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Radiologie et radioprotection Introduction Au rang des découvertes scientifiques majeures les rayonnements ionisants apportent depuis des décennies un bénéfice indéniable -

Exemple médical : détection (imagerie) et thérapie Application industrielle majeures (central nucléaire)

Maitrise des RI : effets néfastes sur l’homme et son environnement Effets des radiations ionisantes sur la matière vivante : radiochimie, radiobiologie Définir des règles des normes pour protéger l’individu : radioprotection

Partie 1 l’homme et les rayonnements ionisantes Historique En 1895, Wilhelm Roentgen met en évidence qu’une plaque photographique peut être impressionnée par ce rayonnement pouvant traverser la matière Il appelle X (symbole de l’inconnue en math) Les médecins comprennent immédiatement son intérêt et l’utilisent pour leur recherche médicales : c’est le début de la imagerie par rayon X ou radiologie Cependant des praticiens et des radiologues utilisant fréquemment ces rayonnements pour leurs patients tombent malades, ils ont des brûlures Ils se rendent alors compte qu’à fortes doses, une irradiation est dangereuse et qu’il faut donc s’en protéger Généralité Un rayonnement ionisant possède suffisamment d’énergie pour arracher un ou plusieurs électrons aux atomes ou aux molécules de la matière qu’ils rencontrent sur son passage, créant ainsi des ionisations tout le long de leur parcours Le pouvoir de pénétration donc leur nocivité dans la matière varie selon leur nature et leur énergie L’homme est exposé à divers type rayonnement L’homme est exposé aux rayonnements depuis son apparition sur Terre exemple rayonnement solaire Lumière visible provenant du soleil Rayonnement invisible : ce sont des ondes électromagnétique : les rayons gamme les rayons X, UV, mes infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio L’atmosphère agit comme un filtre et certains n’atteignent pas la surface terrestre L’homme est également exposé à d’autres rayonnements invisibles qui proviennent de l’espace et du soleil, connu sous le nom de rayonnement cosmique

Ces rayonnements de très grandes énergies (onde et particules sont capables de traverser d’épaisse couche de roche Dans la nature la plupart des noyaux d’atomes sont stable, d’autre non. Ces derniers se transforment alors spontanément, et de façon irréversible, en d’autre atomes plus stables Ces transformations successives appelés désintégration s’accompagne d’émission de différent type de rayonnements : α β γ Les rayonnements γ sont des ondes électromagnétique tandis que les rayonnements α et β sont des particules respectivement un noyau d’hélium ou d’un électron

2 Interactions des rayonnements ionisant avec la matière Les particules chargées perdent leur énergie par transfert d’énergie au milieu environnant sous forme d’ionisation et excitation des atomes Différents interaction sont possibles -

Phot électrique Compton Création de pair

3 le parcours des rayonnements Selon le type de rayonnement ionisant (particulaire, onde électromagnétique), le parcours des rayonnements sera différent Il est lié au transfert d’énergie linéique (TEL)

Α ΒX ou γ n

Parcours Air 5-10cm Qqs m (1 à 3) 100m a 1km 1km

eau Ordre du µm Ordre du mm Ordre dizaine de cm Ordre du mètre

Le parcours du rayonnement Alpha : faible parcours arrêter par feuille papier écran léger Β – parcours de l’ordre du m dans l’air, arrêté par plexiglas (attention au Brehmstralung) X ou γ : parcours important, arrêter par plomb (atomes lourds), béton N : parcours important, arrêter matériaux riches en hydrogène

Neutron Neutron du fait de leur masse ne peuvent interagir qu’avec un noyau

Le noyau transmet un partie de son énergie cinétique au noyau cible qui devient une particule ionisante La perte d’énergie est maximale quand les noyaux sont de taille égale telle que l’hydrogène A chaque choc élastique il y a diffusion du neutron et perte d’énergie, d’où ralentissement

2 expositions naturelles et artificielles L’exposition de l’homme aux rayonnements Pour apprécié à leur juste valeur les risque liés aux rayonnements ionisants, ils convient de connaitre les sources et l’exposition à laquelle l’individu est soumis on différencie l’exposition naturelle et artificielle Notion de source Source : appareils ou substance capables d’émettre des radiations ionisantes -

Sources scellées Crayon au cobalt, appareil producteur de rayon X

-

Sources non scellées Réactif de laboratoire, molécule marquée par un isotope Eléments contenus dans le sol ou l’air

Exposition naturelle Trois principaux types : -

Rayonnement cosmique : espace, étoile, soleil. L’Exposition augmente avec l’altitude

-

Elément radioactifs contenue dans le sol (tellurique) : uranium, thorium, potassium

-

Les éléments naturels que nous absorbons en respirant ou en nous nourrissant

-

Exemple le radon que contient les roches granitiques

Exposition artificielle -

Industrie Essais nucléaire Applications médicales

En France, l’exposition naturelle est de 2.4 mSv/an rayonnement telluriques hors radon

