La physique

Les études de radiobiologie sur les effets des rayonnements ionisants sur la santé humaine se concentrent sur la molécule d'acide désoxyribonucléique (ADN) en tant que cible principale des effets délétères. L'interaction des rayonnements ionisants avec les tissus et les organes peut entraîner un dépôt d'énergie localisé suffisamment important pour provoquer des cassures double brin dans l'ADN, ce qui peut entraîner des mutations, des aberrations chromosomiques et des modifications de l'expression des gènes. La compréhension des mécanismes à l'origine de ces interactions est essentielle pour développer des radiothérapies et améliorer les stratégies de radioprotection. Christopher Shepard de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et ses collègues utilisent maintenant de puissantes simulations informatiques pour montrer exactement quelle partie de la molécule d'ADN reçoit des niveaux d'énergie dommageables lorsqu'elle est exposée à un rayonnement de particules chargées (Fig. 1) [1]. Leurs découvertes pourraient éventuellement aider à minimiser les effets à long terme des rayonnements des traitements contre le cancer et des vols spatiaux habités.

L'interaction du rayonnement avec la structure électronique de l'ADN est un processus complexe [2, 3]. Les modèles numériques actuellement utilisés en radiobiologie et en radiothérapie clinique ne captent pas la dynamique détaillée de ces interactions au niveau atomique. Ces modèles utilisent plutôt des sections transversales géométriques pour prédire si une particule de rayonnement, telle qu'un photon ou un ion, traversant le volume cellulaire transférera suffisamment d'énergie pour provoquer une rupture dans l'un ou les deux brins d'ADN [4–6]. Les modèles ne décrivent pas les interactions au niveau atomique, mais fournissent simplement la probabilité qu'une certaine dose de rayonnement entraîne la perte de la capacité de reproduction d'une population de cellules.

En raison de sa capacité de neutralisation cellulaire, le rayonnement ionisant peut être utilisé pour contrer la croissance des tumeurs. En fait, la radiothérapie reste l'une des thérapies anticancéreuses les plus utilisées [7, 8]. Mais lorsqu'elle est appliquée pour traiter des tumeurs malignes, la thérapie peut également entraîner des conséquences graves pour les tissus sains. Dans le cas des thérapies par rayons gamma et rayons X, les photons à haute énergie commencent à perdre de l'énergie peu de temps après leur entrée dans le corps. En revanche, la radiothérapie aux ions lourds utilise des particules chargées qui perdent la majeure partie de leur énergie à la fin de leur plage de déplacement. Particulièrement pour les particules en mouvement rapide, cette perte rapide d'énergie sur une très petite distance conduit à une forte augmentation de l'énergie déposée dans un volume localisé. En raison de ce dépôt d'énergie localisé, les radiothérapeutes peuvent utiliser un faisceau de particules chargées pour cibler précisément la forme et la profondeur d'une tumeur, épargnant ainsi les tissus sains devant la tumeur tout en minimisant les dommages aux tissus sains au-delà de la tumeur. Cette sélectivité fait de la radiothérapie aux ions lourds une modalité thérapeutique révolutionnaire susceptible de traiter des tumeurs traditionnellement considérées comme incurables avec les traitements standards actuels.

La majeure partie de l'énergie transférée par une particule chargée à un milieu est le résultat d'interactions coulombiennes entre orbitales d'électrons. L'énergie moyenne requise pour ioniser un atome ou une molécule dans un milieu est souvent utilisée pour décrire ce que l'on appelle le pouvoir d'arrêt du rayonnement d'un matériau : la capacité du matériau à ralentir ou à arrêter les particules chargées, telles que les électrons ou les ions, lorsqu'elles le traversent [9]. La mesure du pouvoir d'arrêt d'un matériau est essentielle pour déterminer l'utilité d'une radiothérapie. Pour les tissus biologiques, le pouvoir d'arrêt est généralement mesuré en termes d'énergie perdue par micromètre parcouru. Cependant, une molécule d'ADN a une largeur moyenne de 2 nm, il n'est donc pas possible actuellement de mesurer le pouvoir d'arrêt à l'échelle de l'ADN.

