothérapie au cours de la prise en charge thérapeutique de leur maladie. Les doses de radiothérapie sont limitées en raison du risque important de fibrose séquellaire des tissus sains. Les rayonnements ionisants (RI) peuvent induire différents types de mort cellulaire y compris l'apoptose et la sénescence. Les cellules sénescentes ont une sensibilité réduite à l'apoptose et un phénotype sécrétoire inflammatoire. De plus, les RI peuvent induire la production d’espèces réactives de l’oxygène (ERO) qui provoquent des lésions de l'ADN dans les tissus non ciblés, et des effets systémiques associés à l'inflammation. Différentes équipes ont proposé des tests prédictifs de la radiosensibilité individuelle des patients basés sur l’évaluation du taux d'apoptose radio-induite des lymphocytes T CD4+/CD8+ (LT). Cependant, l’impact des différences de sensibilité à l’apoptose/sénescence des sous-populations de LT sur le taux d’apoptose n’a pas été étudié. Notre hypothèse est que la sensibilité à l’apoptose/sénescence radio-induite des LT circulants est associée à la sur/sous-représentation de sous-populations particulières de LT CD4+ dont les fonctions sont en rapport avec la survenue de fibrose. Nos résultats chez le donneur sain montrent que les LT CCR6+Th17 pro-fibrogéniques sont moins sensibles à l’apoptose et plus sensibles à la sénescence que les LT CCR6negTh et les Treg. Cette sénescence peut être préjudiciable car les lymphocytes CCR6+Th17 situés dans les tissus irradiés peuvent sécréter de l'IL-8 et du VEGF-A. La modulation des voies ERO/MAPK ou mTOR pourrait être une cible potentielle pour la prévention de la radiotoxicité induite par les CCR6+Th17 sénescents. Enfin, le ratio de cellules circulantes H2A.J+CCR6+Th17 sénescentes / CCR6+Treg pourrait être utilisé comme marqueur potentiel de la radiosensibilité individuelle. / On average, 60% of cancer patients have at least one radiation session during their care throughout the history of their disease. The doses of radiotherapy are limited because of the high risk of fibrosis-type side effects of healthy tissues. Ionizing radiation can induce a variety of cell death responses including apoptosis, but also senescence. Senescent cells have reduced sensitivity to apoptosis, and a pro-inflammatory secretory phenotype. In addition, ionizing radiations can induce the production of reactive oxygen species (ROS) that cause DNA damage in non-target tissues, and systemic effects associated with inflammation. In order to improve the personalization of radiotherapy, different teams proposed predictive tests of the individual radiosensitivity of patients by establishing a relationship between a low rate of radio-induced apoptosis of CD4+/CD8+ T lymphocytes (LT) and a high risk of secondary fibrosis. However, the impact of the differences in individual cell sensitivity to radiation-induced senescence on the ratio between LT cell subpopulations has not been studied. Our results on healthy donors show that pro-fibrogenic CCR6+ Th17 cells are less sensitive to apoptosis and more susceptible to senescence compared to CCR6neg LT. This senescence can be detrimental as irradiated CCR6+Th17 lymphocytes located in the irradiated tissue can secrete IL-8 and VEGF-A. Modulation of ROS/MAPK or mTOR signaling pathways could be potential targets for the prevention of this CCR6+Th17-induced radiotoxicity. Finally, the ratio of circulating H2A.J+ senescent CCR6+ Th17/CCR6+Treg cells may be used as a potential marker of individual radiosensitivity.

