1. Les interactions physiques rayonnements ionisants - matière
2. Les réactions physico-chimiques

a. La formation de radicaux libres
b. Le rôle du transfert linéique d'énergie
c. L'influence de la présence d'oxygène
d. L'influence de la présence de molécules organiques
e. L'inactivation des radicaux libres

1. Lésions induites par transfert direct d'énergie
1. Lésions induites par transfert direct d'énergie
2. Lésions induites par transfert indirect d'énergie
3. Les cibles des lésions radioinduites

1. Mort cellulaire, cancérogénèse et effets héréditaires
2. Les facteurs de radiosensibilité cellulaire

1. Les effets déterministes

a. Leur origine et leurs caractéristiques
b. Les effets d'une exposition globale
c. Les effets d'une exposition partielle

2. Les effets stochastiques

a. Leur origine et leurs caractéristiques
b. Tableau comparatif des effets déterministes et stochastiques

1. Les sources d'information sur la cancérogénèse

a. Les études in vitro
b. L'expérimentation animale
c. Les études épidémiologiques

2. L'extrapolation des risques de cancers aux faibles doses
3. L'extrapolation des risques de cancers aux faibles débits de dose
4. L'extrapolation des risques de cancers sur l'ensemble de la vie
5. L'extrapolation des effets héréditaires 

I. Processus physico-chimiques à l'origine des effets biologiques

Dés la découverte des rayonnements ionisants en 1895, leurs dangers ont été mis en évidence:

• 1896 : lésions cutanées radioinduites
• 1902 : premier cas de cancer radioinduit
• 1910 : cancers expérimentaux
• 1927 : mutations génétiques

Les effets des rayonnements ionisants sur un organisme résultent du transfert d'énergie à la matière, transfert qui constitue un processus complexe. 

1. Les interactions physiques rayonnements ionisants - matière

Les interactions physiques entre la matière et les particules directement ionisantes ou celles mises en mouvement par les rayonnements indirectement ionisants sont de 3 types:

• l'ionisation des atomes: l'énergie du rayonnement est supérieure à l'énergie de liaison des électrons. Un électron est alors arraché au cortège électronique.
• l'excitation des atomes: si l'énergie n'est pas suffisante pour arracher un électron, elle peut l'être cependant suffisamment pour faire passer un électron du niveau énergétique fondamental à un niveau énergétique supérieur (couche moins liée), l'atome est dit excité.
• les transferts thermiques: si l'énergie n'est pas suffisante pour exciter l'atome, elle peut cependant augmenter son énergie cinétique de translation, de rotation et de vibration, ce que l'on appelle les transferts thermiques.

En moyenne pour 1 ionisation, on a 3 excitations et un nombre plus élevé de transferts thermiques.

Exemple : L'énergie moyenne pour provoquer une ionisation dans l'eau est de 33,85 eV. Ainsi dans l'eau, 1 électron de 1 MeV produit environ : (10⁶ eV / 33,85 eV) = 3 10⁴ ionisations et 10⁵ excitations.

2. Les réactions physico-chimiques

Il s'agit plus précisément de réactions radiochimiques résultant des interactions physiques et qui surviennent dans des délais trés brefs de l'ordre de 10^-12 secondes.

a. La formation de radicaux libres

Un radical libre porte sur sa couche électronique externe un ou plusieurs électrons célibataires (non apparié à un électron de spin opposé). Cette configuration confère à l'entité radicalaire une trés haute réactivité chimique: les radicaux tendent à capturer un électron pour compléter leur couche électronique.

Les radicaux libres proviennent essentiellement de l'interaction des rayonnements ionisants avec les électrons des molécules d'eau, et ce en raison de la teneur extrèmement élevée en eau des organismes vivants.

1er cas :

L'eau est ionisée si E > 5,16 eV, qui est l'énergie de la liaison H-OH : hν + H₂O -> e^- + H₂O⁺
L'ion H₂O⁺ est instable et se dissocie sur place : H₂O⁺ -> H⁺ + OH°
L'électron projeté peut parcourir 10 à 15 nm et réagir avec l'eau : e^- + H₂O -> H° + OH^-

2ème cas :

La molécule d'eau est excitée : hν + H₂O -> H₂O*
La molécule excitée se désexcite : H₂O* -> H⁺ + OH° + e^-

Finalement :

10^-10 secondes à 10^-9 secondes aprés l'interaction avec le rayonnement ionisant, l'eau est devenue une solution plus ou moins concentrée en radicaux OH° et H° et en molécules d'hydrogène issues de la réaction : H° + H° -> H₂

b. Le rôle du transfert linéique d'énergie

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres surviennent dans un délai de 10^-7 secondes à 10^-3 secondes aprés l'interaction du rayonnement ionisant et constituent l'étape diffusionnelle. Ces réactions dépendent du transfert linéique d'énergie du rayonnement.

