Evaluation of the radiosensitizing or radioprotective/antioxidant potential of some selected compounds by polyacrylamide gel dosimetry and Fricke dosimeter, and utilization of the femtosecond infrared laser pulse filamentation as a novel, powerful beam for cancer radiotherapy

Abstract

La radiothérapie repose essentiellement sur le dépôt d'une dose de radiation létale suffisamment élevée à un volume tumoral, tout en minimisant celle délivrée aux tissus sains environnants. Ainsi, une approche originale a été développée, permettant l'évaluation simple et rapide de l'efficacité de composés ayant des propriétés radiosensibilisatrices ou radioprotectrices. En parallèle à cette étude, nous nous sommes intéressés à la caractérisation d'une nouvelle technique d'irradiation utilisant des impulsions laser femtosecondes. Nous avons démontré le dépôt d'une dose considérable avec un débit de dose très élevé au sein d'un volume bien déterminé, sans dépôt d'énergie en amont et en aval du volume cible. L'efficacité de la radioprotection a été mesurée à l'aide du dosimètre de Fricke via le rendement de production en ions ferrique G(Fe3l. Ce dernier est particulièrement sensible aux espèces radicalaires produites au cours de la radiolyse de l'eau. Ainsi, le rendement G(F e3+) dans une solution de Fricke diminue en présence de radioprotecteurs. Sur ce principe, nous étudié expérimentalement et nous avons développé un code Monte-Carlo pour comprendre le mécanisme d'action de la cystamine, un radioprotecteur bien connu. L'action de radiosensibilisateurs peut être mesurée par la variation du gradient du taux de relaxation spin-spin (R2) en fonction de la dose absorbée. La présente étude repose sur l'utilisation du dosimètre à gel de polymère afin d'estimer quantitativement les capacités d'ions halogénures et de la thiourée à titre respectivement de radiosensibilisateurs et de radioprotecteur. Nous avons mesuré une dépendence énergétique de la sensibilité Rrdose. Parallèlement, nous avons étudié le processus de filamentation laser comme une nouvelle source d'irradiation. Il en résulte un dépôt d'énergie considérable et un débit de dose qui surpasse de plusieurs ordres de grandeurs les valeurs précédemment rapportées pour les systèmes de radiothérapie clinique les plus intenses. De plus, il est possible d'ajuster la longueur de la zone libre de tout dépôt de dose à l'entrée du milieu irradié en jouant sur la durée de l'impulsion laser femtoseconde incidente. Finalement, nous nous sommes efforcés d'établir l'équivalence d'un point de vue radiobiologique (dommages induits à un système d'intérêt biologique) entre ce type d'irradiation et d'autres sources de radiations ionisantes plus conventionnelles.

Abstract: In radiation treatment, a sufficiently high radiation dose must be delivered to the tissue volumes containing the tumor cells while the lowest possible dose should be deposited in surrounding healthy tissue. We developed an original approach that is fast and easy to implement for the early assessment of the efficiency of radiation sensitizers and protectors. In addition, we characterized a new femtosecond laser pulse irradiation technique. We are able to deposit a considerable dose with a very high dose rate inside a well-controlled macroscopic volume without deposition of energy in front or behind the target volume. The radioprotective efficiency was measured by irradiation of the Fricke solution incorporating a compound under study and measuring the corresponding production of ferric ions G (Fe3+ ). The production of ferric ions is most sensitive to the radical species produced in the radiolysis of water. We studied experimentally and simulated with a full Monte-Carlo computer code the radiation-induced chemistry of Fricke/cystamine solutions. Results clearly indicate that the protective effect of cystamine originates from its radical-capturing ability, which allows this compound to compete with the ferrous ions for the various fre radicals - especially · OH radicals and H· atoms - formed during irradiation of the surrounding water. The sensitizing capacity of radiation sensitizers was measured by irradiation of a polyacrylamide gel (PAG) dosimeter incorporating a compound under study and measuring the corresponding increase in the gradient between spin-spin relaxation rate (R2 ) and absorbed dose. We measured an irradiation energy-dependent increase in R 2 -dose sensitivity for halogenated compounds or a decrease for radioprotectors. Finally, we studied a novel laser irradiation method called "filamentation". We showed that this phenomenon results in an unprecedented deposition of energy and the dose rate thus achieved exceeds by orders of magnitude values previously reported for the most intense clinical radiotherapy systems. Moreover, the length of the dose-fre entrance region was adjusted by selecting the duration of femtosecond laser pulses. In addition, we provided evidence that the biological damage caused by this irradiation was similar to other ionizing radiation sources. [symboles non conformes]