Depuis que Parsons et col. ont découvert en 2008 que le gène de l’isocitrate déhydrogénase 1 (IDH1) est fréquemment muté dans les glioblastomes (12%), de nombreuses équipes ont étudié la prévalence et les caractéristiques des mutations des gènes IDH1 et 2 dans les gliomes.Les mutations du gène IDH1 sont observées dans environ 40% des gliomes. La mutation d’IDH1 la plus fréquentes dans les gliomes (>90% des cas) est la mutation R132H. La fréquence des mutations IDH1 et 2 est inversement corrélée au grade des gliomes (grade II ~80%, III ~50%, and IV ~10%). Les mutations IDH1/2 ont une valeur diagnostique ainsi que pronostique (associées à une meilleure survie). Pendant ce travail de thèse nous avons dans une première partie analysé la distribution de ces mutations IDH1/2 dans les différents gliomes, leur association avec d’autres altérations génétiques, ainsi que leur valeur diagnostique et pronostique dans une cohorte de 1332 patients atteints de gliomes. Nous confirmons sur cette très grande cohorte les données de la littérature et affinons la valeur pronostique des mutations IDH1/2. Dans une seconde partie, nous avons mis en évidence dans les gliomes un polymorphisme (SNP) du gène IDH1 (SNP rs 11554137; C (cytosine) substituted by T (thymin)) précédemment observé dans les leucémies myéloïdes aigues. Ce SNP, codon 105, est localisé dans le même exon que le codon 132 fréquemment muté, et nous avons montré qu’il est associé à une moins bonne survie des patients atteints de gliomes. Les mutations du codon 132 causent une baisse de l’activité enzymatique normale d’IDH1/2 qui est remplacé par le gain d’une nouvelle. Les protéines IDH1/2 mutés, au lieu de produire de l’alpha-cétoglutarate de façon NADP dépendante, réduisent de façon NADPH dépendante l’alpha-cétoglutarate en 2-hydroxyglutarate (2HG). Une forte concentration de 2HG et une baisse de la quantité de NADPH peuvent sensibiliser les tumeurs au stress oxidatif et donc potentialiser l’effet de la radiothérapie, ce qui pourrait expliquer la meilleure survie de ces patients. Nous avons donc dans une troisième partie étudié in vitro l’impact de la mutation IDH1R132H sur la survie après radiothérapie de cellules tumorales exprimant de façon stable ce gène muté. Les résultats obtenus montrent que dans certaines conditions ces cellules pourraient être plus radiosensibles que les mêmes cellules exprimant le gène IDH1 non-muté.Dans ce travail de thèse, nous avons donc étudié le gène IDH1 dans les gliomes de patients et tenté par une approche fonctionnelle in vitro d’évaluer l’impact de la mutation IDH1R132H sur la radiosensibilité des cellules tumorales. / Since Parsons et al. (2008) found the frequent mutations of IDH1 (12%) in GBMs, various reports have studied the prevalence and characteristic of IDH1 and IDH2 mutations.The mutations in the isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) gene occur in nearly 40% of gliomas. The frequency of IDH1 mutations are inversely connected with grade II (~80%), III (~50%), and IV (~ 10%) gliomas. Importantly, the status of IDH1 mutations is associated with a better outcome and demonstrated a diagnostic value. We analyzed also these mutations in distribution, association with tumor-derived other genetic alterations and the diagnostic and prognostic value in a cohort of 1332 glioma patients.A synonymous single nucleotide polymorphism [SNP rs 11554137; C (cytosine) substituted by T (thymin)] has been studied in gliomas patients. The SNP rs 11554137 (in codon 105) are located in the same exon with the IDH1 R132 mutations (in codon 132). And gliomas patients with SNP rs 11554137: C>T had a poorer outcome than patients without SNP rs 11554137. This was observed a similarly adverse effect in survival in patients with AML. Mutations in codon 132 can cause a decrease of IDH1/2 activity and also gain a new enzyme function for the NADPH dependent reduction of alpha-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate. High 2HG and low NADPH levels might sensitize tumors to oxidative stress, potentiating response to radiotherapy, and may account for the prolonged survival of patients harboring the mutations. So we studied further the alterations of function in IDH1R132H mutant cells in vitro. Based on the decrease of defence and the increase of impairing factors in tumor cells, we found that the tumors harbouring IDH1 mutations may have an elevated radiosensitivity. In the present study, we described the impact of IDH1 mutations in gliomas and search for new perspectives for the treatment strategy.

Une approche thérapeutique innovante utilisant l'adjonction d'éléments de numéro atomique élevé à une radiothérapie de basse énergie semble offrir une voie prometteuse pour le traitement des tumeurs cérébrales résistantes. Une telle technique est notamment développée sur la ligne médicale de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) utilisant un rayonnement monochromatique allant de 25 à 90 keV [Adam 2003, Adam 2006]. Des résultats encourageants ont été obtenus en traitant des souris cancéreuses après injection de nanoparticules d'or (AuNP) [Hainfeld 2004]. Cependant, les processus physiques et l'impact biologique issus de la photoactivation de nanoparticules sont encore aujourd'hui mal compris et ne peuvent être expliqués par des calculs de doses macroscopiques [Cho 2005, Zhang 2009]. Le but de ce travail est d'évaluer par simulation Monte Carlo l'augmentation locale de dose en présence de nanoparticules ainsi que les caractéristiques des électrons secondaires produits. Dans un premier temps, des simulations ont été réalisées en utilisant une géométrie cellulaire, de manière à comparer les données simulées aux expérimentations menées à l'ESRF. Des tests de clonogénicité ont été réalisés pour mesurer le taux de radiosensibilité des cellules pour une irradiation de 4 Gy (SER4Gy) en présence de gadolinium, pour différentes énergies d'irradiation (25 keV à 1250 keV). Ces études, expérimentales et numériques, ont permis l'évaluation de l'influence de la localisation du gadolinium au sein de la cellule et la forme de ce dernier (nanoparticules ou agent de contraste). D'autre part, une étude comparative a été menée pour caractériser le comportement d'une nanoparticule sous irradiation à une échelle nanométrique, en fonction de l'énergie de faisceau, du rayon de la nanoparticule et de l'élément lourd (or et gadolinium).