1er cas :

Le T.L.E. est élevé, donc le nombre d'ionisation est grand, donc la probabilité de rencontre entre les radicaux libres formés est élevée :
H° + H° -> H2
H° + OH° -> H₂O
OH° + OH° -> H₂O₂
L'eau oxygénée, H₂O₂, est extrèmement toxique pour la cellule.

2ème cas :

Le T.L.E. est faible et la réaction de recombinaison est la plus probable : H° + OH° -> H₂O

c. L'influence de la présence d'oxygène

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres dépendent également de la présence de l'oxygène:

1er cas :

En absence d'oxygène, la réaction s'arrète par dimérisation :
H° + H° -> H₂
H° + OH° -> H₂O

2ème cas :

En présence d'oxygène, la réaction suivante à lieu : H° + O₂ -> OOH°
Le radical hydroperoxyde, OOH°, est un oxydant avide d'électrons. Il est à l'origine de la formation d'eau oxygénée :
2 OOH° -> HOOH + O₂
OOH° + H° -> HOOH

L'électron arraché de la molécule d'eau ionisée lors de l'interaction avec le rayonnement ionisant peut réagir avec l'oxygène et former le radical superoxyde, O₂°^-:
e^- + O₂ -> O₂°^-

d. L'influence de la présence de molécules organiques

Les réactions qui succèdent à la formation de radicaux libres dépendent enfin de la présence de molécules organiques.

Un grand nombre de réactions (voir ci-après) ont lieu et aboutissent à la formation:

• d'eau oxygénée
• de radicaux péroxydes: RO°, ROO°
• de tétroxydes: ROOOOH

Les peroxydes et les tétroxydes sont des oxydants puissants qui altèrent les lipides des membranes des cellules.

Ces réactions sont :
OOH° + RH -> HOOH + R°
R° + O₂ -> ROO°
ROO° + OOH° -> ROOOOH
ROOOOH -> RO° + OH° + O₂
2 ROO° -> ROOOOR
ROOOOR + e- -> 2 RO° + O₂^-
ROO° + RH -> ROOH + R°
ROOH + e- -> RO° + OH-

e. L'inactivation des radicaux libres

Dans toutes cellules normales il existe des réactions qui produisent des radicaux libres et des peroxydes similaires à ceux formés en cas de radioexposition.

Les cellules possèdent donc des enzymes dont la fonction est d'inactiver ces composés extrèmement toxiques:
- la superoxyde dismutase : 2 O₂°^- + 2 H⁺ -> H₂O₂ + O₂
- les peroxydases : H₂O₂ + H₂ -> 2 H₂O
- les catalases : 2 H₂O₂ -> 2 H₂O + O₂

Remarque : la réaction catalysée par la superoxyde dismutase est équilibrée en terme de radical (symbole "°") puisque le transfert électronique met en jeu un atome de cuivre lié à l'enzyme qui est successivement oxydé puis réduit. 

II. Les lésions moléculaires

1. Lésions induites par transfert direct d'énergie

L'énergie du rayonnement est transférée directement à la molécule qui est ionisée ou est excitée.

L'excédent d'énergie acquis par la molécule est perdu par:

• rayonnement de fluorescence ;
• rupture de liaisons chimiques.

Exemple: l'excès d'énergie d'une ionisation est de 12,6 eV et celui d'une excitation est de 6,6 eV. Dans les 2 cas, l'excès est suffisant pour rompre la liaison H-OH d'une molécule d'eau dont l'énergie est de 5,16 eV.

2. Lésions induites par transfert indirect d'énergie

L'énergie est transférée à des molécules au voisinage des molécules concernées qui induisent à leur tour des lésions des molécules concernées. C'est typiquement l'action des radicaux libres formés lors de la radiolyse de l'eau. Actuellement, on pense que c'est l'effet direct qui prédomine.

En effet, en raison de leur courte durée de vie (10^-6 secondes) les radicaux libres migrent à de faibles distances. En conséquence, seuls ceux qui sont formés à proximité d'une molécule peuvent la léser.

