Néocancérogénèse physique Georges NOEL Centre Paul Strauss L’irradiation et le temps temps 0 irradiation ionisations - excitations seconde seconde radicaux libres seconde réactions biochimiques minute Lésions ADN heure jour mort immédiate semaine mois réparations lésionnelles Ad integrum année descendance mort différée Mutations cancérisation Mutations transmissibles Conséquences biologiques des interactions 3 Effets stochastiques ou la tartine de Nutella • Gravité indépendante de la dose – Tout ou rien • La probabilité augmente avec la dose – Pas de dose seuil (ou très faible) • Prédiction individuelle impossible – Peu fréquents – Non spécifique – (très) tardifs Le dogme radiobiologique • L’induction d’effets retardés (cancers, anomalies dans la descendance) est le produit de l’action directe des radiations sur l’ADN contenu dans le noyau de la cellule • Effet aléatoire (dépôt de dose aléatoire) • Dose au-delà de laquelle il n’y a plus d’effet : mort cellulaire • Dose en deçà de laquelle il n’y a pas d’effet : dose seuil Niveau de dose Le niveau de dose est déterminant pour les effets biologiques: • ---> à très faible dose (1 mGy): – pas de signalisation vers une réparation. Les quelques cellules irradiées sont éliminées (probablement) par apoptose. • ----> à des doses plus élevées (>5mGy): – signalisation des dommages et activation des voies de réparation pouvant être fidèles ou fautives. Une réparation fautive est mutagène et peut augmenter le risque de cancer. • ----> à des doses beaucoup plus élevées (> 200mGy): – Compétition entre réparation et apoptose. 6 • Directive européenne 97/43/Euratom (JO des Communautés européennes n° L 180 du 9 juillet 1997) « Les expositions des volumes cibles sont programmées cas par cas, en tenant compte du fait que les doses pour les volumes et tissus autres que ceux de la cible sont maintenues au niveau le plus faible possible et conformes aux fins radiothérapeutiques de l ’exposition » • C’est ALARA pour les tissus sains Cadre réglementaire • Directive européenne 97/43/Euratom (JO des Communautés européennes n° L 180 du 9 juillet 1997) « Les expositions des volumes cibles sont programmées cas par cas, en tenant compte du fait que les doses pour les volumes et tissus autres que ceux de la cible sont maintenues au niveau le plus faible possible et conformes aux fins radiothérapeutiques de l ’exposition » • C’est ALARA pour les tissus sains 8 La dose • S’exprime en Gy: correspond à l’énergie absorbée par unité de matière – Joule/ kilogramme J/kg – 1 J/Kg= 1 Gy (Gray = Louis Harold Gray)) • Depuis 1975 a remplacé le rad – 1 Gy = 100 cGy = 100 rad • 10-20 Gy sur l’ensemble du corps = décès = 1000 J pour un adulte = énergie nécessaire à la digestion de ¼ de sucre Dose équivalente • Prend en compte l’effet biologique des radiations • WR = facteur de pondération • La dose équivalente H = Dose absorbée (D) * coefficient Wr • S’exprime en Sievert (Sv) 1 Sv = 1000 mSv Dose efficace • Prend en compte l’organe irradié (WT) • E = D1WT1WR1 + D2WT2WR2 + D3WT3WR3 +… • Cumulative dans le temps • S’exprime en Sv Débit de dose • Dose délivrée par unité de temps • Radiothérapie : 1 Gy par minute • Hiroshima : 1 Gy par seconde • S’exprime en Gy/mn, Gy/s, mSv/an Importance relative des sources d’exposition • Doses* annuelles délivrées, en moyenne, par les sources de notre environnement – Naturelles: – Médicale: – Militaires: – Industrielles: – Nuage de Tchernobyl