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). / An innovative approach using X-ray interactions with heavy elements seems to open a promising way of treatment for resistant cancers, such as high-grade gliomas. Such a technique is developed at the medical beam line of ESRF using monochromatic X-rays in the 25-90 keV range for the treatment of brain tumors [Adam 2003, Adam 2006]. The use of gold nanoparticles (AuNP) to treat mice bearing subcutaneous tumors led to encouraging results [Hainfeld 2004]. However, the physical processes and biological impact of the photon activation of nanoparticles are not yet well understood. The experimental results cannot be explained by macroscopic dose calculations [Cho 2005, Zhang 2009]. The aim of this work was to evaluate, at the sub-cellular level, the dose enhancement in presence of nanoparticles and the properties of the secondary electrons production using Monte Carlo simulations. In a first step, simulations were performed using cell geometry, in order to compare the simulated data to the experiments realized on the ID17 beamline of ESRF. Clonogenic assays have been performed on F98 cells to measure the “Sensitizer Enhancement Ratio” for an irradiation of 4 Gy (SER4Gy) in the presence of gadolinium, for several beam energies (25 to 80 keV). These experimental and numerical studies were done to evaluate the influence of the gadolinium location within the cell and its shape (nanoparticles or contrast agent). On the other hand, a comparative study has been performed to evaluate the behavior of a nanoparticle under irradiation at a nanometer scale. Electron spectra have been studied for two heavy elements - gold and gadolinium - and several beam energies from 25 keV to 2 MeV. Experiments have shown that gadolinium nanoparticles (GdNP) incubated during 5 h with the cells were strongly effective compared to non-incubated nanoparticles and contrast agent, for the same concentration of gadolinium. A part of radiosensitivity could possibly be explained by a biological action of GdNP on the cell cycle. Another part could be attributed to the important dose enhancement factor (DEF) calculated in the vicinity of GdNP, highlighted from two-dimension DEF maps. The DEF can reach two orders of magnitude within a few nanometers of the GdNP surface and is mainly due to high-linear energy transfer electrons (< 5 keV). By modeling the case of nanoparticles randomly distributed on the cell membrane (closest to the experimental case), we showed that a good correlation exists between the SER4Gy and the membrane DEF. On the other hand, the comparison of the two elements showed that GdNP could produce more electrons (of lower energy) than AuNP (with same mass), but that the local DEF due to AuNP was more important. Interesting results were obtained by comparing the local DEF with experimental results on plasmid DNA. However, it seems important to carry on these studies by taking into account the post-irradiation chemical processes in modeling.

La réponse tissulaire des patients soumis à une radiothérapie, malgré des protocoles de traitement identiques, est variable avec des extrêmes importants. Une des questions posées à la radiobiologie est d'expliquer ces variations (approche a posteriori) et si possible de les prévoir (approche a priori). La réponse d'un organisme et de tissus complexes à la radiothérapie est la résultante de nombreux déterminants. Certains appartiennent à la dynamique et à l'homéostasie tissulaire (inflammation, cytokines, etc.) d'autre à la sensibilité et à la réponse cellulaire (sensibilité intrinsèque, réparation de l'ADN, régulation de la mort cellulaire, etc.). Concernant les déterminants cellulaires, l'Equipe d'Accueil a proposé de classer les humains en 3 groupes de radiosensibilités différentes, le premier considéré comme normal est de loin le plus important (près de 75% des individus), le groupe II de radiosensibilité intermédiaire représente la majeure partie des individus pour lesquels une réponse anormale est constatée après radiothérapie. Le groupe III rassemble des pathologies particulièrement rares associées à une hyper-radiosensibilité marquée, voire très marquée. Les patients du groupe II présentent donc une réponse thérapeutique inattendue et / ou des effets secondaires précoces ou tardifs sévères à des doses d'irradiation dont on attend une tolérance normale. Les patients du groupe II peuvent aussi être caractérisés par une forte