Les causes des dommages au cours de la radiothérapie protonique ont été clarifiées par des recherches sur la réponse d'excitation électronique de l'ADN au rayonnement protonique. Selon des études sur les effets des rayonnements ionisants sur la santé humaine dans le domaine de la radiobiologie, l'acide désoxyribonucléique (ADN) est la principale cible des effets nocifs des rayonnements. Les rayonnements ionisants peuvent provoquer une importante accumulation d'énergie localisée dans l'ADN et provoquer des cassures en double hélice, ce qui peut entraîner des mutations, des anomalies chromosomiques et des modifications de l'expression des gènes. Pour créer des radiothérapies et améliorer les mesures de radioprotection, il est crucial de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces interactions.
Christopher Shepard de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et ses collègues utilisent de puissantes simulations informatiques pour montrer exactement quelle partie de la molécule d'ADN absorbe les énergies nocives lorsqu'elle est exposée à un rayonnement de particules chargées. Ses recherches pourraient un jour contribuer à réduire les effets radiologiques à long terme des traitements contre le cancer et des vols spatiaux habités.
L'interaction du rayonnement avec la structure électrique de l'ADN nécessite un processus complexe. La dynamique précise de ces interactions au niveau atomique n'est pas captée par les modèles informatiques actuellement utilisés en radiobiologie et en radiothérapie thérapeutique. Au lieu de cela, ces modèles déterminent si une particule de rayonnement, telle qu'un photon ou un ion, qui traverse le volume cellulaire, transmettra suffisamment d'énergie pour casser un ou les deux brins d'ADN à l'aide de sections géométriques. Les modèles ne donnent que la probabilité qu'une population de cellules arrête de se reproduire après avoir reçu une certaine dose de rayonnement, sans décrire les interactions au niveau atomique.
Les rayonnements ionisants, qui ont le potentiel d'inactiver les cellules, peuvent être utilisés pour arrêter la croissance tumorale. En réalité, la radiothérapie fait toujours partie des traitements anticancéreux les plus couramment utilisés. Cependant, lorsqu'il est utilisé pour traiter le cancer, le traitement peut avoir des effets néfastes sur les tissus sains. Les photons à haute énergie perdent de l'énergie rapidement après leur entrée dans le corps lors de la thérapie par rayons gamma et rayons X. D'autre part, les particules chargées utilisées en radiothérapie par ions lourds perdent la majeure partie de leur énergie vers la fin de leur distance de déplacement. Surtout pour les particules en mouvement rapide, cette forte perte d'énergie à très courte distance entraîne une augmentation significative de l'énergie accumulée dans un volume restreint.
La capacité de cibler avec précision une forme et une profondeur de tumeur avec un faisceau de particules chargées permet aux radiothérapeutes de réduire les dommages aux tissus sains au-delà de la tumeur tout en épargnant les tissus sains devant la tumeur. En raison de sa sélectivité, le rayonnement d'ions lourds est une approche thérapeutique de pointe qui peut guérir des tumeurs malignes qui ne sont plus considérées comme incurables avec les traitements conventionnels.
Les interactions de Coulomb entre les orbitales d'électrons sont responsables de la majeure partie de l'énergie qu'une particule chargée transfère à un milieu. Le terme "pouvoir d'arrêt du rayonnement" fait référence à la capacité d'un matériau à retarder ou à arrêter les particules chargées telles que les électrons ou les ions lorsqu'ils le traversent. L'énergie moyenne nécessaire pour ioniser un atome ou une molécule dans un milieu est souvent utilisée pour mesurer cette capacité.
L'efficacité de la radiothérapie doit être évaluée en mesurant le pouvoir d'arrêt d'une substance. La puissance d'arrêt est généralement exprimée en termes d'énergie dépensée par millimètre de mouvement pour les tissus biologiques. Étant donné qu'une molécule d'ADN a une largeur moyenne de 2 nm, il n'est actuellement pas possible de mesurer le pouvoir d'arrêt à l'échelle de l'ADN.
Shepard et ses collègues ont mesuré le transfert d'énergie des protons à haute énergie vers l'ADN dissous, ou une solution d'ADN divisée en chaînes latérales de sucre-phosphate et en composants de squelette de nucléobase, en utilisant une simulation informatique à grande échelle sur des superordinateurs. Ils ont évalué la complexité moléculaire du système d'ADN à l'aide de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) dépendante du temps. La DFT est une technique de calcul utilisée pour étudier la composition électronique des solides, des molécules et des atomes. Il est basé sur l'idée qu'une seule fonction caractérisant la densité électronique du système peut prédire les propriétés d'un système multi-électronique.
Au lieu de résoudre l'équation de Schrödinger pour chaque électron du système, la DFT utilise un ensemble d'hypothèses pour tenir compte des interactions entre les électrons, ce qui en fait une méthode efficace pour déterminer la structure électronique des grands systèmes. Le calcul de la structure électrique de systèmes complexes qu'il était impossible d'étudier avec les techniques conventionnelles est désormais possible grâce à des approximations.
Les chercheurs ont utilisé des simulations pour décrire l'énergie globale du système d'ADN dissous comme une fonction mathématique dépendant de la densité électronique. La fonction d'onde du système, qui décrit la probabilité de trouver un électron avec un certain spin à une position donnée, peut être utilisée pour calculer la densité électronique. En utilisant cette méthode, ils ont découvert que le déplacement des électrons est très localisé tout au long du trajet du proton et est beaucoup plus élevé dans les orbitales plus proches des chaînes de phosphate. Plus de déplacement signifie que le squelette sucre-phosphate de l'ADN absorbe plus d'énergie que les nucléobases.
Les simulations jettent un doute sur la croyance populaire selon laquelle le pouvoir d'arrêt est inversement proportionnel à la densité numérique des trous produits dans le milieu. À la lumière de leurs découvertes, Shepard et ses collègues soutiennent que la capacité d'arrêt du milieu d'ADN dissous dépend également de l'énergie des trous créés. Selon leurs découvertes, le squelette sucre-phosphate présente une fréquence de génération de trous d'électrons plus élevée, ce qui peut entraîner la génération de radicaux libres gravement nocifs. Les atomes ou molécules aqueux qui ont un électron de valence non apparié et qui sont donc très réactifs avec l'environnement local sont appelés radicaux libres. En raison de la réaction des radicaux avec le squelette sucre-phosphate, un ou plusieurs brins d'ADN peuvent éventuellement se casser.
Ce travail démontre la valeur et la puissance des ordinateurs multicœurs hautes performances pour étudier les dynamiques d'interaction complexes qui sont autrement difficiles à reproduire en laboratoire. Les résultats aident à combler le fossé des connaissances entre la radiobiologie et la physique du transport des particules chargées en identifiant où les particules chargées concentrent la majeure partie de leur énergie dans une molécule d'ADN. Cependant, accepter les résultats de l'étude doit être fait avec une certaine prudence jusqu'à ce que de nombreuses preuves empiriques soient disponibles pour étayer les hypothèses des chercheurs. L'efficacité des rayonnements ionisants thérapeutiques peut être améliorée grâce à une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents aux dommages à l'ADN. Ils peuvent également créer des défenses, comme de nouveaux médicaments, contre les effets nocifs des rayonnements ionisants sur les cellules saines.
Source : physics.aps.org/articles/v16/41
Günceleme: 14/03/2023 13:13