en France: (dose engagée sur 50 ans) 2.4 mSv 1 mSv 0.02 mSv 0.01 mSv 0.088 mSv * Comité Scientifique des Nations Unies sur les Effets des Radiations Atomiques UNCEAR Exposition : la loi Année Travailleurs 1934 600 mSv/an (0.2 Roentgen/j) 1938 500 mSv/an (1 Roentgen/sem) 1951 150 mSv/an (0.3 Roentgen/sem) Public 1959-1977 50 mSv/an 5 mSv/an 1990 20 mSv/an 1 mSv/an Effets pathologiques des R.I. Dose Obligatoires Gravité Augmente avec la dose ___ Seuil (700 mSv) RIEN Précoces Aléatoires Probabilités Le risque de cancer augmente avec: -La dose -Le temps -L’âge à l’exposition -Gravité constante avec le temps passé -Seuil incertain (200 mSv) Tardifs (à partir de 3 ans) Temps Le dogme radiobiologique • L’induction d’effets retardés (cancers, anomalies dans la descendance) est le produit de l’action directe des radiations sur l’ADN contenu dans le noyau de la cellule • Effet aléatoire (dépôt de dose aléatoire) • Dose au-delà de laquelle il n’y a plus d’effet : mort cellulaire • Dose en deçà de laquelle il n’y a pas d’effet : dose seuil Effets aléatoires : cancers Excès de cancers Effet seuil : peu probable car une CSB est créée avec quelques eV R = 5.10-2 Sv-1 ? 50 ? 200 ? mSv Dose Effet seuil ? • La poursuite des études après 1985 • les cancers continuent à apparaître en excès plus de 40 ans après l’hypothèse de la linéarité sans seuil • Limite d’exposition : 200 mSv à 50 mSv • Forte dose/temps cours = faible dose temps long ? Le risque après exposition aux radiations ionisantes • Basé les conséquences des bombes atomiques • Il faut distinguer : – Les leucémies – Les tumeurs solides Les modèles par les organismes nationaux et internationaux • RERF 88 – Fondation pour la Recherche des Effets sur les Radiations (Hiroshima) • BEIR V (1990) – Comité de l'Académie des Sciences des EtatsUnis sur les effets biologiques des rayonnements ionisants • UNSCEAR 94 – Comité Scientifique des Nations Unies sur les Effets des Radiations Atomiques RERF 88 • Fondé sur le suivi de la mortalité des survivants d'Hiroshima et de Nagasaki • Modèle de risque absolu et un modèle de risque relatif pour les différents types de cancers radio-induits • différencie – les hommes et les femmes – l'âge à l'exposition. • Ces modèles sont dérivés des données de mortalité sur la période 1950 - 1985 Résultats de la surveillance (1994) • 86 000 personnes surveillées – De 1950-1985 • 156 leucémies attendues / 231 observées (+ 75 cas) – Tumeurs solides • Œsophage, estomac, colon, poumons, seins, myélome – Augmentation nette du risque – Délai plus long que pour la leucémie • Vessie, utérus, ovaires, CNS – Risque probable • Rectum, foie, prostates – Aucun excès de risque – De 1950 à 1985 • 6581 cas attendus / 6887 observés (+ 306 cas) – Pas de risque en decà de 200-500 mSv 1997 : Pearce et al, Cancer Res • 50 ans après l’irradiation : – Encore de nouveaux cancers – Très faible pour les leucémies • Diminution du risque avec le temps pour la cohorte irradiée avant l’âge de 10 ans • Effet non linéaire de la dose pour les leucémies • Risques pour des doses effectives de l’ordre de 50 mSv 26/04/1986 02/05/1986 28/04/1986 03/05/1986 30/04/1986 05/05/1986 Tchernobyl • • • Personnes vivantes dans la surface ayant reçu plus de 555 kBq/m2 de 137CS : 270 000 dose reçue moyenne > 50 mSv Personnes vivantes dans la surface ayant reçu plus de 37 kBq/m2 de 137CS : 5 200 000 dose reçue moyenne > 10 mSv dose cumulée sur 20 ans (radioactivité