prédisposition au cancer et aux tumeurs radio induites. Il existe une variabilité intrinsèque liée à des facteurs endogènes tels que la qualité de réparation de l'ADN, ou la production spontanée de micronoyaux ; et des facteurs exogènes. A cet égard, certaines médications sont susceptibles de modifier la réponse cellulaire à la radiothérapie, telles que les statines, les anticoagulants ou les antiagrégants plaquettaires. Approche a posteriori : par une étude clinique unicentrique de 65 patients atteints de cancers de la prostate et traités par le même radiothérapeute dans les mêmes conditions, la fréquence et la gravité des effets secondaires rectaux par rapport à la prise ou non de statines ont été étudiées : un effet radioprotecteur des statines vis-à-vis de la rectite radique a été mis en évidence in vivo sur des arguments statistiques pertinents. Approche a priori : par l'étude de la réponse cellulaire et moléculaire aux radiations de fibroblastes humains (notamment issus de tissus intestinaux sains). Ont été étudiés : la réparation et la signalisation des cassures double-brin de l'ADN par l'analyse des foci nucléaires H2AX et pATM ; le transit radioinduit de la protéine ATM du cytoplasme vers le noyau a été observé pour la première fois sur des fibroblastes humains rectaux. Les statines semblent accélérer ce transit, produisant un effet modérateur de la sévérité des rectites. L’étude des différents produits antioxydants et stimulateurs de la réparation de l’ADN a permis de montrer que les statines ont effet non équivoqué sur la réparation cellulaire après irradiation. Ces résultats ouvrent des perspectives pour des études plus approfondies de l'usage de médications facilement accessibles capables de moduler la gravité des effets secondaires de la radiothérapie. / The tissue response of patients undergoing radiotherapy, despite identical treatment protocols, could have important variations. One of the questions asked to the radiobiology is to explain these variations (a posteriori approach) and if possible to predict it (a priori approach). The response of an organism and complex tissues to radiotherapy is the result of many determinants. Some belong to the tissue dynamics and homeostasis (inflammation, cytokines, etc.) and others to the sensitivity and cellular response (intrinsic sensitivity, DNA repair, regulation of cell death, etc.). About cellular determinants, our research team proposed to classify humans into three groups of different radiosensitivity levels, the first considered as normal is by far the largest (almost 75% of individuals), group II of intermediate radiosensitivity represents the majority of individuals having an abnormal response to radiotherapy. Group III gathers extremely rare conditions associated with marked or very marked hyper-radiosensitivity which are usually life threatening. Therefore patients in group II show either unexpected therapeutic response or severe radiation early or late side effects after doses for which normal tolerance is expected. Patients in group II can also be characterized by a strong predisposition to cancer and radiation-induced tumors. There is an inherent variability related to endogenous factors, such as the quality of DNA repair, or the spontaneous production of micronuclei; and exogenous factors. In this regard, certain medications may alter the cellular response to radiation therapy, such as statins, antiplatelet agents or anticoagulants. A posteriori approach: a single-center clinical study of 68 patients with prostate cancer treated by the same radiation oncologist in the same conditions, the frequency and severity of rectal side effects are compared to the use or not of statins : a radioprotective effect of statins toward radiation proctitis cannot be excluded. A priori approach: by studying the cellular and molecular radiation response in human fibroblasts (especially from healthy bowel tissue). Were studied: signaling and repair of DNA double-strand breaks by analysis of nuclear foci of MRE11; H2AX and pATM; radiation induced ATM protein transit from the cytoplasm to the nucleus was observed for the first time in rectal tissue fibroblasts. Statins appear to speed up this transit, making possible a radioprotective effect. These results open perspectives for further studies for the use of medications readily available that can modulate the severity of side effects of radiotherapy.

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.

