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.

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