Rayonnements directement ionisants et indirectement ionisants

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Système neuroendocrinien et gastro-intestinal

Les TNE se développent au sein des organes ayant un rôle glandulaire ou dans un tissu voisin, à partir des cellules neuroendocrines. Elles sont disséminées dans le système neuroendocrine diffus, qui est composé des glandes neuroendocrines et d’autres tissus tels que les poumons, l’appareil digestif ou encore la peau.

Thérapies anticancéreuses

Les techniques de traitement des cancers n’ont cessé d’évoluer au fil du temps, et l’approche thérapeutique diffère selon le type de cancer. En effet, les trois principales approches médicales que sont la chirurgie, la radiothérapie et les traitements allopathiques permettent aujourd’hui la prise en charge de la majorité des cas. Cette dernière catégorie correspond au traitement médicamenteux. Elle connait une véritable explosion de stratégie thérapeutique innovante. Les premiers traitements apparus sont les chimiothérapies dites classiques, car cytotoxiques, puis sont apparues les thérapies ciblées bloquant directement ou indirectement une voie biologique impliquée dans la prolifération cellulaire, et puis très récemment, sont apparues des stratégies thérapeutiques qui ne ciblent pas la tumeur mais son environnement, comme par exemple la restauration de l’immunité puisque l’on s’est aperçu que les cellules tumorales pouvaient soit détourner le système immunitaire à leur profit, soit le rendre incompétent. Le principe général est la destruction de la tumeur qui repose souvent sur la synergie des traitements : ils sont alors concomitants. La règle est d’adapter le traitement à l’état d’avancement de la pathologie.

Chirurgie

En cancérologie, l’acte chirurgical est réalisé au bloc opératoire, généralement sous anesthésie générale, à des fins différentes. Dans la majorité des cas, à l’exception des tumeurs liquides, le traitement chirurgical est le seul traitement curatif. La non-résécabilité ou la non-opérabilité conduit souvent à des options palliatives. Cette chirurgie curative a pour but de retirer le maximum de tissu tumoral du patient, y compris l’atteinte périphérique non-visible et parfois les chaines ganglionnaires reliées à la zone opérée (curage ganglionnaire).
L’intérêt d’associer un traitement concomitant à la chirurgie est le maintien du confort de vie du patient traité. La chirurgie peut aussi être réalisée afin de réduire le volume tumoral, et permettre aux traitements de chimiothérapie ou de radiothérapie réalisés par la suite de donner de meilleurs résultats.

Chimiothérapie

La chimiothérapie est réalisée à l’aide d’une ou plusieurs molécules anticancéreuses administrées sur un ou plusieurs jours. Les effets sur la maladie sont analysés au fil des phases alternées de traitement et de repos, sur plusieurs mois, et le protocole de traitement est adapté en fonction des résultats. La chimiosensibilité des cancers et la tolérance du patient conditionnent fortement la réussite et l’efficacité du traitement.
A l’inverse de la chirurgie, l’avantage de la chimiothérapie est qu’elle agit par voie générale sur toutes les cellules cancéreuses du corps et celles dont la multiplication est rapide, y compris les cellules non détectées et les métastases disséminées. Administrée avant la chirurgie, la chimiothérapie néo-adjuvante permet une diminution du volume tumoral. Elle peut être utilisée après une opération ou bien seule pour traiter les métastases.
En situation curative, prescrite avant ou juste après la chirurgie, la chimiothérapie a pour but de réduire les risques de récidive ou d’évolution métastatique. En situation métastatique, situation palliative le plus souvent, les traitements synergétiques ont pour objectif de ralentir la progression de la maladie.

Radiothérapie

La radiothérapie regroupe toute les techniques développées dès le début du siècle dernier à la suite de la découverte des effets de la radioactivité, et qui utilisent des rayonnements ionisants pour traiter les tumeurs. L’irradiation ciblée délivrée au patient permet de détruire les cellules tumorales et de bloquer la progression du cancer, tout en préservant les tissus sains environnants. Durant le parcours de soin, plus de la moitié des patients atteints de cancer bénéficient d’une technique de radiothérapie. Comme la chimiothérapie, l’irradiation peut être néo-adjuvante, adjuvante ou bien exclusive si la localisation le permet.
Trois modalités de radiothérapie existent :
– en radiothérapie externe, le faisceau d’irradiation provient d’un dispositif médical, l’accélérateur de particule, situé hors du patient. Plusieurs évolutions de la radiothérapie classique « conformationnelle 3D » équipent les services de soin, comme la radiothérapie avec modulation d’intensité, l’arcthérapie, la tomothérapie, la radiothérapie stéréotaxique, le Cyberknife®, le GammaKnife®, la protonthérapie. Chacune de ces évolutions apporte une plus grande précision et ou une meilleure efficacité au traitement, au bénéfice du patient.
– la curiethérapie utilise des sources radioactives scellées d’iridium, d’iode ou de césium sous forme de grains ou de fils, positionnées de façon temporaire ou définitive au sein même de la zone à traiter. Selon la localisation tumorale, elle peut être endocavitaire (vagin, utérus), endoluminale (œsophage, trachée) ou interstitielle (prostate, sein, muscle) et permet l’irradiation très localisée des tissus. Ce positionnement particulier des sources permet l’utilisation de doses de radiation élevées en épargnant les tissus sains.
– la radiothérapie interne vectorisée ou « métabolique » consiste en l’administration d’une molécule radioactive qui se fixe en théorie sélectivement sur les cellules tumorales afin de les irradier. Cette technique est au cœur de ce travail de thèse et sera détaillée ci-dessous.