Corps humain : eau et aliment absorbés

Les expositions Exposition externe Contamination externe

irradiation externe

Contamination interne

irradiation interne

Type d’expositions L’exposition externe est provoquée par une source radioactive qui est situé à distance de l’individu. Cette source peut émettre des rayonnements qui interagissent avec le corps humain en créant des ionisations. L’exposition peut être globale ou partielle Une contamination externe est provoquée par des dépôts d’un élément radioactif sur la peau, les vêtements ou les plans de travail Elle peut conduire à l’incorporation des produits radioactifs dans l’organisme contamination interne secondaire Une contamination interne se produit lorsque les produits radioactifs ont pénétré dans l’organisme par voie cutanée (plain par exemple) inhalation, ingestion Ce phénomène d’incorporation conduit à l’exposition interne

La peau : première cible Epiderme -

Couche supérieur couche cornée (cellules mortes) Couche inférieure cellules vivantes radiosensible (altération)

Derme Tissus sous cutanée Danger Irradiation externe Contamination externe Contamination interne

alpha 0

beta 0, (+/-)

X ou γ ++

Neutron +++

0

+++

++

0

+++

++

++

0

Exposition naturelles

Rayonnement cosmique Ils sont émis par des sources galactiques Le rayonnement solaire est constitué -

-

De 75% de proton, de noyaux atomiques (hélium), photons (X ou γ), d’électron et de neutrons dont l’énergie est considérable Entrant en collision avec les molécules de l’atmosphère terrestre, les particules cosmique sont absorbées et provoquent des réactions nucléaires qui conduisent à des radionucléides induits (14C, 3H) Le tritium 3H est un émetteur β -, de faible énergie de ½ vie 12.3 ans A basse altitude, le tritium s’incorpore aux molécules d’eau. Cette eau tritié apportée par l’eau de pluie se dilue dans l’hydrosphère et s’incorpore à tout le milieu vivant. Le 14C (1/2 vie 5730 ans émetteur β -) est très vite oxydé par l’oxygène de l’air jusqu’au stade 14 CO2 qui se dilue dans le CO2 atmosphérique et le suit dans son cycle biologique

Conséquence Exposition externe : 0.35 mSv par an au niveau de la mer augmentation en fonction de l’altitude (environ 1mSv a 2000m) Problème : exposition des astronautes, personnels navigant

Rayonnement tellurique -

Exposition externe Uranium, thorium, potassium contenus dans le sol La nature géologique des sols (socle granitique, doses 5 à 10 fois plus importantes que le bassin sédimentaire)

Dans le monde on a une exposition variant de 1 à 80 mSv/an. Exemple : thorium (émetteur α) dans le sable du Kerala (inde) (15-30 mSv/an) Exposition interne Parmi les 340 atomes qui existent, 70 ont des noyaux instables, radioactifs -

éléments naturellement radioactif : uranium, thorium, et potassium 40 (radionucléides primordiaux) Ces éléments sont dans le sol, eau, air et donc dans les organismes vivant

Rayonnement tellurique : radon 222Rn : un aérosol radioactif naturel provient de la désintégration de l’uranium 238 (roche granitiques, matériaux de construction) ½ vie courte de 3.8 jours. 4 particules α émises. Ces descendants solides peuvent se déposer dans les poumons -

34% exposition annuelle globale aux rayonnements Gaz radioactif naturel (contamination interne), inodore, incolore, inerte chimiquement

Le radon est classé par le centre international de recherche (CIRC) sur le cancer comme cancérigène certain pour le poumon depuis 1987

De nombreuses études épidémiologiques confirment l’existence de ce risque chez les mineurs de fond mais aussi ces dernières années, dans la population générale (source 2014 IRSN) D’après les évaluations conduites en France, le radon serait la seconde cause de cancer du poumon, après le tabac et devant l’amiante : sur les 25 000 décès constatés chaque année, 1200 à 3000 lui serait attribuable Le radon est présent partout : dans l’air, le sol, l’eau. Le risque pour la santé pour la santé résulte toutefois pour l’essentiel de sa présence La concentration en radon dans l’air est variable d’un lieu a l’autre. Elle se mesure en Bq/m3 (becquerel par mètre cube) Dans l’air extérieur, le radon se dilue rapidement et sa concentration moyenne reste généralement faible : le plus souvent inférieur a une dizaine de Bq/m3 Dans des lieux confinés tels que les grottes, les mines souterraines mais aussi les bâtiments en général, et les habitations en particulier, il peut s’accumuler et atteindre des concentrations élevées atteignant parfois plusieurs milliers de Bq/m3 La campagne de mesure organisée de 1982 à 2003 par le ministère de la santé et l’IRSN sur plus de 10 000 bâtiment répartie sur le territoire métropolitain, a permis d’estimer la concentration la concentration moyenne en radon dans les habitations. Elle est de 90 Bq/m3 pour l’ensemble de la France avec des disparités importantes d’un département, à l’autre et, au sein d’un département, d’un bâtiment à l’autre La moyenne s’élève ainsi à 24 Bq/m3 seulement à paris mais à 264 Bq/m3 en Lozère Radon est santé publique -

