Actions Biologiques des Radiations Ionisantes : Mécanismes et Effets

ACTIONS BIOLOGIQUES DES RADIATIONS IONISANTES

Les radiations ionisantes (RI) sont des rayonnements capables d'arracher un électron à une structure moléculaire biologique, entraînant des effets variables allant de l'excitation à la mort cellulaire. L'étude de leurs actions biologiques est cruciale pour le diagnostic et le traitement en médecine, ainsi que pour la radioprotection.

I. INTRODUCTION

1. Définition

• Rayonnement ionisant : Rayonnement capable d’arracher un électron à une structure moléculaire biologique.
• ABRI (Actions Biologiques des Radiations Ionisantes) : Résultat final d’événements physiques initiaux (excitation et ionisation) provoqués par le rayonnement sur le milieu irradié, avec des effets variables allant jusqu’à la mort.

2. Intérêt

• Moyens diagnostiques en médecine : Radiographie, Tomodensitométrie (TDM), scintigraphie.
• Moyens thérapeutiques (cancer+++) : Radiothérapie externe et interne (curiethérapie).
• Développement des moyens de radioprotection.

II. GÉNÉRALITÉS SUR LES RAYONNEMENTS IONISANTS

1. Types de rayonnements

• Rayonnements électromagnétiques :
  • Photons X et gamma : Pénétration élevée, faible densité d’ionisation.
• Rayonnements particulaires (corpusculaires) :
  • Particules chargées (directement ionisantes) :
    • Rayon alpha (α) : Très peu pénétrants dans les tissus, haute densité d’ionisation.
    • Rayon bêta (β+, positron ou β-, électron) : Pénétration moyenne, densité d’ionisation moyenne.
  • Particule neutre (indirectement ionisante) :
    • Neutron.

2. Modes d’irradiations

• Irradiation externe : La source de l’irradiation est à l’extérieur et à distance de l’organisme, avec un temps de contact réduit.
• Contamination externe : La source de l’irradiation est en contact avec la peau.
• Contamination interne : La source de l’irradiation est incorporée dans l’organisme.

3. Notion de dosimétrie

• Dose absorbée (D) : Énergie déposée par le rayonnement par unité de masse. S’exprime en Joule/Kg ou en Gray (Gy).
• Dose équivalente (H) : Prend en compte la nature du rayonnement. S’exprime en Sievert (Sv).
• Dose efficace : Prend en compte la nature du rayonnement et la sensibilité du tissu affecté. S’exprime également en Sv.

III. MÉCANISMES D’ACTION DES RAYONNEMENTS IONISANTS

1. Étape physique

• L’excitation : Transfert d’énergie (insuffisante pour l'ionisation) à un atome, provoquant le passage d’un électron à une orbite d’énergie supérieure.
• L’ionisation : Transfert d’énergie (suffisante) à un atome, provoquant l’expulsion d’un électron et la création d’un vide dans le cortège électronique.

2. Étape chimique

Une RI provoque une réaction chimique par deux mécanismes :

• Action directe : Transfert d’énergie direct sur les macromolécules.
• Action indirecte (mécanisme prépondérant) :
  • Radiolyse des molécules d’eau → formation de radicaux libres (RL) : H• (réducteur) et OH• (oxydant). Ces radicaux peuvent se recombiner pour donner H₂O, mais aussi H₂ et H₂O₂, qui sont très toxiques.
  • Les effets de ces irradiations peuvent être :
    • Atténués par des radioprotecteurs (atténuent les dommages des RL) : exemples : glutathion, vitamine C.
    • Augmentés par les radio-sensibilisateurs (renforcent l’effet délétère des RL) : exemple : O₂.

IV. ACTIONS BIOLOGIQUES DES RAYONNEMENTS IONISANTS

1. Effets moléculaires

• Lésions membranaires : Affectent les lipides (canaux ioniques, œdèmes).
• Lésions cytoplasmiques : Affectent les protéines, le cytosquelette, les enzymes.
• Lésions nucléiques (ADN) : Cassure d’un brin d’ADN, altération des bases azotées, destruction du désoxyribose.

2. Effets cellulaires

• Mort cellulaire :
  • Immédiate : Due à une dose d’irradiation unique considérable, mort par nécrose cellulaire avec phénomène inflammatoire important.
  • Différée : Perte de la capacité de prolifération.
  • Indirecte.
• Altérations du cycle cellulaire (dose plus faible) : Troubles de la perméabilité et de la mobilité cellulaire, diminution de la synthèse d'ARN et de protéines, arrêt ou retard de mitose avec retard de croissance cellulaire.
• Mutations : Lésions non ou mal réparées du matériel génétique.

3. Effets tissulaires

3.1. Effets déterministes

Les effets déterministes sont des effets obligatoires qui apparaissent au-delà d'une dose seuil, avec une sévérité proportionnelle à la dose. Ils surviennent à court ou moyen terme et sont caractérisés par des lésions spécifiques.

• Critères :
  • Effet obligatoire.
  • Apparaît au-delà de la dose seuil avec une sévérité proportionnelle à la dose.
  • Survient à court ou moyen terme.
  • Lésions caractéristiques.
• Irradiation aiguë globale :
  • Phase prodromique : Signes neurologiques (céphalées, apathie, asthénie), signes digestifs (nausées, vomissements, diarrhées).
  • Phase de latence : Latence clinique de durée variable selon l’intensité de l’irradiation.
  • Phase d’état : 3 syndromes en fonction de la dose :
    • Syndrome hématologique (dose > 1Gy) : Aplasie médullaire avec pancytopénie.
    • Syndrome intestinal (> 6Gy) : Ulcère digestif, troubles hydroélectrolytiques.
    • Syndrome nerveux central (> 20Gy) : Troubles de la conscience (TC) → coma, syndrome méningé.
• Irradiation localisée :
  • Peau :
    • Précoce : Érythème, radiodermite sèche ou exsudative, radionécrose.
    • Tardive : Fibrose, atrophie, sclérose, télangiectasies.
  • Gonades : Stérilité.
  • Yeux : Cataracte.
  • Poumons : Fibrose diffuse avec insuffisance respiratoire sévère.
  • Reins : Radionéphrite avec HTA et insuffisance rénale (IR).
  • Os : Radionécrose avec fractures spontanées.
  • Thyroïde : Hypothyroïdie.
• Effets sur l’embryon et le fœtus :
  • 8 premiers jours : Loi du tout ou rien (fausse couche ou poursuite normale de la grossesse).
  • Phase embryonnaire : Radiosensibilité élevée avec risque de mort in utero (MIU) ou de malformations.
  • Phase fœtale : Radiosensibilité moindre, risque de retard de croissance intra-utérin (RCIU), risque carcinogène.

3.2. Effets stochastiques

Les effets stochastiques sont des effets aléatoires, sans dose seuil établie, et dont la sévérité est indépendante de la dose. Ils surviennent à long terme et ne présentent pas de lésions caractéristiques.

• Critères :
  • Effet aléatoire.
  • Pas de dose seuil établi avec sévérité indépendante de la dose.
  • Survient à long terme.
  • Lésions non caractéristiques.
• Effets :
  • Sur les cellules somatiques : Risque de cancers radio-induits.
  • Sur les cellules germinales : Risque de transmission d’anomalies génétiques.

V. APPLICATIONS

• Personnel : Respect des principes de distance, temps d’exposition, utilisation d’écrans, et utilisation d’équipements de protection (blouses, gants).
• Patient : Application des principes de justification pour toute prescription et des principes d’optimisation (respect du protocole).