Modélisation biophysique de l’effet radiosensibilisant des nanoparticles à élément lourd

Le principal defi de la radiotherapie est de concentrer les effets de dose au sein des cellules cancereuses, tout en epargnant les tissus sains environnants. Parmi les differentes strategies possibles, l’utilisation de radiosensibilisants permet d’amplifier les effets destructeurs de la dose dans la tumeur. Les nanoparticules faites de metaux lourds tels que l’or ou le gadolinium ont montre des effets radiosensibilisants prometteurs1. Si cet effet est connu et etudie depuis quelques dizaines d’annees, son origine est encore mal connue. La litterature suggere que l’irradiation serait a l’origine d’un effet physique appele cascade Auger. Cet effet conduirait a une augmentation locale de la production d’electrons secondaires dans le voisinage de la nanoparticule, induisant ainsi a une augmentation des dommages cellulaires critiques, par ionisation/excitation de molecules cellulaires sensibles ou par attaque radicalaire. Ces effets sont produits a des echelles spatiales nanometriques et a des temps tres courts (10-15 to 10-12 seconde) mais ont des consequences a echelle des tissus. Ces phenomenes physico-chimiques n’etant pas observables directement, l’outil de simulation est donc requis pour mieux comprendre ces mecanismes initiaux. L’objectif de ce travail est de tout d’abord developper une simulation permettant de calculer la distribution spatiale du depot d’energie et de la production des radicaux libres autour des nanoparticules, afin de quantifier le boost induit2,3 a echelle nanometrique. Pour realiser cette premiere etape, nous avons developpe un code Monte Carlo s’appuyant sur des modeles physiques valides a basse energie, permettant ainsi de suivre les electrons secondaires jusqu’a thermalisation dans l’eau et dans la nanoparticule. Dans un second temps, nous allons injecter ces resultats dans NanOx4, modele developpe a l’IPNL pour predire des doses biologiques en hadrontherapie. Ces deux objectifs nous permettront d’evaluer la qualite de nos modeles et la pertinence de scenarii proposes dans la litterature. A terme, ces travaux pourraient guider le developpement des nanoparticules et leur application en clinique. [1] Hainfeld J.F. et al, Radiotherapy enhancement with gold nanoparticles;J Pharm Pharmacol; 2008; 60(8);977-85 [2] Gervais B. et al, Numerical simulation of multiple ionization and high LET effects in liquid water radiolysis;Radiat Phys Chem;75;493-513 [3] Gervais B. et al, Production of HO2 and O2 by multiple ionization in water radiolysis by swift carbon ions,Chemical Physics Letter;2005;410;330-334 [4] Cunha M. et al, NanOx, a new model to predict cell survival in the context of particle therapy;Physics in Medicine & Biology;2017;62;1248-68