5 à 15% des 175 000 patients traités par radiothérapie (RT) chaque année sont exposés à une toxicité considérée comme « inhabituelle » pouvant entraîner des séquelles parfois graves. Les techniques innovantes de photonthérapie apportent une solution balistique pertinente mais inappropriée pour certaines tumeurs ou certains patients. Deux approches permettent d'entrevoir des solutions à ces situations. 1- Contribution au développement de l'hadronthérapie par ions carbone : Ces particules possèdent une masse et une charge qui leur confèrent un avantage balistique et biologique particulièrement intéressant. Le caractère rare des tumeurs éligibles et le très faible nombre de centres n'ont pas permis, ou justifié, à ce jour la réalisation d'études comparatives randomisées afin d'en évaluer le service rendu. Via le projet FP7 ULICE, nous avons intégré et animé plusieurs groupes à l'échelle nationale et internationale. Nous avons directement produit des procédures unifiées en terme d'immobilisation, de recueil des données élémentaires, de structuration protocolaire et de transformation des données en métadonnées échangeables. Nous avons proposé des concepts originaux permettant de décrire la dose prescrite et les volumes d'intérêt, au-delà du concept réducteur d'EBR. 2- Un nouveau biomarqueur de radiosensibilité individuelle (RSI). L'identification des patients les plus à risque de développer les réactions les plus sévères reste un enjeu majeur. Aucun test de RSI ne s'impose comme gold standard. A partir de primocultures fibroblastiques issues de patients ayant présenté un profil de toxicité inhabituel à la RT, le taux de cassures double brins résiduelles à 24h estimé par immunofluorescence indirecte (marqueur γH2AX) a permis de définir 3 groupes de RSI. Toutefois ce seul marqueur n'est pas assez robuste. Le délai de transit cyto-nucléaire de la protéine ATM semble affiner notre classification. Un nouveau modèle mécanistique a ainsi pu être développé / 5 to 15% of the 175,000 patients treated with radiation therapy (RT) annually are exposed to toxicity considered "unusual" that can lead to serious sequelae. Innovative photon RT techniques provide relevant but inappropriate ballistic solution for certain tumors or certain patients. Two approaches guide solutions to these situations.1- Contribution to the development of carbon ion RT. These particles possess a mass and a charge that give them particularly interesting ballistics and biological properties. The rarity of eligible tumors and the low care offer have failed conducting randomized controlled trials to evaluate its cost-effectiveness. Throughout the FP7-ULICE project, we directly produced standard operating procedures in terms of basic data collection, protocol structuring and processing of metadata. We proposed original concepts to describe and report the dose and volume of interest, beyond the restricted concept of RBE. 2- A novel biomarker of individual radiosensitivity (IRS). The identification of the patients the most at risk of developing the most severe reactions remains a major challenge. There is no gold standard in the field of IRS assays.From fibroblasts primocultures sampled from patients with an unusual toxicity, the number of residual DNA double-stand breaks 24h after radiation and estimated by indirect immunofluorescence (marker γH2AX) allows to identify three groups of IRS. However this single marker is not robust enough. The delay of ATM nucleoshuttling appears to refine our classification. A new mechanistic model has been developed

Depuis plus d'un siècle que les rayons X ont été découverts, les effets biologiques des radiations ionisantes ne sont pas encore entièrement expliqués. Pourtant, une description précise et la modélisation mathématique des événements physico-chimiques, moléculaires et cellulaires contribueraient significativement à l'effet des risques liés à une irradiation. Le groupe de Radiobiologie de l'UMR1052 Inserm (Lyon) a accumulé un nombre considérable de données sur la radiosensibilité individuelle et la réparation des dommages radioinduits de l'ADN qui nous permettent aujourd'hui de valider des modèles nouveaux qui sont souvent en contradiction avec les paradigmes actuels. En particulier, alors que les cassures double-brin de l'ADN semblent être les dommages clés de la létalité cellulaire, aucun protocole ni biomarqueur n'est considéré comme prédictif de la radiosensibilité. Le but de la thèse a donc été de déterminer les paramètres précis qui peuvent prédire la réponse aux radiations. Un grand nombre de protéines se relocalisent sous forme de foci nucléaire autour des sites de CDB. Dans une première étape, nous avons pu proposer une formule générale qui lie