TNE et expression hormonale

Comme vu précédemment, les tumeurs neuroendocrines conservent leur activité sécrétoire et produisent diverses hormones qui se retrouvent dans la circulation sanguine. Ces hormones sont utilisées par l’organisme pour contrôler une multitude de fonctions, comme la croissance, la tension artérielle, la production d’urine, de lait, la digestion, la reproduction, etc. [10,11]. Lorsque les cellules neuroendocrines deviennent tumorales, la sécrétion n’est plus régulée et des symptômes liés apparaissent. Nous ne détaillerons pas ici toutes les hormones rattachées au système neuroendocrinien, nous décrirons brièvement la somatostatine et la cholécystokinine qui sont au centre des développements de notre travail.

Contribution de la médecine nucléaire à la démarche diagnostique et thérapeutique

La médecine nucléaire est une spécialité médicale diagnostique et thérapeutique qui repose sur l’administration de médicaments radiopharmaceutiques (MRP). Selon l’isotope transporté, il est possible de faire de l’imagerie monophotonique, biphotonique ou bien de la radiothérapie interne vectorisée. Le nombre de médicaments radio-pharmaceutiques (MRP) utilisés est relativement important : dérivés technétiés, iode 123, thallium 201, gallium 68, indium 111, etc., ainsi que les radiotraceurs associés.
Les techniques d’imagerie de tomographie par émission monophotonique (TEMP-TDM) et de tomographie par émission de positron (TEP-TDM) couplées à un tomodensitomètre sont réalisées afin d’examiner le métabolisme des tissus : en vérifier la structure, le fonctionnement et détecter une affection fonctionnelle. En cancérologie, ces techniques s’intègrent dans une démarche diagnostique à la recherche de lésions tumorales supposées, faisant suite à un examen médical initial. L’administration d’un MRP dont la nature (molécule, anticorps, hormone, peptide, cellule, neurotransmetteur, etc.) est spécifique de l’organe à explorer permet aux équipes soignantes d’établir des diagnostics, de dresser des bilans d’extension tumorale (métastases) et de poser un pronostic. En effet, ces MRP vont intégrer le métabolisme du tissu ou de l’organe ciblé et émettre un rayonnement ionisant pouvant être détecté à l’extérieur du patient. Cette technique offre la possibilité de localiser avec une précision relative la ou les régions à partir desquelles sont émis les photons de désintégration de l’atome radioactif. Ainsi une image de fixation est établie à partie de laquelle il est possible de quantifier la radioactivité « métabolisée ».
L’imagerie fonctionnelle représente aujourd’hui la majorité (95 %) des actes réalisés en médecine nucléaire. Les techniques utilisées donnent des informations importantes et complémentaires aux imageries de tomodensitométrie et IRM mais ne les remplacent pas.

Tomographie d’Émission Mono-Photonique (TEMP-TDM)

La TEMP est une technique dont le principe a émergé au milieu du XXème siècle à l’Institut Curie, et qui a évolué jusqu’à aujourd’hui pour devenir une modalité d’imagerie fonctionnelle aux applications multiples. La fixation du traceur radioactif est imagée à l’aide de plusieurs détecteurs en rotation autour du patient. Ces détecteurs, qui équipent les TEMP-TDM, sont composés d’un scintillateur uniquement sensible aux photons : le dispositif peut imager un nombre important d’isotopes, à la seule condition qu’ils soient émetteurs de photons. Ces photons d’énergie élevée sont transformés en photons lumineux peu énergétiques au sein du cristal de scintillation, eux-mêmes transformés en électrons par une photocathode, et amplifiés par un tube photomultiplicateur pour obtenir en sortie un signal électrique interprétable. De nombreuses évolutions ont été apportées à la technique ces dernières années notamment le couplage quasi-systématique, sur les modèles récents, d’un tomodensitomètre (TDM) aux caméras à scintillation. L’examen métabolique est dès lors complété par une scanographie de la zone explorée : l’apport diagnostique est indéniable puisque la TEMP-TDM permet ainsi de quantifier et de localiser plus précisément les fixations pathologiques de l’isotope administré [18].

Tomographie par Emission de Positons (TEP-TDM)

La TEP est la seconde modalités d’imagerie nucléaire utilisant les détecteurs à scintillation. A l’inverse de la gamma caméra, les détecteurs de la TEP sont disposés en couronne autour du patient. Ceci est lié à la spécificité de ce type d’imagerie qui est l’utilisation exclusive d’émetteurs de positons (radioactivité+). Lors de ce type de désintégration, le positon éjecté du noyau s’annihile avec un électron avoisinant et deux photons de 511 keV sont émis à 180° l’un de l’autre. Les détecteurs disposés en couronne autour du patient permettent de capter ces deux photons dans un laps de temps très court – de l’ordre de la nanoseconde – pour obtenir un signal « de coïncidence ». Une fois un nombre suffisant de coïncidences détectées, l’image peut être reconstruite informatiquement. Le radionucléide émetteur+ le plus couramment utilisé en TEP est le fluor 18, mais d’autres isotopes à durée de vie courte ouvrent le champ des possibilités d’imagerie, comme le carbone 11, l’azote 13, l’oxygène 15 ou encore le gallium 68. Ces isotopes sont couplés à des vecteurs permettant l’exploration de différents métabolismes.
A l’instar de la TEMP-TDM, la TEP est couplée avec un scanner afin d’améliorer la localisation des fixations imagées (résolution spatiale TEP de 5 mm et scanner de 1 mm) dans un but d’amélioration diagnostique. De plus, lorsque les hyperfixations du traceur sont neurologiques, les images obtenues en TEP peuvent être fusionnées avec des images issues d’un examen IRM afin d’obtenir des informations morphologiques et structurelles plus précises.