Plus d'un siècle après la découverte des rayons X, les effets biologiques des radiations ionisantes restent encore méconnus. En particulier, une meilleure connaissance des phénomènes liés à la radiosensibilité individuelle permettrait une meilleure prédiction du risque radioinduit tant en ce qui concerne les réactions tissulaires que la formation de cancers.Dans le cadre des recherches menées par le Groupe de Radiobiologie de l'UMR 1052 Inserm (Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon), l'accumulation de données radiobiologiques issues de patients radiosensibles a permis d'initier une théorie basée sur le transit cytonucléaire de la protéine ATM. Acteur majeur de la réponse aux radiations ionisantes ATM est muté dans l'Ataxie Telangiectasie, syndrome génétique rare associé à la plus forte radiosensibilité. Plus précisément, les chercheurs du Groupe ont proposé le modèle suivant : l'irradiation produit une monomérisation des formes cytoplasmiques de la protéine ATM. Les monomères d'ATM diffusent dans le noyau pour assurer la reconnaissance et la réparation des cassures double-brin de l'ADN (CDB), dommages-clés de la réponse aux radiations. Tout retard dans ce transit conduirait à une certaine radiosensibilité.Le but de cette thèse est d'identifier d'une part, les protéines (appelées X) qui freinerait ce transit en s'associant à ATM dans le cytoplasme ; d'autre part, les agents chimiques (métaux, pesticides) qui influeraient sur ce processus.Les protéines X identifiées dans le cadre de cette thèse sont notamment la huntingtine, la neurofibromine, la tubérine qui, lorsqu'elles sont mutées, causent respectivement la maladie de Huntington, la Neurofibromatose de type 1 et la Tubéreuse de Bourneville. Les métaux étudiés sont les chlorures d'aluminium, de cuivre, de zinc, de fer, de nickel, de palladium, de cadmium ainsi que le nitrate de plomb, le selenium et le chrome. Les pesticides sont l'atrazine, le glyphosate, la permetrine, le thiabendazole et le pentachlorophénol.Cette thèse introduit la notion de pro-, dys- ou anti-épiskévie, c'est-à-dire la capacité de certains agents, protéines ou drogues à accélérer, ralentir ou interdire le transit cytonucléaire de la protéine ATM / More than a century after the discovery of X rays, the effects of ionising radiation are still misunderstood. In particular, a better knowledge of individual radiosensitivity could lead to a better prediction of radio induced risk of cancer and acute reactions after radiotherapy. As part of the research conducted by the Radiobiology Group of UMR Inserm 1052 (Cancer Research Center of Lyon), the accumulation of radiobiological data from radiosensitive patients allowed to initiate a theory based on the ATM protein transit from cytoplasm to nucleus. ATM a the major actor in the response to ionising radiation and is mutated in Ataxia Telangiectasia, a rare genetic syndrome associated with the highest radiosensitivity. Specifically, the researchers of the Group proposed the following model: irradiation produces monomerization of cytoplasmic forms of ATM protein. ATM monomers diffuse into the nucleus to ensure the recognition and repair of DNA double-strand breaks (DSBs), the key damage response to radiation. Any delay in this transit would lead to radiosensitivity.The aim of this thesis is to identify in one hand, the proteins (called X proteins), which would slow the transit by interracting with ATM in the cytoplasm; on the other hand, chemical agents (metals, pesticides) that would affect this process.X proteins identified in this thesis include huntingtin, neurofibromin, tuberin which, when mutated, cause, respectively, Huntington's disease, Neurofibromatosis type 1 and Tuberous Sclerosis. Studied metals are aluminum, copper, zinc, iron, nickel, palladium and cadmium chlorides, lead nitrate, selenium and chromium. Pesticides are atrazine, glyphosate, permethrin, thiabendazole and pentachlorophenol.This thesis introduces the concept of pro-, dys or anti- episkévia, that is to say the ability of some agents, proteins or drugs to speed up, slow down or inhibit the the ATM nucleoshuttling