3. Les cibles des lésions radioinduites

Toutes les molécules biologiques sont des cibles. On peut mentionner en particulier:

α. l'eau: en raison de sa proportion dans tous les organismes vivants (environ 70% chez l'homme)

β. l'ADN: en raison de sa fonction centrale dans la cellule (altération des chromosomes et division cellulaire, altération des gènes et mutations)

Le tableau suivant donne le nombre moyen de lésions de différents types induites par une dose de 1 Gy absorbée par 1 noyau : 

Rappel :

• La dose absorbée est de 1 Gy, soit une énergie de : 1 Gy = 1 J.kg^-1 = 0,624 10¹⁹ eV.
• Une telle énergie peut entraîner : (0,624 10¹⁹ eV / 33,85 eV) ≈ 2 10¹⁷ ionisations.kg^-1.
• Comme la masse d'1 noyau est ≈ 10^-10 g, la dose absorbée par 1 noyau va entraîner ≈ 2 10⁴ ionisations.
• La masse de l'ADN d'1 noyau étant ≈ 10^-11 g, l'ADN d'1 noyau va subir ≈ 2000 ionisations.

γ. Enfin, l'oxydation par les radicaux libres et les peroxydes des :

• acides gras insaturés constitutifs des membranes cellulaires
• acides aminés des protéines, notamment les cystéines

III. Les dommages cellulaires

1. Mort cellulaire, cancérogénèse et effets héréditaires

La mort cellulaire résulte de lésions irréparables dans des structures vitales pour la cellule telles que les chromosomes. La mort cellulaire peut être immédiate pour des doses élevées (plusieurs Gy) ou différée pour les faibles doses.

Les effets des faibles doses sont les suivants :

• les lésions sont dans la plupart des cas réparées et la cellule redevient normale
• si les lésions sont mal réparées, les cellules peuvent perdre leur capacité de division dés la 1ère division (1ère mitose) ou après plusieurs mitoses (mort différée)

• enfin, la cellule peut sembler normale en terme de survie, mais être anormale en terme chromosomique et subir des effets génétiques (héréditaires) ou s'orienter vers le développement de cancers.

Selon la vitesse de renouvellement du type de cellule, la mort cellulaire peut se manifester :

• entre quelques heures et quelques jours pour les cellules à division rapide: par exemple les cellules souches de la moelle osseuse
• entre quelques mois à quelques années pour les cellules à division lente: par exemple, les neurones n'ayant plus à se diviser demeurent fonctionnels pour de faibles doses.

2. Les facteurs de radiosensibilité cellulaire

La radiosensibilité est à la base de la compréhension des effets pathologiques des rayonnements.

a. Loi de Bergonié et Tribondeau

En 1906, Bergonié et Tribondeau ont montré que la radiosensibilité d'une cellule varie:

• proportionnellement à sa capacité de division ;
• inversement proportionnellement à son degré de différenciation.

b. L'évolution

Par l'étude des courbes de survie car plus un organisme est évolué plus il est radiosensible comme l'indiquent les valeurs du tableau suivant : 

c. la phase du cycle cellulaire : la radiosensibilité est maximale au cours de la phase M de mitose et minimale au cours de la phase S de duplication du matériel génétique.

d. l'environnement cellulaire : l'oxygène est un radiosensibilisant et ce, d'autant plus que le T.L.E. du rayonnement est faible. Ceci s'explique par l'augmentation de radicaux libres en présence d'oxygène.

e. la nature du rayonnement : à dose égale, la survie cellulaire est plus importante pour des rayonnements de faible T.L.E.

f. la distribution de la dose dans le temps : le fractionnement de la dose et la diminution du débit de dose permettent, à dose équivalente, d'augmenter la survie cellulaire.

IV. Les effets pathologiques des rayonnements ionisants chez l'homme

1. Les effets déterministes

a. Leur origine et leurs caractéristiques

Lors d'une exposition, si le nombre de cellules détruites est trop important, leur remplacement par la multiplication des cellules viables est insuffisant. Le déficit cellulaire qui en résulte entraîne des lésions tissulaires qui à leur tour altèrent la fonction de l'organe. Enfin, celle-ci peut entraîner des signes cliniques, voire la mort de l'individu.

Les effets déterministes sont donc ceux que l'on observe au delà d'un seuil, qui correspond à une dose de 0,2 à 0,3 Gy. Ils sont appelés déterministes car ils sont obligatoires, c'est-à-dire qu'ils se manifestent toujours.

Par ailleurs, les effets déterministes sont:

• précoces: ils se manifestent quelques heures à 1 mois après l'exposition (hormis la cataracte de l'oeil qui advient dans les années qui suivent l'exposition) ;
• d'autant plus graves que la dose est importante ;
• clairement décrits du point de vue symptomatique ;
• différents selon que l'exposition est globale (l'organisme entier) ou partielle (une partie de l'organisme).

b. Les effets d'une exposition globale

On parle de radioexposition aiguë qui évolue selon 4 phases :

• phase initiale ou prodromique: quelques heures ;
• phase de latence: quelques jours. Elle est silencieuse, c'est-à-dire que les symptomes disparaissent ;
• phase d'état: c'est la phase critique au cours de laquelle se développent les signes caractéristiques de chaque syndrôme ;
• phase de convalescence.