Démarche thérapeutique de l’imagerie

L’imagerie fonctionnelle dans le cadre thérapeutique est principalement basée sur le suivi de traitement et son évaluation. Le pilotage du traitement, c’est-à-dire sa modification, son arrêt ou son prolongement, est guidé par les images obtenues. Elles sont réalisées de manière chronique aux étapes clés du traitement. L’imagerie TEP est notamment utilisée pour le suivi de chimiothérapies et radiothérapies et dans le cadre d’une recherche de récidive chez les patients déjà traités.
Plusieurs molécules sont utilisées en routine clinique, à savoir le 111In-DTPA-octreotide (Octreoscan™) pour l’imagerie TEMP, ainsi que le 18F-DOPA et le 68Ga-DOTANOC pour l’imagerie TEP.

Radiothérapie interne vectorisée : considérations générales et applications aux TE

Comme vu précédemment, les cancers neuroendocriniens, par le rôle sécrétoire, expriment des récepteurs membranaires peu ou pas présents dans les cellules saines. En routine clinique, cette spécificité permet l’irradiation des tissus tumoraux par plusieurs techniques de radiothérapie interne, vectorisée ou non-vectorisée.

Bases de physique particulaire et rayonnements ionisants

Un rayonnement ionisant (RI) est un flux de particules dont l’énergie est suffisante pour ioniser la matière qu’il rencontre et traverse : ce flux y dépose une quantité d’énergie suffisante pour arracher des électrons au cortège électronique de l’atome qui s’ionise en se chargeant positivement. Ce type de rayonnement existe à l’état naturel (rayonnement cosmique, tellurique), et peut être obtenu de manière artificielle en centrale nucléaire, à l’aide d’accélérateurs de particules (de type cyclotron) ou de tubes à rayons X. Les rayonnements ionisants sont dits « pénétrants » et peuvent altérer la nature de la matière en profondeur, en fonction de leur nature et de l’énergie qu’ils transportent. Les divers effets de cette altération induisent des dégâts aux tissus biologiques irradiés, et qui sont la base des traitements de radiothérapie.

Rayonnements directement ionisants et indirectement ionisants

Le caractère ionisant d’un rayonnement se distingue en deux catégories selon le processus d’interaction qui a lieu lors de sa traversée de la matière. Lorsque le rayonnement ionise la matière par l’intermédiaire de particules ionisantes secondaires qu’il a précédemment mis en mouvement, il est qualifié de rayonnement « indirectement ionisant » : c’est le cas des neutrons et les photons X et, qui sont électriquement non-chargés. Ces derniers cèdent leur énergie aux électrons du milieu, mais ne sont pas responsables de la création d’ions tout au long du parcours dans la matière : dans un premier temps, la particule secondaire chargée est libérée dans le milieu (électron libéré par un photon ou proton libéré par un neutron). Dans un second temps, la particule chargée libérée dépose son énergie au fil des interactions coulombiennes avec la matière sur son trajet.
A l’inverse, les rayonnements de particules électriquement chargées sont qualifiés de « directement ionisants » : électrons, positrons, protons, ions et particule. Ils déposent une énergie suffisante pour ioniser la matière en arrachant les électrons sur leur trajet. Ces rayonnements induisent des modifications chimiques ou physico-chimiques transitoires ou permanentes pouvant détruire la structure des molécules.

Rayonnements électromagnétiques X et

Les rayonnements électromagnétiques sont à la fois une onde et un flux de photons, dont la dénomination X ou est donnée en fonction de leur provenance : les rayons X sont produits au sein du nuage électronique des atomes, alors que les photons sont produits au sein du noyau lors de la conversion des nucléons. Wilhelm Conrad Röntgen découvre le phénomène de rayonnement X en 1896 [19], et il reçoit le prix Nobel de physique en 1901. La mise en évidence du rayonnement est quant à elle attribuée au physicien français Paul Villard en 1900.
Les rayonnements photoniques ionisants peuvent interagir avec la matière qu’ils traversent par trois phénomènes différents et dépendant de l’énergie du faisceau incident : l’effet photoélectrique, la diffusion Compton et la création de paires. Les deux premiers ont lieu pour toutes les énergies permettant l’ionisation d’un atome, auxquels vient s’ajouter la production de paires au-delà de 1022 keV, et leur prédominance est fonction du numéro atomique de la cible et de l’énergie du photon incident (fig. 4 et 5).