Classé comme agent cancérogène-particule α par contamination interne irradient les cellules bronchique Législation : dépistage de 1999-2003 dans établissements publics Intervention 300 Bq/m3 (recommandation OMS, pas de limite réglementaire applicable en France)

Mesures correctives : -

Etanchéité du sous-sol, vide sanitaire (cf. schéma) ventilation Après mesure corrective, on diminue par 10 la concentration en radon

Fin du premier cours

L’exposition artificielle Pour chaque habitant, l’exposition annuelle moyenne artificielle d’irradiation est d’environ 1 mSv/an

Plusieurs origines : -

Les irradiations médicales (imagerie et radiothérapie) Les activités industrielles non nucléaires Les activités industrielles nucléaires

Les activités industrielles non nucléaires -

La combustion du charbon, l’utilisation d’engrais phosphaté, les montres a cadran lumineux de nos grands père entraines une irradiation de 0.01 mSv/an

Les activités industrielles nucléaires -

Les centrales nucléaire, les usines de retraitement les retombé des aniciennes essais nucléaire atmosphérique et de Tchernobyl etc... exposent chaque homme à 0.002 mSv/an

Utilisation Exemple en médecine -

Imagerie : radiologie (rayon X) médecine nucléaire (β +, γ, radiotraceur) Radiothérapie (e- accéléré, ions carbone)

Exemple dans l’industrie -

Stérilisation par rayonnement γ des aliments, protection des œuvres d’art Elimination des micro-organismes champignon bactéries virus et conservation

Partie II : effets biologiques des RI interaction avec la matière vivante Introduction Les RI ont la propriété d’interagir avec la matière en transférant -

Entièrement Ou seulement une partie de leur énergie radiative

Dans la matière vivante, ce transfert d’énergie est suivi -

D’une cascade de réaction physico-chimique (radiochimie) A l’échelle moléculaire, subcellulaire, cellulaire tissulaire et enfin au niveau de l’organisme entier (radiologie et radio pathologie)

Les conséquences conduisent à observer 2 effets : Effets déterministe ou obligatoires : -

Effets précoces, lésion aiguës

Effets aléatoires ou stochastiques : -

Effets tardifs, carcinogénèse.

1 phénomène physico-chimique initial Selon la quantité d’énergie transférée, la molécule touchée subit Ionisation : M → M+ + eExcitation : M → M* Élévation de son énergie thermique

→ augmentation de l’énergie interne compromet la stabilité Action est double Une action directe sur la matière biologique, en provoquant des lésions moléculaires Une action indirecte par le biais des produits de la radiolyse de l’eau (l’eau étant un constituant majeur) Rq : ne pas confondre avec les rayonnements directement ou indirectement ionisant I.1 action directe Les molécules ionises ou excitées sont très instable et elles vont donc très rapidement expulser cet excès -

Soit sous forme de l’émission d’un photon Soit par le transfert de l’énergie a une liaison chimique proche pouvant provoquer la rupture de cette liaison

Radicaux libre : rupture de la liaison covalente : chaque fragment apporte avec lui e- non coulé appelé e- célibataire

R-R’ → R. + R’. Ces radicaux libres ont une grande réactivité chimique et une existence éphémère (10 -9s) L’électron libre de la molécule est alors appelé radical libre Les radicaux libres réagissent avec d’autres molécules en donnant des réactions d’addition

R.R’’.. → R : R’’ Retour à un état stable mais avec des modifications Les ruptures de liaison de covalence peuvent affecter la liaison même ou une autre liaison plus ou moins éloignée par migration de l’énergie au sein de la molécule ionisée (migration intramoléculaire) voire à la molécule voisine (migration intermoléculaire)

