Développement de codes de simulation Monte-Carlo de la radiolyse de l'eau par des électrons, ions lourds, photons et neutrons applications à divers sujets d'intérêt expérimental

Abstract

L'eau est un constituant majeur des organismes vivants, composant de 70 à 85% du poids de certaines cellules. Pour cette raison, étant une cible importante des radiations ionisantes, l'eau joue un rôle central en radiobiologie. Les ions lourds, les électrons et les photons vont interagir avec les molécules d'eau par ionisations et excitations. Les neutrons, quant lit eux, vont interagir avec les molécules d'eau par collisions élastiques, générant des ions de recul créant ainsi, à leur tour, des ionisations et des excitations parmi les molécules d'eau. Ces événements très rapides (-10·12 s) amènent la formation d'espèces chimiques excitées de l'oxygène, appelées espèces réactives de l'oxygène (ERO). Les ERO,. et en particulier le radical hydroxyle ('OH), interagissent avec les molécules environnantes comme les protéines, les lipides et les acides nucléiques en les modifiant chimiquement. Des études de microdosimétrie capables d'effectuer l'irradiation sélective de la membrane externe, du cytoplasme et du noyau cellulaire ont démontré que la survie cellulaire était très affectée lorsque le noyau était irradié, contrairement à l'irradiation du cytoplasme ou de la membrane cellulaire. Ces études montrent que l' ADN est un site très sensible aux radicaux libres. Pour cette raison, l'ADN (structure à double hélice, site du code génétique) a longtemps été considérée la molécule la plus importante pour expliquer les effets radiobiologiques, comme la létalité ou l'apoptose cellulaire. Or, ce concept a été ébranlé par des recherches plus récentes démontrant que les rayonnements ionisants n'affectent pas seulement les cellules qui subissent directement l'irradiation, mais également les cellules voisines non touchées par le rayonnement par effet « bystander ». D'autres études ont aussi trouvé qu'un groupe de cellules et son environnement réagissent collectivement lorsqu'ils sont irradiés. Une hypothèse avancée pour expliquer ces phénomènes radiobiologiques suggère qu'une cellule irradiée réagit en sécrétant certaines molécules, affectant ainsi les cellules voisines non-irradiées. Les molécules et les mécanismes impliqués demeurent très mal compris à ce jour.

Abstract: Water is a major component of living organisms, which can be 70-85% of the weight of cells. For this reason, water is a main target of ionizing radiations and plays a central role in radiobiology. Heavy ions, electrons and photons interact with water molecules; mainly by ionization and excitation. Neutrons interact with water molecules by elastic interactions, which generate recoil ions that will create ionizations and excitations in water molecules. These fast events (~10[superscript -12] s) lead to the formation of Reactive Oxygen Species (ROS). The ROS, in particular the hydroxyl radical (¨OH), interact with neighbour molecules such as proteins, lipids and nucleic acids by chemical interaction. Microbeams can irradiate selectively either the external membrane, the cytoplasm and the cell nucleus. These studies have shown that cell survival is greatly reduced when the nucleus is irradiated, but that this is not the case when cytoplasm or cell membrane is irradiated. Thus, DNA is a very sensitive site to ionizing radiation and ROS. For this reason, DNA has long been considered the most important molecule to explain radiobiological effects such as cell death. However, this concept has been challenged recently by new experimental results that have shown that cells which have not been directly in contact with radiation are also affected. This is called the bystander effect. Further studies have shown that a group of cells and their environment reacts collectively to radiation. A hypothesis put forward to explain this radiobiological phenomenon is that a irradiated cell will secrete signalling molecules that will affect non-irradiated cells. The implicated phenomenon and molecules are poorly understood at this moment. The purpose of this work is to improve our comprehension of the phenomenon in the microsecond that follows the irradiation. To these ends, a new Monte-Carlo simulation program of water radiolysis by photons has been generated. For photons of energy <2 MeV, they interact with water mainly by Compton and photoelectric effects, which create energetic electrons in water. The created electrons are then followed by our existing programs to simulate the radiolysis of water by photons. Similarly, a new code has been built to simulate the neutrons interaction with water. This code simulates the elastic collisions of a neutron with water molecules and calculates the number and energy of recoil protons and oxygen ions. The main part of this Ph.D. work was the generation of a non-homogeneous Monte-Carlo Step-By-Step (SBS) simulation code of non-homogeneous radiation chemistry. This new program has been used successfully to simulate radiolysis of water by ions of various LET, pH, ion types ([superscript 1]H[superscript +], [superscript 4]He[superscript 2+], [superscript 12]C[superscript 6+]) and temperature. The program has also been used to simulate the dose-rate effect and the Fricke and Ceric dosimeters. More complex systems (glycine, polymer gels and HCN) have also been simulated.