Rayonnements particulaires et

Les rayonnements et sont des rayonnements de particules massiques, issus de deux phénomènes distincts de désintégration radioactive de la matière mis en évidence par Rutherford en 1899 [21]. Dans les deux cas, la structure du noyau de l’élément « père » subit une modification et une particule chargée est éjectée du noyau.
La carte des nucléides, développée et mise à jour par l’IAEA (International Atomic Energy Agency [22], présente les modes de désintégration des différents éléments radioactifs naturels et synthétisés connus à ce jour (fig. 6).
Les désintégrations (jaune) correspondent à un excès de nucléons, les désintégrations (rose) sont liées à un excès de protons et les (bleu) à un excès de neutrons. Ainsi, les désintégrations successives de ces radionucléides mènent à la création d’éléments stables, représentés en noir, et qui constituent ce que les physiciens appellent la « vallée de la stabilité ». Cette dénomination provient du fait que l’énergie de liaison des noyaux est plus élevée pour ces éléments stables.
Le premier de ces phénomènes, la radioactivité consiste en l’éjection de deux nucléons et deux protons du noyau « père », composant ainsi la particule alpha et qui correspond à un noyau d’Hélium. X → Y + He
Cette particule massique, chargée positivement, est éjectée avec une énergie cinétique importante, de l’ordre de quelques millions d’électronvolts (MeV). Ces trois caractéristiques donnent à la particule  un fort potentiel ionisant lors de ses interactions avec la matière traversée. Les éléments sedésintégrant de cette façon ont une période de demi-vie d’autant plus courte que l’énergie disponible et transférée à la particule est grande.
Le second phénomène, la désintégration, correspond à l’éjection d’un électron ou d’un positron à partir du noyau. L’excès de proton conduit à l’éjection d’un électron et d’un antineutrino afin de respecter la conservation du nombre leptonique et de la charge électrique du noyau : X → Y+ + ̅
Un neutron (udd) se transforme en proton (uud) par le passage d’un quark « down » à un quark « up », suivi de l’émission des deux autres particules : → + + ̅
L’opération inverse a lieu lors de la désintégration+ puisqu’un proton se transforme en neutron en éjectant un positron et un neutrino du noyau : → + +
L’équation finale pour cette désintégration est alors : X → Y+ +

Interaction des électrons par collision inélastique

L’interaction entre le rayonnement incident et le nuage électronique se produit par collision « à distance ». Ce sont les champs coulombiens des deux particules qui entrent en contact. Si l’énergie déposée est inférieure à l’énergie de liaison de l’électron cible, ce dernier est excité et revient dans son état d’énergie le plus stable en émettant un photon de fluorescence. Le cas échéant, l’électron cible est éjecté à l’instar d’une diffusion Compton, et la lacune créée est comblée par un électron d’une couche supérieure. S’en suit l’émission d’un photon X de fluorescence ou bien d’un électron Auger. De ce fait, le spectre d’émission de ces photons est un spectre « de raies » d’énergie spécifiques bien définies.

Radiobiologie des rayonnements ionisants

Transfert linéique d’énergie

Afin de les caractériser selon leur effet dans la matière, les différents rayonnements ionisants sont classés en fonction de l’énergie moyenne transférée localement tout au long de leur parcours : le transfert d’énergie linéique (TEL). Ce paramètre physique, généralement exprimé en keV.µm-1, a été défini en 1976 par l’International Commission on Radiological Units (ICRU) comme le rapport où DE est l’énergie moyenne localement transmise au milieu par une particule chargée d’énergie spécifique sur la distance DL. Il varie selon la masse, la charge et l’énergie de la particule ionisante et représente le dépôt d’énergie par ralentissement progressif ou par atténuation des particules dans la matière par unité de longueur parcourue. Un TEL élevé reflète une grande quantité d’énergie déposée et donc des dégâts biologiques potentiellement importants. Ce paramètre résulte des travaux expérimentaux de Hans Bethe corrigés par Felix Bloch en 1932 [25]. Les interactions des photons avec la matière ayant un caractère aléatoire, leur TEL proche de 1 n’est pas réellement caractéristique mais comparatif vis-à-vis des interactions à caractère obligatoire des particules massiques (neutrons, protons, électrons, positons, particule).

Effets des rayonnements ionisants sur les tissus biologiques

Les effets biologiques des radiations sont usuellement classés dans deux catégories : les effets déterministes (obligatoires et non-aléatoires), et les effets stochastiques (probabilistes et aléatoires).
Les effets déterministes sont causés par la délivrance d’une forte dose absorbée, supérieure à un certain seuil, et qui dépend notamment de la nature du tissu ainsi que de sa radiosensibilité. Pour un même organe, la valeur de seuil dépend du fractionnement et de l’étalement de la dose dans le temps : lorsqu’elle est délivrée sur un temps court, le seuil déterministe est plus faible que lorsque la délivrance est étalée. Quand des tissus radiosensibles tels que les tissus hématopoïétiques, les gonades, la peau et les intestins sont touchés, les effets déterministes peuvent être réversibles à condition que les cellules souches présentes dans ces tissus soient suffisamment nombreuses et intactes pour reconstruire les lésions. Certains effets déterministes tardifs peuvent quant à eux être irréversibles (cataracte, infertilité, lésions cutanées par exemple) [35].
Les effets stochastiques n’ont pas d’effet de seuil : leur occurrence est proportionnelle à la dose absorbée. De plus, ils se distinguent des effets déterministes par une sévérité de l’atteinte indépendante de la dose. Les mutations radio-induites engendrées peuvent persister au fil des divisions successives et les conséquences apparaître des années après sous différentes formes (affections héréditaires, cancers) [36]. Du fait que l’apparition de cancers primaires est la conséquence d’effets stochastiques multifactoriels, établir un lien entre ces lésions et l’apparition de cancers radio-induits n’est pas aisé et nécessite des études épidémiologiques [37]. Des suivis sur plusieurs décennies estiment l’apparition de ces cancers secondaires chez 5 à 20 % des patients ayant subis une radiothérapie [38,39].

