Modélisation biophysique de l’effet radiosensibilisant des nanoparticles à élément lourd
Résumé
Le principal défi de la radiothérapie est de concentrer les effets de dose au sein des cellules cancéreuses, tout en épargnant les tissus sains environnants. Parmi les différentes stratégies possibles, l’utilisation de radiosensibilisants permet d’amplifier les effets destructeurs de la dose dans la tumeur. Les nanoparticules faites de métaux lourds tels que l’or ou le gadolinium ont montré des effets radiosensibilisants prometteurs1. Si cet effet est connu et étudié depuis quelques dizaines d’années, son origine est encore mal connue.
La littérature suggère que l’irradiation serait à l’origine d’un effet physique appelé cascade Auger. Cet effet conduirait à une augmentation locale de la production d’électrons secondaires dans le voisinage de la nanoparticule, induisant ainsi à une augmentation des dommages cellulaires critiques, par ionisation/excitation de molécules cellulaires sensibles ou par attaque radicalaire. Ces effets sont produits à des échelles spatiales nanométriques et à des temps très courts (10-15 to 10-12 seconde) mais ont des conséquences à échelle des tissus. Ces phénomènes physico-chimiques n’étant pas observables directement, l’outil de simulation est donc requis pour mieux comprendre ces mécanismes initiaux.
L’objectif de ce travail est de tout d’abord développer une simulation permettant de calculer la distribution spatiale du dépôt d’énergie et de la production des radicaux libres autour des nanoparticules, afin de quantifier le boost induit2,3 à échelle nanométrique. Pour réaliser cette première étape, nous avons développé un code Monte Carlo s’appuyant sur des modèles physiques valides à basse énergie, permettant ainsi de suivre les électrons secondaires jusqu’à thermalisation dans l’eau et dans la nanoparticule. Dans un second temps, nous allons injecter ces résultats dans NanOx4, modèle développé à l’IPNL pour prédire des doses biologiques en hadronthérapie.
Ces deux objectifs nous permettront d’évaluer la qualité de nos modèles et la pertinence de scénarii proposés dans la littérature. A terme, ces travaux pourraient guider le développement 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