induction, reconnaissance et réparation des CDB, valable pour toutes les protéines relocalisantes après irradiation. Cette formule a été appelée « Formule de Bodgi ». La validité de cette formule a pu être vérifiée sur différents biomarqueurs et sur différents types de cellules de patients montrant des radiosensibilités différentes. Dans une deuxième étape, nous avons pu modéliser le processus de transit cytonucléaire de la protéine ATM. Nous avons pu alors apporter une interprétation nouvelle et cohérente des paramètres α et β du modèle linéaire-quadratique qui décrit la relation entre la dose de radiation et la survie cellulaire. Notre théorie s'est avérée également utile pour expliquer certaines autres énigmes de la radiobiologie, notamment le phénomène d'hypersensibilité aux faibles doses / More than a century after the discovery of X-rays, the biological effects of ionizing radiation are still not entirely explained. Nevertheless, a relevant description and a mathematical model of the physico-chemical, molecular and cellular events would significantly contribute to the evaluation of the related risks. The Radiobiology Group of the UMR1052 Inserm Unit (Lyon) has collected a considerable number of data concerning individual radiosensitivity and DNA damage repair, which allows us today to validate actual modeling approaches that are often contradicting actual paradigms. Particularly, while the DNA double-strand breaks (DSB) appear to be the key-damages of cell lethality, there is still no experimental protocol or biomarker that is considered to be predictive for radiosensitivity. The purpose of this thesis was to determine the precise parameters that can predict the response to radiation. An important number of proteins relocalize as nuclear foci in the DSB sites. As a first step, we proposed a general formula that links the DSB induction, recognition and repair, valid for all the relocalized proteins after irradiation. We called this formula the ‘’Bodgi’s formula’’. The validity of this model was verified with different biomarkers, but also on different cell types from patients showing different radiosensitivity. In a second step, we proposed a model for the whole process of the nucleo-shuttling of the ATM protein that occurs after irradiation. We provided a novel and coherent interpretation of the α and β parameters of the linear-quadratic model that describes the relation between radiation dose and cell survival. Our theory was also shown to be useful in explaining some other enigmas of radiobiology, including the hypersensitivity to lowdose phenomena

Les résultats insuffisants de la radiochimiothérapie conventionnelle dans les cancers bronchiques non à petites cellules (CBNPC) ont motivé l’évaluation d’une nouvelle stratégie de modulation pharmacologique de la radiosensibilité tumorale basée sur les modifications épigénétiques. Pour cela nous avons évalué la combinaison de la radiothérapie et d’un nouvel pan-inhibiteur des histones déacétylases (HDACi), l’abexinostat en préclinique in vitro et in vivo sur deux modèles de CBNPC puis en phase clinique précoce chez l’homme dans le cadre d’un essai de phase I. Nous avons d’abord montré que l’abexinostat augmente la radiosensibilité des cellules de CBNPC de manière dépendante de la séquence thérapeutique en normoxie et en hypoxie en augmentant l’apoptose caspase dépendante ainsi que les cassures doubles brins radio-induites et en réduisant la signalisation et la réparation de ces dommages de l’ADN. L’abexinostat potentialise également le retard de croissance tumorale induit par la radiothérapie in vivo dans des xénogreffes sous-cutanées de CBNPC avec un profil de toxicité acceptable. Nous avons également montré pour la première fois que la triple combinaison de radiothérapie, abexinostat et cisplatine potentialise le retard de croissance tumorale in vivo.Les premiers résultats in vitro et in vivo confortant le rationnel pour la combinaison abexinostat-radiothérapie nous avons réalisé étude de phase I exploratoire d’escalade de dose combinant l’abexinostat à la radiothérapie palliative hypofractionnée standard délivrant 30y en 10 fractions pour des tumeurs solides métastatiques. Parmi les 58 patients traités, d’âge médian 61 ans (20-82), on note 71% de stade M1 et 88% de patients ayant déjà reçu des traitements préalables par chimiothérapie et/ou radiothérapie et/ou chirurgie. La dose recommandée pour un essai de phase 2 que nous avons établie est de 90mg/m². Sur les 51 patients évaluables, on observe un taux de réponse globale de 7,8% (1 réponse complète (RC) et 3 réponses partielles (RP)) et un taux de réponse locorégionale de 11,8% (1 RC et 5 RP) avec un suivi médian de 16 semaines. Les