I.2 action indirecte : la radiolyse de l’eau Les radicaux formés

HO. : Pouvoir oxydant H. : pouvoir réducteur e- aqueux ou solvaté : pouvoir réducteur Recombinaison → Pour former des composés inertes H. + HO. → H2O ou H. + H. → H2 HO. +HO. → H2O0 = peroxyde d’hydrogène H2O2 et ROOH sont des peroxydes formés par recombinaison des produits de la radiolyse de l’eau. Ce sont des oxydants très puissants, à vie longue, dont les effets se poursuivent après la fin de l’irradiation La probabilité de formation des peroxydes dépend de la proximité des radicaux libres fugaces formés lors de l’étape initiale de la radiolyse et éventuellement de la concentration en O2 dissout Le radical .OH modifie la liaison R-H R : H + HO. → R. + H2O R. + HO. → R : OH Le radical H. modifie la liaison R-H R : H +H. → R. + H2 R. + R’. → R : R’ L’e- aqueux produit des ouvertures des doubles liaisons avec la formation de composés d’addition I.3 radio sensibilisants et radio-protecteurs a) radio sensibilisants Effet radio sensibilisant : Certaines molécules augmentent l’effet nocif des rayonnements ionisants sur la matière biologique : ce sont des radios sensibilisants → effet oxygène Réactions en chaine et formation de peroxydes : R. + O2 → ROO. (Radical peroxyle) ROO + R’H → ROOH + R’ R’ + O2 → R’OO. Peroxyde : ROO. + R’ → ROOR’ (peroxyde) a) Radio protecteur

Effet radio protecteur Certaines molécules diminuent l’effet nocif des rayonnements ionisants sur la matière biologique : ce sont des radios protecteurs b) Radio protecteur Les radios protecteur sont des molécules qui contiennent des groupements thiols (SH) ou amine (NH2) et qui captent les radicaux hydroxyles selon la réaction RSH + HO. → RS. + H2O RS. Est stable donc peu réactif -

L’antioxydant le plus abondant dans les cellules est le glutathion GSH Exemple : cystéamine

Les radios protecteurs (cystéamine) se sont montrés décevant Leur prise est préventive et ils ont une toxicité aux doses qui permettraient une protection La protection qu’ils apportent reste modeste Ils n’ont pas dépassé le stade expérimental Neutralisation des radicaux libres Différents système sont capables d’inactiver les radicaux libres en faisant intervenir différentes enzymes : -

Superoxyde dismutase (SOD) inactive l’ion superoxyde 2O2- + 2H+ → H2O2 + O2 Peroxydase inactivent le peroxyde d’hydrogène RH2 + H2O2 → R + 2H2O Catalase : 2 H2O2 → 2 H2O + O2

Ces enzymes sont stimulés pour des irradiations assez faibles, ils pourraient intervenir dans l’adaptation aux expositions aux faibles doses et pourraient peut-être expliquer pourquoi les populations habitant dans les régions à exposition naturelle importante ne présentent pas de manifestation pathologique (Théories de l’Hormesis mais non prouvée pour un organisme entier) II lésion moléculaire au niv cellulaire les type de lésions Si on prend une image simplifiée de la cellule constitué par : -

Le cytoplasme et les organites La membrane plasmique Le noyau

Les effets des rayonnements ionisants s’exercent sur les différents constituants mais ne revêtent pas la même importance

Lésion cytoplasmique Les lésions des protéines sont essentiellement dues aux radicaux hydroxyles HO.

Elles sont à l’origine de la déstabilisation de l’architecture cellulaire par une altération du cytosquelette Les mitochondries semblent jouer un rôle important mais non clairement établie à ce jour Ce qui est connu : il y a un lien entre le nombre de mitochondrie d’une cellule et sa radio sensibilité. Les cellules les plus riches en mitochondrie sont les moins radio sensible

Lésion membranaire Le phénomène de base est la peroxydation des acides gras (cassure double liaisons) Cela provoque -

Altération des structures membranaires Pontages lipides protéines, e association avec des lésions des protéines

La conséquence importante qui ait de la membrane une cible des rayonnements ionisants est la dégradation : -

Des récepteurs membranaires Des systèmes de transport et flux ioniques

L’ensemble se traduit par un phénomène de type inflammatoire Les doses nécessaires pour obtenir cet effet sont élevées

Lésions nucléaires Les effets les plus importants pour l’organisme entier sont ceux sur l’adn (la modification du matériel génétique de la cellule aura les conséquences les plus graves pour l’organisme) Type de lésion Les lésions de l’ADN sont potentiellement nombreuses : on en classe en catégories : -

Cassure double brin : rupture double Altération des bases Cassures simple brin : rupture simple Pontage au sein de l’ADN Liaison avec les protéines (histones et protéines chromosomique)

Rupture simple -

Rupture des liaisons hydrogènes entre les bases (passage de molécules d’eau dans la brèche)

Les brins s’écartent (fermetures éclaires) Rupture double -

Les ruptures doubles : rupture des deux chaines d’ADN distantes d’au moins de 3 nucléotides

Altération des bases ou sucre Les bases pyrimidiques (thymidine et cytosine) sont les plus sensibles que les bases puriques (adénine et guanine)

Le remplacement par une autre base est à l’origine d’une mutation Elles ont pour conséquence des distorsions de la structure de l’ADN

FIN DU DEUXIEME COURS

Pontage au sein de l’adn Pontage intrabrin ou interbrin. Les plus observé sont des dimérisation de bases en particulier de la thymine Les dimér...