2. Les effets stochastiques

a. Leur origine et leurs caractéristiques

Les effets stochastiques sont les conséquences probabilistes à long terme, chez un individu ou chez sa descendance, de la transformation d'une cellule.

Ils résultent donc de lésions mal réparées des molécules d'ADN.

Les effets stochastiques sont de 2 types :

• si la mutation porte sur un gène d'une cellule somatique, les effets concernent l'individu exposé. Ce sont les effets cancérogènes
• si la mutation porte sur un gène d'une cellule germinale, les effets concernent l'individu exposé mais peuvent également se transmettre. Ce sont les effets héréditaires

Les effets stochastiques n'ont pas de seuil de dose. Ce sont des effets aléatoires qui n'apparaissent pas chez tous les individus. Par ailleurs, les effets stochastiques sont :

• tardifs: plusieurs années après l'exposition, voire chez la desecendance
• quand la dose augmente, leur fréquence augmente, mais leur gravité reste la même
• non spécifiques: il n'y a pas de moyen de déterminer l'origine radioinduite d'un cancer ou d'une anomalie génétique

V. L'évaluation du risque d'effets stochastiques

Les effets stochastiques posent un problème de radioprorection.

En effet, hormis les expositions exceptionnelles à de fortes doses qui ne peuvent relever que d'un incident voire un accident, ce sont les expositions aux faibles doses qu'il faut gérer.

Or les effets stochastiques qui en résultent :

• apparaissent de manière aléatoire
• apparaissent tardivement
• ont une gravité apparemment indépendante de la dose reçue

Il faut donc un ensemble de données et de paramètres qui permettent d'élaborer un modèle susceptible d'établir une relation fiable entre l'exposition aux faibles doses et les effets stochastiques qui en résultent.

1. Les sources d'information sur la cancérogénèse

a. Les études in vitro

Elles ont montré :

• l'importance de la cassure double-brin dans la restauration cellulaire qui expliquerait l'influence du débit de dose ;
• le rôle essentiel des oncogènes.

b. L'expérimentation animale

Elle a permis :

• l'acquisition de données quantitatives dans le cas où il n'existe pas de données pour l'être humain
• l'étude de la forme des courbes de survie dose-effet
• l'étude de divers facteurs :
  1. le T.L.E., ce qui a permis de déterminer certaines valeurs du facteur de pondération de la qualité des rayonnements, W_R
  2. l'action des radioprotecteurs et des radiosensibilisants

Cependant :

• elle nécessite l'étude d'un trés grand nombre d'animaux (rats et souris)
• la durée d'observation ne peut dépasser quelques années
• les résultats obtenus soulignent l'influence de divers facteurs (espèce animale, conditions d'irradiations, type de cancer considéré) qui rendent difficile l'extrapolation à l'être humain

c. Les études épidémiologiques

Le suivi des populations exposées est la seule base de données valable pour définir le facteur de risque. Ces études sont difficiles car :

• plus la dose est faible, plus le risque, si tant est qu'il existe, est réduit et plus l'effectif de la population à étudier est grand
• l'étude doit être menée sur plusieurs dizaines d'années en raison de la période de latence des cancers radioinduits
• la mortalité par cancer représente environ 25% des décès et les cancers radioinduits, qui ne se différencient en rien des cancers naturels, sont rares (1 à 2%)
• il faut une population témoin présentant les mêmes caractéristiques, notamment celles d'exposition aux autres facteurs cancérogènes (tabac, alcool, alimentation)

Le tableau suivant résume les caractéristiques de ces modes d'étude : 

2. L'extrapolation des risques de cancers aux faibles doses

Ainsi, 3 populations exposées ont été choisies par l'U.N.S.C.E.A.R. ("United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiations") :

La figure ci-dessous montre la courbe dose-effet établie à partir des cancers observés chez les survivants d'Hiroshima et Nagasaki.

Ce résultat montre une augmentation certaine du risque cancérogène pour des expositions à des doses supérieures à 0,5 Gy, délivrées à fort débit.

La forme de la courbe dose-effet suit une relation polynômiale: effet = k₁ . dose + k₂ . (dose)²

En revanche, l'ensemble de ces études ne permet pas de conclure dans le domaine des faibles doses inférieures à 0,2 Gy.