Lésions à l’ADN et phénomènes de réparation

L’action des rayonnements ionisants sur la molécule d’ADN provoque des dégâts de plusieurs types : altération des bases puriques ou pyrimidiques, pontage ADN-ADN ou ADN-protéines, les cassures simple-brin (SSB) et double-brin (DSB) de la chaîne polynucléotidique.
Outre l’activité métabolique normale des cellules, l’exposition à une dose de 1 Gy produit environ 2000 dommages de bases, 1000 cassures simple-brin, 150 pontages ADN-protéine, 40 cassures double-brin et 30 pontages ADN-ADN par cellule. Les cassures double-brin sont les plus difficiles à réparer et une seule DSB non réparée suffit à induire la mort cellulaire [40]. En outre, les particules à fort TEL créant des grappes d’ionisations sur une faible distance induit l’accumulation de lésions élémentaires (SSB, altération des bases, pontages) sur environ un tour d’hélice de l’ADN. La réparation de ces lésions multiples localisées est lente et souvent infidèle, ce qui leur confère un fort pouvoir létal [41].
Les systèmes développés par les cellules eucaryotes pour réparer ces dommages impliquent un grand nombre d’acteurs en relation avec les points de contrôle du cycle cellulaire. Les deux voies de réparation les plus importantes sont :
– la réparation par excision-resynthèse qui comprend l’excision de base (base excision repair, BER) et l’excision de nucléotide (nucleotide excision repair, NER) qui prennent en charge les altérations de base et les cassures simple-brin, mais aussi la réparation des mésappariements de bases ou mismatch repair, qui apparaissent sur les erreurs de réplication de l’ADN [41].
– Les mécanismes de réparation des cassures double-brin qui comprend la recombinaison homologue (HR), pour laquelle la DSB sur un chromosome est réparée par l’utilisation du chromosome homologue non-lésé en tant que matrice pour une réparation sans erreur génétique, ainsi que la suture non-homologue (non-homologous end-joining, NHEJ) pouvant produire une perte d’information génétique [42].
Aussi, schématiquement, on peut retenir que la survie cellulaire après une exposition aux rayonnements ionisants va dépendre du rapport entre le nombre et la complexité des lésions supplémentaires crées et les capacités de réparation cellulaire qui sont déclenchées.

Chronologie d’une irradiation cellulaire

Les mécanismes d’action des radiations ionisantes dans l’organisme se distinguent selon 4 phases successives : physique, chimique, cellulaire et tissulaire (fig.20).
Phase physique (de 10-18 à 10-13 secondes) : il s’agit de la phase d’ionisation ou d’excitation des atomes du milieu par le flux de particules incidentes.
Phase physicochimique (de 10-13 à 1 seconde) : les réarrangements atomiques et moléculaires de la phase physique entrainent des réactions chimiques pouvant durer jusqu’à une seconde (lésions directes). Ces réactions chimiques induisent de nombreuses ruptures de liaisons covalentes et scissions dans les molécules irradiées qui finissent par former des radicaux libres. Ces fragments moléculaires, notés A• ou R•, portent un ou plusieurs électrons libres non-appariés sur les couches externes. Cela leur confère une réactivité chimique importante menant à des ruptures ou pontages moléculaires, notamment au niveau des structures vitales de la cellule comme l’ADN, les membranes cellulaires (peroxydation lipidique), les ribosomes et les mitochondries. Les dommages indirects causés par la radiolyse de l’eau sont responsables d’environ deux tiers des effets des rayonnements ionisants dans les tissus.
Le mécanisme lésionnel principal repose sur la réaction radiochimique à partir de la production d’espèces radicalaires issues de la radiolyse de l’eau. Celles-ci vont interagir avec les molécules environnantes et altérer le fonctionnement et amener à des dégâts cellulaires. Lors de l’irradiation des tissus biologiques (lésions indirectes), la radiolyse de l’eau présente dans les cellules conduit à la formation de deux radicaux libres fortement réactifs : l’oxydant hydroxyle HO•, le réducteur hydrogène H•, l’électron aqueux e-aq, le superoxyde O2•-. D’autres espèces réactives de l’oxygène, non radicalaires comme le peroxyde d’hydrogène H2O2, sont formées lors de la radiolyse de l’eau et entrent en jeu dans l’altération du matériel génétique.
Phase cellulaire ou biochimique (quelques heures après l’irradiation) : la molécule d’ADN est lésée et les processus de réparation entrent en jeu. Lorsque la réparation est complète, la cellule poursuit son cycle de division cellulaire normalement. Lorsque la réparation est « fautive », les mutations du génome engendrées peuvent ou non inhiber la réplication cellulaire. Si la mutation échappe aux contrôles et aux systèmes d’élimination (apoptose, immunité, elle peut être responsable de conséquences héréditaires ou de cancers secondaires (effet stochastique).
Si la réparation du matériel génétique est impossible, la mort cellulaire survient soit :
– par mort mitotique différée : la cellule perd la capacité à se diviser infiniment et meurt après mitose. Le délai entre l’irradiation et la diminution du volume tumoral est relié au nombre de divisions avant l’apparition d’un clone abortif. La mort mitotique est le mécanisme majoritaire dans l’arrêt de la prolifération suite à une irradiation.
– par apoptose : programmée et régie par l’activité des mitochondries et les récepteurs de mort [43], l’apoptose radio-induite est initiée par la voie du gène p53 dans les premières heures après l’irradiation. Ce processus d’autodestruction est plus ou moins efficace selon la nature de la tumeur et la mutation ou non de la voie p53.
– par mort immédiate : cette mort nécrotique survient à la suite de fortes doses d’irradiation ou lorsque les lésions à l’ADN sont directement létales.
Phase tissulaire ou biologique (plusieurs jours à plusieurs années) : la cible principale est l’ADN du tissu. Les conséquences des lésions cellulaires de la phase biochimique sont soit des effets tissulaires précoces pour les tissus et organes à renouvellement rapide, soit des effets tissulaires tardifs qui correspondent à un déficit cellulaire qui se révèle longtemps après l’irradiation, pour des tissus à renouvellement lent. La majorité des tumeurs malignes sont assimilées à des tissus à fort renouvellement, sur lesquels les dommages radiologiques sont rapidement perceptibles.