naturelle 1 mSv/an Estimation du risque de décès par cancer Risque de cancers de la thyroïde après Tchernobyl • Risque 1970 et 2001 : – de 0.4/100 000 à 3.5/100 000 – garçons (+775%) • +1020% haute exposition • + 571% basse exposition – de 0.8/100 000 à 16.2/100 000 – filles (+1925%) • +3286% haute exposition • +250% basse exposition Le risque de cancer en radiologie • Irradiation pour radiologie = 14% de l’exposition totale dans le monde (naturelle et artificielle) • Risque difficile à évaluer car très faible • Population de référence (Nagasaki et Hiroshima) • 1981 : Doll et Peto estime que 0,5% des cancers aux EU sont attribuables au RX pour le diagnostic Thorostrast • Suivi pendant plus de 25 ans • 4000 patients • 50 ans après les injections • Cancers du foie : risque cumulatif de 55 % • Risque cumulé jusqu’à 75 ans • 15 pays • Cancers de l’œsophage, estomac, colon, foie, poumon, vessie, thyroïde • Modèle linéaire de risque relatif • Prise en compte du type d’examen • Modèle basé sur la population survivante des bombe atomique (modèle BEIR et RERF) • Estimation +++ Risque attribuable par les Rx par organe (UK) % Risque attribuable = risque cumulé x 100 / population à risque Risque de cancers attribuables en fonction du # d’examen diagnostique Risque induit par la radiologie Relation entre la fréquence des examens le risque de cancer Dose cumulative Critiques de l’étude • Postulats: – Pas de dose seuil – La population qui bénéficie des radiographies a le même taux de mortalité que la population générale – La dose d’irradiation persiste indéfiniment • Questions sans réponse: – Rôle de l’âge à l’examen? – Rôle de l’organe ? – Modèle de risque = pour tout organe ? Pour tout type de tumeur ? Extension de ces résultats aux autres cancers ? (qui ne sont pas consignés dans les bases du BEIR ou du RERF) • Cahan WG, Woodart HQ, Highinbotham NL, Stewart FW, Coley BL. Sarcoma arising in irradiated bone. Report of eleven cases. Cancer 1948;1: 3-29 Définition du cancer radio-induit • Apparition après un délai minimum de 5 ans après la fin de l’irradiation • Développement dans le site d’irradiation • Anatomo-pathologie différente du cancer initialement traité • Risque disparait à 10-15 ans pour les leucémie, il persiste pour les tumeurs solides, au delà de 25 ans Résultat final de la réparation de l’ADN Résultats de la réparation de l’ADN réparation complète aberrations chromosomiques mutations et délétions avec un faible risque de transformation cancéreuse Régulation de la mort cellulaire Définition radiobiologique de la mort cellulaire: perte de la capacité proliférative Mécanismes arrêt en G1 Mitonécrose (+ inflammation) Apoptose (sans inflam.) Manifestations tissulaires et organiques de la mort cellulaire: effets tissulaires 36 Mutagénèse et carcinogénèse radio-induite • Caractéristiques des mutations radio-induites – – – – – • • Pertes de matériel génétique Phénomène récessif Nécessité d’un deuxième événement Effet sur les freins de la prolifération cellulaire, les « anti-oncogènes » Conséquences très tardives Le caryotype des tumeurs radio-induites pourrait être spécifique Rareté des cancers radio-induits 37 La transformation cellulaire ne peut se faire qu’à faible dose • La probabilité maximale se situe vers 7 Gy • On l’observe classiquement en bordure de volume irradié • Il s’agit plus volontiers de sarcomes que de carcinome 38 Réparation des lésions de l’ADN Reconnaissance