Abstract: Concomitant chemoradiation therapy based on platinum chemotherapeutic drugs (Pt-drugs) is a common treatment modality for several types of cancers and has dramatically improved patient survival. The radiosensitization capacity of Pt-drugs results essentially from their binding to nuclear DNA. Although several mechanisms such as increase in the radiation damage to DNA and inhibition of their repair have been proposed, the contribution and efficiency of the underlying molecular mechanisms of the radiosensitization remain unknown. This PhD thesis determines the relative efficiency of Pt-drugs, in terms of the type of drug and the quantity of Pt-DNA adducts, in the sensitization of DNA to the direct and indirect effects of ionizing radiations, and elucidates the major mechanism responsible for this radiosensitization. In particular, it addresses the role of low-energy electrons (LEEs), hydroxyl radicals and hydrated electrons in the radiosensitization of DNA modified by Pt-drugs. This thesis includes a review of the literature on the molecular basis of radiotherapy, Pt-based chemotherapy, and their combination in cancer treatment. Five articles, on which I am first author, are presented, and followed by a comprehensive discussion that integrates all results and their implications in the clinic and future research. With respect to the direct effect of radiation, LEEs are found to be the main species responsible for the enhancement in DNA damage, particularly cluster damage including DSB and interduplex cross-links. Irradiation of a 3199-bp plasmid DNA modified by an average of 2 Pt-drug adducts with 10-eV electrons results in significant increases in DSB formation by factors of 3.1, 2.5 and 2.4, respectively, for carboplatin, cisplatin and oxaliplatin relative to unmodified DNA. Irradiation of these samples with subexcitation-energy electrons (i.e., 0.5 eV) generates substantial number of DSB in the modified DNA, while no DSB is observed in the unmodified DNA. Since 0.5 eV is well below that energy required for the electronic excitation of organic molecules, dissociative electron attachment must be the main mechanism responsible for the formation of strand breaks in the presence of Pt-adducts. For indirect effects of radiation, our results show that both hydroxyl radicals and hydrated electrons are responsible for the enhanced formation of damage in modified DNA. In the presence of Pt-adducts, hydroxyl radicals mainly contribute to the SSB formation, while hydrated electrons are the main species responsible for the DSB formation. Our results indicate that carboplatin and oxaliplatin have higher efficiency than cisplatin in the enhancement of radiation damage to DNA. At low frquencies of Pt-DNA adducts (i.e., less than 3.1x10-4 adducts per nucleotide), radiosensitization of DNA, in terms of the damage per adduct, increases by an order of magnitude compared with that at large frquencies of adducts. In conclusion, Pt-drug modification is an extremely efficient means of enhancing the formation of DNA DSBs by both LEEs and hydrated electrons created by ionizing radiation.//Résumé: La radiochimiothérapie concomitante, basée sur les médicaments antinéoplasiques platinés (Pt-antinéoplasiquesm), est une modalité de traitement utilisé contre plusieurs types de cancers et a considérablement amélioré la survie des patients. Parmi ces médicaments anticancéreux, les analogues de platine sont les plus couramment utilisés. Leur capacité à radiosensibiliser résulte essentiellement de leur liaison à l'ADN nucléaire. Bien que plusieurs mécanismes aient été proposés telles que l'augmentation des dommages induits à l'ADN et l'inhibition de leur réparation, la contribution et l’efficacité des mécanismes moléculaires sous-jacents à la radiosensibilisation restent inconnus. La présente étude examine l'efficacité Pt-antinéoplasiques à sensibiliser l'ADN aux rayonnements ionisants et détermine le rôle des électrons secondaires, des radicaux d'hydroxyles et des électrons hydratés dans ce processus. Cette thèse comprend un revue des données scientifiques concernant la base moléculaire de la radiothérapie, de la chimiothérapie Pt-antinéoplasiques et de leur combinaison dans le traitement de cancer. Cinq articles, donc je suis premier auteur, sont présentés suivis d'une discussion qui intègre mes résultats et leurs implications dans la clinique et la recherche future. En ce qui concerne l'effet direct des radiations, les électrons de faible énergie s'avèrent être la principale espèce responsable de l’augmentation des dommages à l’ADN, en particulier les dommages multiples localisés, les CDBs et les pontages inter-brin. L'irradiation de plasmides de 3199 paires de bases, contenant en moyenne deux adduits Pt-ADN, avec des électrons de 10 eV conduit à une augmentation significative des CDBs par des facteurs de 3.1, 2.5 et 2.4, respectivement, pour le carboplatine, le cisplatine et l'oxaliplatine par rapport à l’irradiation des plasmides non modifiés. L'irradiation avec des électrons de 0.5 eV genère un nombre substantiel de CDBs dans les plasmides modifiés, alors qu'aucune CDB n'est observée dans les plasmides non modifiés. Puisque 0.5 eV est une énergie bien inférieure à celle nécessaire à l'excitation électronique des molécules organiques, l'attachement dissociatif de l’électron doit être le principal mécanisme responsable de la formation de cassures en présence de Pt-antinéoplasiques. Pour les effets indirects des rayonnements, nos résultats montrent que les radicaux hydroxyles et les électrons hydratés sont, tous les deux, responsables de la formation accrue des dommages dans l'ADN modifié. En présence d'adduits Pt-ADN, les radicaux hydroxyles contribuent principalement à la formation de cassures simple brin, tandis que les électrons hydratés sont les principales espèces responsables de la formation de CDBs. Nos résultats indiquent que le carboplatine et l'oxaliplatine sont plus efficaces que le cisplatine pour augmenter les dommages à l'ADN. À faible concentration de Pt-ADN (soit moins de 3.1x10[indice supérieur -4] adduit par nucléotide), la radiosensibilisation de l'ADN, en termes de dommages par adduit, est d'un ordre de grandeur supérieure à celle aux concentrations élevées. En conclusion, l’ajout de Pt-antinéoplasiques est un moyen extrêmement efficace d'augmenter la formation de CDBs dans l’ADN par l’intermédiaire des électrons de faible énergie et des électrons hydratés produits par les rayonnements ionisants. [symboles non conformes]
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/6260 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Rezaee, Mohammad |
| Contributors | Sanche, Leon |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Mohammad Rezaee |
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