Etude théorique des processus ionisants induits par impact d'ions sur des molécules d'intérêt biologique : application au développement d'une simulation Monte Carlo de suivi de protons dans la matière biologique

Theoretical study of ionizing processes induced by ion impact on biological molecules : application to the development of a Monte Carlo simulation of protons in biological material

• Auteur / Autrice : Hacène Lekadir
• Direction : Christophe Champion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/11/2010
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMC - Laboratoire de Physique Moléculaire et des Collisions - EA3941
• Jury : Président / Présidente : Michel Fromm
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jocelyn Hanssen, Sebastien Incerti, Roberto Rivarola, Jean-François Wax

Mots clés

Mots clés contrôlés

ADN

Monte-Carlo, Méthode de

Ions multichargés

Mots clés libres

Processus ionisant

Molécule biologique

Résumé

La compréhension et la maitrise des effets de particules chargées, notamment des ions, sur la matière biologique sont aujourd’hui un enjeu majeur pour la communauté scientifique. Que ce soit d’un point de vue thérapeutique (pour la radiothérapie) ou préventif (mesure des risques encourus par des personnes soumises à des rayonnements : astronautes dans l’espace…) il est aujourd’hui essentiel de décrire avec finesse les processus ionisants impliqués dans le ralentissement des particules chargées dans la matière vivante. Ainsi, le docteur Robert Wilson est le premier, dès 1946, à avoir montré les effets positifs des protons en radiothérapie et leur potentiel thérapeutique particulier. Depuis, les ions légers comme le proton ou les ions carbone, sont de plus en plus utilisés dans le cadre d’approches thérapeutiques telles que les traitements anticancéreux. Nous développons dans le cadre de cette une simulation Monte Carlo pour modéliser le transport et les effets des ions dans la matière biologique. Au préalable, nous présentons un travail approfondi sur les interactions induites par des ions multichargés sur le milieu biologique afin d’établir les données (en termes de probabilités d’interaction nommées sections efficaces) indispensables à toute simulation Monte Carlo. Dans notre travail, le milieu biologique est représenté d’une part par de l’eau en phase vapeur et d’autre part par l’ADN. Nous étudions ainsi les effets induits par le passage de protons dans l’eau et dans l’ADN, ce qui est une approche originale et nouvelle du transport de particules chargées dans la matière, en évaluant notamment l’influence de la représentation du milieu biologique et des modèles d’interaction que nous retenons dans notre simulation.

The understanding of the effects of charged particles, including ions, in biological matter is a major challenge for the scientific community. Whether a therapeutic standpoint (for radiotherapy) or preventive (measure of risk to persons subjected to radiation: astronauts in space ...) it is now essential to describe with finesse all the ionizing processes involved in slowing down of charged particles in living matter. Thus, Dr. Robert Wilson was the first, in 1946, to have shown the positive effects of proton radiation therapy and their potential therapeutic. Since then, the light ions like protons or carbon ions, are used in therapeutic approaches such as anticancer treatments.In this work, We develop a Monte Carlo simulation to model the transport and effects of ions in biological material. Beforehand, we present a detailed work on the interactions induced by multicharged ions on the biological environment to compile the data (in terms of probabilities of interaction cross sections named) essential to any simulation Monte Carlo. In our work, the biological environment is represented partly by water vapor and also by DNA. We study the effects induced by the passage of protons in water and in DNA, which is an original and new transport of charged particles in matter, in particular assessing the influence of the representation of the biological and interaction models that we use in our simulation.