Effet Bystander

L’effet de proximité, aussi appelé effet Bystander, est l’ensemble des conséquences biologiques qui  surviennent, suite à l’irradiation d’une cellule, au sein des cellules voisines non-irradiées. Le mécanisme d’action de l’effet de proximité est basé sur la communication entre la cellule exposée et ses voisines qu’elles soient au contact ou à distance (fig. 14). La transmission d’espèces oxygénées et azotées réactives ROS/RNS (reactive oxygen/nitrogen species), tels que des radicaux libres, et de cytokines par la cellule irradiée à ses voisines via les gap-junction et le milieu extracellulaire induisent chez ces dernières des réactions similaires. Ces composés activent des voies de signalisation (NF-B, JAK-STAT3, MAPK) dans les cellules Bystander qui, tout en subissant des dégâts conséquents, produisent à leur tour des cytokines, des espèces radicalaires ROS/RNS, et les transmettent en entrainant ainsi une nouvelle cascade de dommages cellulaires [44]. L’intervention de macrophages sur le site d’irradiation participe aussi à la formation de cytokines, propageant l’effet Bystander.

Irradiation à bas débit de dose par les MRP

A la différence de la radiothérapie externe qui utilise des rayonnements photoniques ou électroniques produits par des accélérateurs, la RIV est une technique basée des rayonnements particulaires émis lors des processus de désintégration radioactive des radioisotopes administrés aux patients sous forme de MRP. En radiothérapie externe, la dose est délivrée par une irradiation à fort débit de dose (de l’ordre du Gy/minute) en plusieurs fractions et selon un étalement dans le temps prédéfini. En RIV, il n’y a pas de fractionnement car l’irradiation est délivrée de manière permanente, selon la période effective Teff du MRP (issue des périodes physique Tphys de l’isotope, et biologique Tbiol du vecteur : 1/Teff = 1/Tphys + 1/Tbiol). Les protocoles thérapeutiques reposent le plus souvent sur des injections répétées en fonction de la cinétique et de la toxicité : de 2 à 4 injections en 6 à 8 semaines. Le flux de particules émises par le MRP étant très faible, le débit de dose en RIV est particulièrement bas, bien différent de celui d’un accélérateur de particules. Ainsi, chaque injection provoque une irradiation prolongée à très bas débit, avec des conséquences sur les mécanismes de mort et de réparation cellulaire [72].
En RIV, la posologie n’est pas définie selon l’unité de dose absorbée prescrite, le gray : 1 Gy = 1 J.kg-1, mais selon la quantité de MRP injectée rapportée ou non au poids ou à la surface corporelle du patient. Les quantités massiques du vecteur sont très faibles. De ce fait, il n’y a pas d’effet pharmacologique de la molécule vectrice (mis à part pour le mIBG). Lorsque les rendements de marquages (ou puretés de marquage) proches de 100 % permettent d’exprimée les posologies non pas en dose absorbée, mais en fonction de l’activité radiologique exprimée en becquerels (1 Bq = 1 désintégration par seconde).
En RTE, la dose absorbée dans la cible dépend schématiquement de la géométrie et de la balistique du faisceau, et l’index thérapeutique dépend de l’effet différentiel entre les tissus sains et tumoraux induit par le fractionnement et l’étalement de l’irradiation. Dans le cas de la RIV, la dose absorbée dépend de plusieurs paramètres :
– la captation initiale du MRP, qui peut être estimée par l’imagerie diagnostique
– la concentration du MRP dans la cible en fonction du temps, liée à la période effective Teff
– la distribution spatiale du rayonnement et les effets de « tirs croisé »
Ce troisième paramètre est lié à l’homogénéité de la biodistribution du MRP dans la cible, qui est d’autant moins grande que la tumeur est volumineuse. Dans ce cas, les isotopes émettant les rayonnements les plus pénétrants montrent leur intérêt, puisque les particules émises se croisent à une multitude d’endroits dans la tumeur, tout en irradiant plus fortement les tissus sains environnants. C’est ce que l’on observe en comparant les toxicités et efficacités des MRP à l’90Y et au 177Lu.
L’efficacité thérapeutique de la RIV repose sur les mécanismes théoriques et propriétés suivantes :
– la possibilité de délivrer localement plusieurs centaines de Gray sans irradier significativement les tissus environnants (si le ciblage est spécifique), du fait du très faible parcours dans la matière des particules émises : un tel ratio est inenvisageable avec un faisceau externe de RTE,
– un blocage du cycle cellulaire sous l’effet des lésions radio-induites,
– une altération de la microvascularisation exercée par les MRP fixés à la périphérie des vaisseaux sanguins,
– la sur-irradiation locale dans la tumeur par effet de « feux croisés » (fig. 19),
– une activation de l’immunité anticorps dépendante (antibody-dependant cellular cytotoxicity (ADCC)), et un effet Bystander plus marqué à bas débit de dose [73],
– l’apoptose serait un mécanisme de mort cellulaire post-irradiation particulièrement important dans le cas d’une irradiation à bas débit de dose.
Figure 19 – Principe de l’effet de « feux croisés » : des rayonnements émis à partir de cellules ayant fixé de MRP peuvent atteindre des cellules ne l’ayant pas capté. Une même cellule peut être irradiée par des rayonnements issus de plusieurs points d’émission [74].
Plusieurs inconnues existent encore à propos de la radiobiologie à bas débit de dose. Les lignées cellulaires étudiées et qui ont permis de poser les bases de radiobiologie en radiothérapie n’ont pas spécifiquement concerné les pathologies faisant l’objet de possibilités en RIV, notamment les lignées endocrines. De plus, les conditions expérimentales pour reproduire la RIV sont difficiles à réaliser en culture cellulaire. La dosimétrie personnalisée qui permettra d’adapter les posologies à chaque patient et de prédire l’efficacité et la toxicité par l’imagerie diagnostique est encore en développement, et sa mise en œuvre clinique est complexe.
L’expérience acquise en RIT ainsi que sur le traitement des goitres a permis de montrer que ce mode d’irradiation est probablement peu adapté aux tumeurs rapidement évolutives [75,76]. En effet, l’irradiation à bas débit de dose laisse plus de possibilités pour la réparation des dommages sublétaux, ce qui peut réduire l’efficacité radiobiologique par rapport à la RTE, au même titre des phénomènes de repopulation tumorale entre chaque injection de MRP.