patients présentant des lésions (cibles ou non) cérébrales ont présenté des taux de réponse encourageant avec notamment un patient en RC. Nous avons retrouvé peu d’effets secondaires de grade ≥3, les plus fréquents étant la thrombopénie (17,2%), la lymphopénie (12,1%) et l’hypokaliémie (6,9%). Au total, 6 patients (10%) ont interrompu leur traitement du fait des effets secondaires. Nous n’avons pas observé de prolongation de l’intervalle QTc de grade ≥3 et il n’y a pas eu d’interruption de traitement en rapport avec cet effet secondaire. Dans l’ensemble nos données in vitro et in vivo montrent une potentialisation de l’effet antitumoral par la combinaison d’abexinostat et radiothérapie. Chez les patients présentant des tumeurs solides avancées l’abexinostat oral en combinaison à la radiothérapie est bien toléré. Cette combinaison pourrait avoir un potentiel particulièrement intéressant dans le traitement des métastases cérébrales.De plus nos travaux précliniques suggèrent pour la première fois un effet prometteur d’une triple combinaison avec HDACi, cisplatine et radiothérapie qui justifie de plus amples investigations et pourrait guider de nouvelles stratégies thérapeutiques dans les CBNPC.Nos travaux s’inscrivent dans une stratégie de recherche translationnelle et montrent l’importance de la recherche préclinique pour les études d’association aux rayonnements ionisants. Seuls un développement préclinique rationnel et un développement clinique méthodique permettront l’émergence de combinaisons modulant la radiosensibilité tumorale de manière suffisamment efficace pour modifier nos standards de traitement et améliorer le pronostic de nos patients. / Insufficient results of conventional chemoradiotherapy in non-small cell lung carcinomas (NSCLC) have encouraged assessment of new pharmacological strategies for modulation of radiosensitization based on epigenetic changes. We have investigated the combination of radiotherapy and a novel pan-histone deacetylase inhibitor (HDACi), abexinostat in vitro and in vivo in two NSCLC models and in an early phase clinical trial. Our findings demonstrate that abexinostat enhances radiosensitivity of NSCLC cells in a time dependent way in vitro in normoxia and hypoxia increasing radio-induced caspase dependent apoptosis and persistent DNA double strand breaks associated with decreased DNA damage signaling and repair. Interestingly, abexinostat potentiates tumor growth delay in vivo in combined modality treatments associating not only abexinostat and irradiation but also in the triplet combination of abexinostat, irradiation and cisplatin.We conducted an exploratory phase 1, dose-escalation study of abexinostat in combination with standard hypofractionated radiotherapy (30Gy in 10 fractions) in patients with advanced solid tumors treated in a palliative setting. Among 58 treated patients, the median age was 61.5 years (range, 20-82); 47% of the patients had M1 stage disease, and 95% had received previous chemotherapy alone or chemotherapy in combination with surgery and/or radiotherapy. The recommended phase 2 dose was determined to be 90 mg/m2. Of the 51 patients evaluable for response, best overall response was 8% (1 complete response [CR], 3 partial responses [PRs]), and best loco-regional response was 12% (1 CR and 5 PRs) at a median follow-up of 16 weeks. Of note, patients with target or non-target brain lesions showed encouraging responses, with 1 patient achieving a best loco-regional response of CR. Treatment-emergent grade ≥3 adverse events (AEs) were few, with most common being thrombocytopenia (17%), lymphopenia (12%), and hypokalemia (7%). Six patients (10%) discontinued treatment due to AEs. No grade ≥3 prolongation of the QTc interval was observed, with no treatment discontinuations due to this AE.Altogether, our data demonstrate in vitro and in vivo a potentiation of anti-tumor effect by abexinostat in combination with irradiation in NSCLC. Oral abexinostat combined with radiotherapy was well tolerated in patients with advanced solid tumors. The combination may have potential for treatment of patients with brain lesions.Moreover, our work suggest for the first time to our knowledge promising triple combination opportunities with HDACi, irradiation and cisplatin which deserves further investigations and could be of major interest in the treatment of NSCLC.Our studies which are part of a translational research strategy highlight the importance of preclinical investigations in the area of radiotherapy and drug combination research. Only rationale preclinical development and methodologically well conducted clinical development will allow new standards of treatment to emerge and improve patient’s prognostic.