Shepard et ses collègues ont utilisé une simulation informatique à grande échelle sur des superordinateurs pour quantifier le transfert d'énergie des protons à haute énergie vers l'ADN solvaté, c'est-à-dire une solution d'ADN séparée en ses chaînes latérales sucre-phosphate et ses composants de base nucléobasique. Ils ont utilisé la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) dépendante du temps pour évaluer la complexité du système d'ADN au niveau moléculaire. La DFT est une méthode de calcul pour étudier la structure électronique des atomes, des molécules et des solides. Il est basé sur le concept selon lequel les propriétés d'un système à plusieurs électrons peuvent être déterminées par une seule fonction décrivant la densité électronique du système. La DFT est une méthode efficace pour calculer la structure électronique des grands systèmes car elle utilise un ensemble d'approximations pour tenir compte des interactions entre les électrons plutôt que de résoudre l'équation de Schrödinger pour chaque électron du système. Ces approximations permettent de calculer la structure électronique de systèmes complexes qu'il serait impossible d'étudier avec les méthodes traditionnelles.

Dans leurs simulations, les chercheurs ont exprimé l'énergie totale du système d'ADN solvaté en tant que fonction mathématique de la densité électronique. La densité électronique peut être calculée à partir de la fonction d'onde du système, qui, à son tour, décrit la probabilité de trouver un électron dans une position particulière et avec un spin particulier. En utilisant cette approche, ils ont découvert que le déplacement des électrons était très localisé le long du trajet du proton et significativement plus élevé dans les trajectoires plus proches des chaînes de phosphate. Le déplacement plus élevé indique que le squelette sucre-phosphate de l'ADN a absorbé plus d'énergie que les nucléobases.

Les simulations remettent en cause l'hypothèse classique selon laquelle le pouvoir d'arrêt est proportionnel à la densité en nombre de trous générés dans le milieu. Sur la base de leurs résultats, Shepard et ses collègues soutiennent que le pouvoir d'arrêt du milieu d'ADN solvaté dépend également des énergies des trous générés. Leurs résultats ont indiqué une prévalence plus élevée de formation d'électron-trou dans le squelette sucre-phosphate, ce qui peut conduire à la formation de radicaux libres très nocifs. Les radicaux libres sont des atomes ou des molécules aqueux qui ont un électron de valence non apparié, ce qui les rend très réactifs avec le milieu local. Les radicaux interagissant avec le squelette sucre-phosphate peuvent provoquer des fractures du squelette et éventuellement la rupture d'un ou plusieurs brins d'ADN.

Ce travail démontre l'utilité et la puissance des ordinateurs multicœurs hautes performances pour l'étude de dynamiques d'interaction complexes qui sont autrement difficiles à reproduire en laboratoire. Les résultats indiquent où les particules chargées déposent la majeure partie de leur énergie dans une molécule d'ADN, aidant à combler le fossé dans nos connaissances sur la façon dont la radiobiologie se croise avec la physique du transport des particules chargées. Mais une certaine prudence doit être exercée en acceptant les conclusions de l'étude jusqu'à ce que des résultats expérimentaux détaillés valident les modèles des chercheurs. En clarifiant davantage les mécanismes sous-jacents des dommages à l'ADN, les scientifiques pourraient être en mesure d'améliorer l'efficacité des rayonnements ionisants thérapeutiques. Ils peuvent également être en mesure de développer des contre-mesures, telles que de nouveaux médicaments, qui minimisent les effets néfastes des rayonnements ionisants sur les cellules saines.

Jeffery C. Chancellor est professeur adjoint de physique à la Louisiana State University et occupe également des postes auxiliaires au Département de médecine préventive et de santé des populations de la branche médicale de l'Université du Texas et à l'Institut de l'espace extra-atmosphérique de l'Université de la Colombie-Britannique, au Canada. Ses intérêts de recherche se concentrent sur les applications de la façon dont le rayonnement des ions lourds interagit avec la matière molle et condensée pour la structure, le blindage et les soins de santé des véhicules spatiaux habités. Il est le fondateur et directeur technique d'Atlantis Industries, qui développe des technologies pour protéger les humains, les systèmes spatiaux et la microélectronique contre les risques de rayonnement ionisant inhérents aux voyages spatiaux.

Christopher Shepard, Dillon C. Yost et Yosuke Kanai

Phys. Rév. Lett. 130, 118401 (2023)

Publié le 13 mars 2023

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