Evaluation de la dose absorbée

Dose absorbée en gray (Gy) : elle correspond à la quantité d’énergie en joules d’un rayonnement ionisant absorbée par unité de masse d’un milieu homogène : 1 Gy = 1 J.kg-1. Il ne faut pas confondre la dose absorbée et le kerma (kinetic energy released per unit mass), exprimé en gray, qui lui représente l’énergie « transférée » par ionisation dans le volume d’intérêt : les particules secondaires créées pouvant aller déposer toute ou partie de leur énergie cinétique en dehors du volume défini. La dose absorbée est utilisée dans un but de prédiction des effets déterministes et stochastiques des irradiations.

Traitements en RIV

Radioimmunothérapie : anticorps monoclonaux

L’utilisation d’anticorps couplés à des radionucléides ou « radioimmunothérapie » est une branche de l’immunothérapie oncologique. Le marquage de ces anticorps monoclonaux à l’aide de radionucléides émetteurs de rayonnements ionisants et augmentent notablement l’effet antitumoral de ces anticorps. Ainsi deux anticorps anti-CD20 radiomarqués ont été proposés dans le traitement des lymphomes : l’ibritumomab tiuxétan (le chélateur tiuxétan est dérivé du DTPA (diethylenetriamine pentaacetic acid)) et le tositumomab. Lorsqu’il est conjugué avec un atome de 90Y (nom commercial de la molécule : Zevalin™) ou de 131I (Bexxar™), il permet l’administration d’un rayonnement cytotoxique au plus près du matériel cellulaire cancéreux. D’autres anticorps radiomarqués sont à l’étude afin d’élargir le champ d’action de la radioimmunothérapie, notamment les anti-CD33, anti-CD45 ou anti-CD66 pour la leucémie myéloïde aigüe (LMA) couplés avec des émetteurs a tels que le bismuth 213 et l’astate 211.
Ces dernières années, de nouveaux médicaments ont été développés, utilisant les antigènes comme porte d’entrée de la cellule cancéreuse [77]. Les anticorps utilisés aujourd’hui en routine clinique sont nombreux, et spécifiques de la cible tumorale : anti-HER2 pour le cancer du sein (trastuzumab), anti-VEGF dans les cancers colorectaux et pulmonaires (bevacizumab), ou encore anti-CD20 (rituximab). Ce dernier cible la protéine antigène CD20 surexprimée par les lymphocytes B et peut être utilisé dans le traitement de certains lymphomes non-Hodgkiniens, des leucémies lymphoïdes chroniques et certains mélanomes [78]. C’est une technique qui n’a pas connu les résultats attendus alors qu’on assiste à un développement formidable de l’immunothérapie en oncologie. Cette évolution permet d’espérer le développement d’anticorps plus efficaces pour la RIT.

Radiopeptidothérapie : ligands peptidiques

A l’instar des anticorps, les thérapies aux peptides radiomarqués (PRRT) font partie des techniques innovantes ayant fait l’objet d’une multitude d’études et de recherches dans le traitement des affections tumorales. Un peptide est un assemblage d’un nombre variable d’acides aminés liés par leurs fonctions carboxy-terminale (COOH) et amino-terminale (NH2) (fig. 20).