Il faut donc extrapoler aux faibles doses, les données obtenues à fortes doses.

Cependant cette extrapolation pose un problème car, pour les faibles doses, les données sont rares et l'augmentation du nombre de cancers est non significatif.

L'extrapolation de la courbe des fortes doses peut donc être faite selon plusieurs types de relations compatibles avec les observations:

• linéaire: effet = k . dose
• supra - linéaire: effet = k . (dose)ⁿ avec n < 1
• polynômiale: effet = k₁ . dose + k₂ . (dose)²

C'est la relation linéaire qui a été retenue.

Les conséquences sont :

• l'effet est proportionnel à la dose = à toute dose correspond un effet
• il n'y a donc plus de dose seuil = le risque zéro n'existe plus.

Ce choix amène 2 commentaires :

• il conduit à majorer le risque pour toutes les doses, ce qui est en contradiction avec certaines observations ;
• il revient à envisager les hypothèses les plus pessimiste, ce qui répond au principe fondamental de précaution en radioprotection.

3. L'extrapolation des risques de cancers aux faibles débits de dose

Les expositions sont en général du type faible débit de dose. Or celle d'Hiroshima - Nagasaki est du type fort débit de dose.

L'influence du débit de dose sur la cancérogénèse est connue: pour les rayonnements de faible T.L.E., plus la dose est étalée dans le temps, plus les effets cancérogènes sont réduits.

Pour tenir compte du débit de dose, on utilise un facteur appelé facteur de réduction de dose (DDREF, "Dose and Dose Rate Effectiveness Factor"), calculé à partir des courbes dose-effet. Les résultats montrent que les valeurs du facteur de réduction de dose à appliquer pour estimer l'effet délivré à faible débit de dose s'échelonnent entre 2 et 10.

Le facteur le plus faible de 2 a été retenu.

Remarque : Cette valeur (qui est la plus faible) majore le risque (puisque la réduction du risque est minorée) et ce, une fois encore, en réponse au principe fondamental de précaution en radioprotection.

4. L'extrapolation des risques de cancers sur l'ensemble de la vie

L'enquête épidémiologique d'Hiroshima - Nagasaki n'est pas terminée. En d'autres termes, l'estimation du facteur de rique qui a été faite jusqu'à présent n'est applicable que pour la durée de l'enquête, qui ne représente qu'une fraction de la vie des individus de la population observée.

Il faut donc évaluer le risque d'apparition de cancers dans les années à venir. Pour celà, il existe 2 modèles de projection:

• le modèle du risque absolu (ou modèle additif) : le nombre de cancers radioinduits observés annuellement reste constant jusqu'à la fin de la vie des individus de la population
• le modèle du risque relatif (ou modèle multiplicatif) : le nombre de cancers radioinduits observés annuellement est une fraction du nombre des cancers naturels

Dans ce cas, puisque le nombre de cancers naturels augmente avec l'âge, on doit observer une augmentation constante du nombre de cancers radioinduits.

C'est le modèle du risque relatif qui a été retenu.

5. L'extrapolation des effets héréditaires

Les effets héréditaires résultent des lésions des chromosomes de la lignée germinale (spermatozoïdes et ovules) susceptibles d'entraîner des anomalies dans la descendance de l'individu exposé.

Bien que les rayonnements ionisants soient l'un des agents mutagènes les mieux connus, leur action chez l'homme n'a pas été formellement mise en évidence. En effet, stérilité et décès interviennent avant qu'une quelconque descendance n'ait manifesté des effets héréditaires.

Les sources d'information et les difficultés des enquêtes sont les mêmes que dans le cas de l'études des effets cancérogènes. L'enquête la plus importante a de nouveau porté sur les survivants d'Hiroshima et Nagasaki et n'a révélé aucune augmentation significative de la fréquence des anomalies génétiques.

De plus, l'incidence naturelle des effets héréditaire est élevée: environ 10% des naissances.

En conséquence, puisqu'il n'existe pas de données chez l'homme, l'évaluation du risque d'effets héréditaires repose sur les résultats obtenus chez la souris.

Dans un premier temps, en ce qui concerne la souris proprement dit, les méthodes et les choix d'extrapolation aux faibles doses des données obtenues aux fortes doses sont les mêmes que pour l'étude chez l'homme des risques de cancers.

Enfin, l'extrapolation des données obtenues chez la souris à l'homme repose sur les 60% d'homologie génétique entre l'homme et la souris.

En d'autres termes, si 2 gènes sont liés chez la souris, ils le sont également chez l'homme dans 60% des cas.