A1.1 Radiobiologie

Topique

Lorsqu'un rayonnement ionisant traverse la matière vivante, il lui délivre une énergie capable d'altérer sa structure moléculaire. Cette interaction entre rayonnement ionisant et matière vivante constitue le principe physique fondamental qui sous-tend l'ensemble du bloc A1 et qui est également à la base des trois modules qui en dépendent : la radiothérapie externe, la radiothérapie par particules et la curiethérapie. Ces trois modules diffèrent uniquement par la manière dont ils répartissent cette même dose dans l'espace et le temps au sein de la matière vivante.

Au sein de la matière vivante, la cible la plus sensible à cette altération est le matériel génétique contenu dans chaque cellule : le rayonnement ionisant endommage directement le matériel génétique, et ces dommages se concentrent principalement sous forme de cassures double brin, une lésion où les deux brins du matériel génétique sont coupés simultanément et que la cellule ne peut réparer aussi facilement qu'une cassure simple brin.

Face à une cassure double brin, la cellule réagit de trois manières : elle initie des mécanismes de réparation qui tentent de restaurer le matériel génétique à son état initial, elle interrompt son cycle de division pendant cette réparation, ou, lorsque les dommages dépassent sa capacité de réparation, elle entre en apoptose et s'autodétruit. La combinaison de ces trois mécanismes, appliquée à l'ensemble des cellules irradiées, détermine la survie cellulaire : plus les cellules parviennent à réparer leur matériel génétique ou à survivre à l'arrêt du cycle cellulaire, plus la survie cellulaire est élevée ; et plus elles dépassent ce seuil et subissent l'apoptose, plus elle est faible.

Le modèle linéaire-quadratique est l'outil qui quantifie cette survie cellulaire en fonction de la dose de rayonnement reçue par le tissu vivant : lorsque la dose administrée en une seule fraction est faible, la perte de survie cellulaire augmente de façon approximativement proportionnelle à cette dose, car la composante linéaire du modèle est prédominante ; lorsque la dose par fraction augmente, la perte de survie cellulaire augmente plus rapidement que la dose elle-même, car la composante quadratique s'ajoute, de sorte que la réponse n'est plus simplement proportionnelle et s'accélère. C'est pourquoi le modèle linéaire-quadratique permet également de faire le lien entre la physique de la dosimétrie, qui détermine la dose et sa distribution temporelle dans le tissu vivant, et la pratique clinique du fractionnement, qui détermine comment répartir cette dose dans le temps. Le fractionnement clinique exploite précisément cette différence de comportement entre les faibles et les fortes doses : au lieu d’administrer la dose totale en une seule fois, il la divise en petites doses espacées de plusieurs heures. Ainsi, entre deux fractions, la matière vivante retrouve sa capacité de réparation, restaure son matériel génétique endommagé et retrouve son état initial, capable de résister à une nouvelle exposition aux rayonnements ionisants, bouclant ainsi le cycle entre dose et réparation. Dans les tissus tumoraux, cependant, cette même capacité de réparation est moins efficace et les cellules tumorales accumulent des cassures double brin qu’elles sont incapables de réparer à temps entre deux fractions.

Cette chaîne – des rayonnements ionisants au matériel génétique, puis à la survie cellulaire régie par le modèle linéaire-quadratique, et enfin au fractionnement clinique – constitue le fondement physique commun aux trois modules dépendant du bloc A1 : la radiothérapie externe, la radiothérapie par particules et la curiethérapie. Ces trois méthodes modifient le lieu et le moment où les rayonnements ionisants délivrent leur dose à la matière vivante — depuis l'extérieur du corps, via des particules, ou depuis l'intérieur même du tissu tumoral — mais toutes trois reposent, sans exception, sur les mêmes dommages causés au matériel génétique, la même réponse cellulaire et le même modèle linéaire-quadratique décrit ici pour prédire et contrôler la survie cellulaire, ce qui détermine en fin de compte si le traitement atteint son objectif : détruire le tissu tumoral et préserver la matière vivante environnante.

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