Avantages des radiopeptides

En comparaison aux anticorps radiomarqués et aux autres techniques de radiothérapie « métabolique », les analogues peptidiques utilisés en RIV présentent des avantages non négligeables. Leur structure en assemblages d’acides aminés est aisément modifiable afin de présenter des caractéristiques innovantes. Leur taille relativement faible et leur longue durée de vie biologique donnent une pharmacocinétique efficace et une forte fixation tumorale grâce à l’internalisation du radiopharmaceutique, dans le cas d’un agoniste. De plus, leur activité immunogénique est moindre vis-à-vis des anticorps. De ce fait, l’activité radiologique est concentrée à l’intérieur des cellules tumorales et la cytotoxicité est augmentée.
L’intérêt porté à ces molécules vient de la capacité qu’ont certains peptides à se lier avec des récepteurs membranaires spécifiques que l’on retrouve à la surface des cellules cancéreuses. Naturellement, les peptides du corps humain ont une très grande affinité pour leurs récepteurs membranaires mais une demi-vie biologique relativement courte et ne sont donc pas utilisables comme vecteur. Au cours des trois dernières décennies, la communauté scientifique a donc développé des peptides de synthèse pouvant à la fois être marqués à l’aide d’atomes radioactifs tout en conservant le rôle de vecteur auprès des récepteurs membranaires avec une plus grande demi-vie. Les premiers analogues peptidiques qui ont été mis au point sont des analogues à la somatostatine (cf. partie A.2.1), dont les récepteurs membranaires sont surexprimés à la surface de certains cancers neuroendocriniens. Il existe un nombre conséquent de récepteurs membranaires exprimés par les cellules tumorales, et autant d’analogues hormonaux tels que la bombésine, la gastrine, le RGD (tripeptide Arg-Gly-Asp), la neurotensine ou encore la cholécystokinine font aujourd’hui l’objet de recherches pré-cliniques et cliniques en vue d’étoffer l’arsenal diagnostique et thérapeutique (fig. 21)

Table des matières

A. Oncologie endocrinienne
A.1. Généralités
A.1.1. Cancers neuroendocriniens
A.1.2. Système neuroendocrinien et gastro-intestinal
A.1.3. Thérapies anticancéreuses
A.2. TNE et expression hormonale
A.2.1. Somatostatine
A.2.2. Cholécystokinine/Gastrine
A.2.3. Contribution de la médecine nucléaire à la démarche diagnostique et thérapeutique
A.2.4. Démarche thérapeutique de l’imagerie
B. Radiothérapie interne vectorisée : considérations générales et applications aux TE
B.1. Bases de physique particulaire et rayonnements ionisants
B.1.1. Rayonnements directement ionisants et indirectement ionisants
B.1.2. Rayonnements électromagnétiques X et γ
B.1.3. Rayonnements particulaires α et β
B.1.4. Notion de parcours
B.2. Radiobiologie des rayonnements ionisants
B.2.1. Transfert linéique d’énergie
B.2.2. Efficacité biologique relative (EBR)
B.2.3. Effets des rayonnements ionisants sur les tissus biologiques
B.2.4. Irradiation à bas débit de dose par les MRP
B.2.5. Evaluation de la dose absorbée
B.3. Traitements en RIV
B.3.1. Radioimmunothérapie : anticorps monoclonaux
B.3.2. Radiopeptidothérapie : ligands peptidiques
C. Optimisation de l’efficacité du traitement en RIV
C.1. Index thérapeutique
C.2. Changement de cible
C.2.1. Récepteurs à la somatostatine
C.2.2. Récepteurs à la cholécystokinine
C.3. Augmentation de l’affinité pour le récepteur ciblé
C.3.1. Affinité du ciblage
C.3.2. Spécificité du ciblage
C.4. Accessibilité de la cible : choix des vecteurs
C.4.1. Ciblage tumoral du RCCK2
C.4.2. Dérivés de la cholécystokinine/gastrine
C.5. Diminution de la fixation non-spécifique
C.6. Augmentation de l’efficacité radiobiologique
C.6.1. Choix des radionucléides
C.6.2. Association thérapeutique
D. Radiomarquage des analogues peptidiques CCK4
D.1. Objectifs du travail
D.2. Matériel & Méthodes
D.2.1. Réalisation du marquage
D.2.2. Contrôle qualité par chromatographie sur couche mince
D.3. Résultats
D.3.1. Marquage au 111In
D.3.2. Marquage au 90Y
D.3.3. Marquage au 177Lu
D.4. Discussion
E. Optimisation de l’efficacité par association thérapeutique
E.1. Action de la DDA
E.2. Matériel & Méthodes
E.2.1. Culture cellulaire
E.2.2. Action de la dendrogénine A : mort cellulaire
E.2.3. Expression de protéines : mise au point
E.3. Résultats
E.3.1. Effet de la DDA : mort cellulaire
E.3.2. Expression de RCCK2
E.3.3. Expression de Notch-1 et Notch-3
E.4. Discussion
F. Expérimentation in vivo de la RIV par analogues CCK4 radiomarqués
F.1. Objectifs de l’étude
F.2. Matériel & Méthodes
F.2.1. Modèle de souris Swiss Nude
F.2.2. Xénogreffe tumorale des lignées NIH-3T3-E151A et CMT-TT
F.2.3. Suivi de pousse tumorale
F.2.4. Dose de traitement et dose maximale tolérée
F.2.5. Efficacité du traitement de peptides CCK4 radiomarqués au 90Y
F.3. Résultats
F.3.1. Suivi de la pousse tumorale
F.3.2. Dose maximale tolérée
F.3.3. Efficacité du traitement de peptides CCK4 radiomarqués au 90Y
F.4. Discussion
G. Discussion générale
H. Conclusion et perspectives
Références

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