Biologie des radiations spatiales : composantes radiatives spécifiques, effets moléculaires et contremesures chimiques

Biology of spatial radiation : specific radiative components, molecular effects and chemical countermeasures

• Auteur / Autrice : Juliette Restier-Verlet
• Direction : Nicolas Foray, Michel Bourguignon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Radiobiologie
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Radiations (défense, santé et environnement) (Lyon ; 2021-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Gharib
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Foray, Michel Bourguignon, Monique Courtade-Saïdi, Jean-Luc Morel, Christelle Adam-Guillermin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monique Courtade-Saïdi, Jean-Luc Morel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radioprotection

Biologie spatiale

ADN -- Altération

Rayonnements ionisants -- Effets physiologiques

Mots clés libres

Radiobiologie

Espace

Viellissement

Cancer

Radiation

Radiobiology

Space

Aging

Cancer

Radiation

Résumé

L'exposition aux radiations ionisantes constitue l'un des risques majeurs pour les astronautes dans le cadre de l’exploration spatiale. Cependant, afin de quantifier de manière fiable les risques radiobiologiques, les sources de radiations spatiales doivent être rigoureusement caractérisées et les tissus à risque bien identifiés. A travers les projets en radiobiologie spatiale de l’UMR 1296, quatre axes de recherches ont été privilégiés. Nous avons montré que le corps des astronautes est soumis à la fois à un bain de rayonnement de forte énergie impactant les tissus profonds (ex : le cœur, l’os) et une pluie aléatoire de particules et d’ions de faible énergie impactant les tissus superficiels (ex : l’œil, la peau). Nous avons observé qu’un bain de rayonnement équivalent à celui qui règne dans la Station Spatiale Internationale, mimé par le dispositif MarSimulator de l’Université de Toulouse produit des couronnes périnucléaires de la protéine ATM sur des cellules humaines comme celles provenant du cristallin et de l’os, suggérant le vieillissement accéléré de ces tissus spécifiques dans les 4 premières semaines d’exposition. En parallèle, l’impact d’une particule de faible énergie sur les tissus irradiés pose la question de l’effet de proximité (ou bystander). L’occurrence, la vitesse, l’intensité de l’effet bystander et sa dépendance vis-à-vis de la dose, du tissu et du nombre de cellules ont été également étudiées en analysant le nombre de cassures de l’ADN à proximité du point d’impact, induisant un flux d’ions calcium centrifuge produisant un stress cellulaire supplémentaire et une surdose non négligeable. Dans le cadre du modèle de transit cytonucléaire de la protéine ATM, modèle mécanistique développé au laboratoire, nous avons montré que l’action antioxydante de certains radioprotecteurs chimiques était moins efficace que les drogues qui permettaient à un plus grand flux de protéines d’ATM de rentrer dans le noyau cellulaire. C’est notamment le cas des statines et des bisphosphonates : ces derniers agents dits «pro-épiskéviques » seront à la base du développement de radioprotecteurs de nouvelle génération. Enfin, pour la première fois, nous avons pu mener plusieurs campagnes de vols de ballons stratosphériques portant des cellules humaines d’intérêt spatial protégées par différents blindages, écrans spécifiques des particules et rayonnements présents entre 18 et 37 km d’altitude. La mesure de cassures de l’ADN complétée par des simulations de Monte-Carlo nous a permis d’établir une dosimétrie spécifique à chaque scénario et une première quantification du risque, relevant notamment des particules secondaires. L’ensemble de ces résultats inédits offre une vision globale très originale de la réponse individuelle aux radiations spatiales avec différentes conditions réalistes d’exposition.

Exposure to ionizing radiation represents one of the major risks for astronauts during space exploration. However, in order to reliably quantify radiobiological risks, space radiation sources must be rigorously characterized and the tissues at risk well identified. Through the space radiobiology projects at UMR 1296, four axes of research have been prioritized. We have shown that the body of astronauts is subjected to both a bath of high energy radiation impacting deep tissues (e.g. heart, bones) and a random shower of low energy particles and ions impacting the superficial tissues (e.g. eye, skin). We observed that a bath of radiation equivalent to that which reigns in the International Space Station, mimicked by the MarSimulator device at the University of Toulouse produces perinuclear crowns of ATM protein on human cells such as those coming from lens and bone cells, suggesting accelerated aging of these specific tissues in the first 4 weeks of exposure. At the same time, the impact of low energy particles on irradiated tissues raises the question of the proximity effect (or bystander). The occurrence, speed, intensity of the bystander effect and its dependence on dose, tissue and cell number were also studied by analyzing the number of DNA breaks, from the point of impact, inducing a centrifugal flow of calcium ions producing additional cellular stress and a significant additional dose. In the context of the radiation-induced ATM nucleoshuttling model, a mechanistic model developed in the laboratory, we showed that the antioxidative action of certain chemical radioprotectors was less effective than drugs which allowed a greater flow of ATM proteins to enter into cell nucleus. This is particularly the case for statins and bisphosphonates: these latter so-called “pro-episkevic” agents will be the basis for the development of new generation of radioprotectors. Finally, for the first time, we were able to carry out several flight campaigns of stratospheric balloons carrying human cells of spatial interest protected by different shieldings, specific screens for particles and rays present between 18 and 37 km altitude. The measurement of DNA breaks supplemented by Monte Carlo simulations allowed us to establish a dosimetry specific to each scenario and an initial quantification of the risk, particularly relating to secondary particles. All of these new results offer a very original global vision of the individual response to space radiation with different realistic exposure conditions.