Multiscale modeling for radiation protection and cancer treatment : from nanodosimetry to cell response

par Micaela Cunha

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Michaël Beuve et de Étienne Testa.

Soutenue le 14-06-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Claire Rodriguez-Lafrasse.

Le jury était composé de Sébastien Incerti.

Les rapporteurs étaient Hans Rabus, Erik Traneus.

  • Titre traduit

    Modélisation multi-échelle pour la radioprotection et le traitement du cancer : de la nanodosimétrie à la réponse cellulaire


  • Résumé

    L'interaction des rayonnements ionisants avec le vivant est marquée par des phénomènes stochastiques importants aussi bien en termes de dosimétrie physique que des effets biologiques induits. Cette thèse aborde trois problématiques de la thérapie et de l'estimation du risque des radiations pour la santé, à l'aide d'outils de modélisation et de simulations Monte Carlo. En effet, des calculs de l'énergie spécifique dans des volumes de différentes tailles ont montré que les amplitudes des fluctuations dépendent fortement de la taille de la cible. Elles sont particulièrement grandes dans le cas des cibles nanométriques. À partir de ces calculs, une étude sur la taille des dosimètres implantables pour le monitorage des traitements de radiothérapie a montré que des dimensions au moins micrométriques sont nécessaires pour assurer des mesures fiables. Les mêmes calculs ont permis l'analyse des effets de faibles doses d'irradiation, notamment la compatibilité de différentes tailles de cibles avec des données expérimentales d'aberrations chromosomiques. Les résultats suggèrent que l'activation du réseau mitochondrial peut être liée au déclenchement de mécanismes de radiorésistance dans les cellules CAL51. Finalement, un nouveau modèle (NanOx) de prédiction de l'efficacité de l'hadronthérapie (radiothérapie par faisceaux d'ions) est présenté et appliqué à la lignée cellulaire V79. Ce modèle est complètement stochastique et intègre les calculs de dosimétrie à plusieurs échelles pour modéliser des effets locaux et non locaux pouvant correspondre respectivement à des lésions de l'ADN et à un stress oxydatif


  • Résumé

    The interaction between ionizing radiation and living tissues is characterized by stochastic phenomena with non-negligible consequences both in terms of physical dosimetry and induced biological effects. The present work addresses three issues concerning radiotherapy and the estimation of radiation risks for health, by means of modeling tools and Monte Carlo simulations. Indeed, specific energy calculations in volumes of different sizes showed that the level of fluctuations strongly depends on the target size. Such fluctuations are especially high in the case of nanometric targets. Based on these calculations, a study about the size of implantable dosimeters employed in the monitoring of radiotherapy treatments demonstrated that these dosimeters should have at least micrometric dimensions in order to ensure reliable measurements. The same calculations have allowed the analysis of the effects of low doses of radiation, namely the compatibility between different target sizes and experimental data regarding chromosomal aberrations. The results suggest that the activation of the mitochondrial network may be linked to the triggering of radioresistance mechanisms for the CAL51 cell line. Finally, a new model (NanOx) to predict the effectiveness of particle therapy (radiotherapy with ion beams) is presented and applied to the V79 cell line. Such a model is completely stochastic and integrates the dosimetry calculations at multiple scales for modeling local and non-local effects, which can correspond respectively to DNA lesions and cellular oxidative stress

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