des dommages Signalisation (ATM/ATR/PARP-1/p53/BRCA1/BRCA2…) Réparation des mésappariements (MMR) hMLH1 hMSH2 Synthèse translésionnelle hREV2 hRAD30 Excision de Bases (BER) hOGG1 hNTH HAP1 Polb XRCC1 Lig3 Excision de Nucléotides (NER) XPA, B, C, D XPE, F, G CSA CSB Recombinaison homologue (RH) Recombinaison non homologue (NHEJ) hRAD50/ XRCC5 (Ku86) MRE11/NBS1 XRCC6 (Ku70) hRAD51 XRCC7 (DNA-PK) hRAD52 XRCC1 hRAD54 Lig4 XRCC2 XRCC3 Réparation des cassures double brin • Recombinaison homologue – hRAD50/MRE11/Nbs – hRAD51/ BRCA1, BRCA2, hRAD52, hRAD54 – XRCC2, XRCC3 – Nécessité d’une séquence homologue – Phases S et G2 • Mécanisme fidèle • Suture non-homologue – Ku70/Ku80/DNA-PKcs , ARTEMIS – (hRAD50/MRE11/Nbs), FEN-1 – XRCC4, LIG4 – Phase G1 • Mécanisme infidèle La suture non homologue Situation hétérogène • Quelques situations spectaculaires, représentant moins de 10% des patients (enfants, Hodgkin…), ne doivent pas cacher… • Une immense majorité silencieuse de plus de 90% d’adultes semi-âgés … 42 Parmi la vaste majorité des patients adultes « semi-âgés » • La succession de cancers pelviens • Prostate puis rectum • Endomètre ou col puis rectum • Les irradiations pour des pathologies à très haut taux de guérisons • Maladie de Hodgkin puis cancer bronchique ou du sein • Séminome testiculaire puis cancer digestif • Irradiation mammaire interne des cancers du sein puis cancer bronchique • Notions possibles de sites (rectum, bronches) et de co-carcinogènes (tabac, chimiothérapies) 43 Dosimétrie clinique • Le risque se situe essentiellement dans les volumes recevant une dose « moyenne » entre 10 et 40 à 80 Gy (dose prescrite) • Le risque semble très faible pour les tissus ayant reçu moins de 10 Gy au total • Attention: c’est TOUJOURS une irradiation fractionnée à faible dose par fraction (moins de 1 Gy) • L’équivalence de ce seuil avec une dose unique se situe entre 4 et 7 Gy • Ce « risque faible », c’est quelque chose de nettement inférieur à 1% chez « l’adulte semiâgé » 44 Risque relatif de second cancer après irradiation Type de tumeur Risque relatif commentaires Broncho-pulmonaire 1.9 – 7.7 Risque 10 x si 9 Gy reçu par rapport à 1 Gy Cancer du sein 1.4 – 4.1 Si > 30 ans RR = 4.4 Si 20-29 ans : RR = 17 Si < 20 ans: RR = 38 Thyroïde 2.4 – 68 Enfant RR = 67 Cancers digestifs 1.2 – 10 Linites plastiques ++++ 66% des cas vs 5-10% dans la population générale Tumeurs osseuses 4.5 – 106 Perte de vie à 20 ans due aux cancers secondaires : 7% La radiothérapie des lésions bénignes • Spondylarthrite ankylosante – 2 à 6 Gy – Ensemble du rachis – Cohorte 14 000 patients : risque leucémie x 5 • Arthrose ou Spondylarthrite ankylosante – Étude danoise 20024 patients – Risque de leucémie et myélome dès > 0.5 Gy L’irradiation pour teigne • De 1948 à 1960 • Près de 10,834 enfants • Comparaison avec «contrôles» et frères et sœurs non irradiés (10 834 + 5392) • Dose moyenne au cerveau : 1.5 Gy • Tout cancer – RR : 6.9 [4.1-11.6] • Tumeurs cérébrales – RR: 8.4 [4.8-14-8] • Relation dose/tumeur : RR 20 si la dose 2-3 Gy Les cancers induits par la radiothérapie • Survie suffisamment longue • Tumeur guérissable • Tumeur guérie grâce à la radiothérapie ? • Prix à payer ? • Quelle information ? • Quelle surveillance ? Attention dans les études: tumeur ≠ cancer Maladie de Hodgkin • Risque leucémogène (lignée myéloïde) – Chimiothérapie : 10% à 10 ans – Radiothérapie de 0.2 à 3.4% à 15 ans selon volume • Lymphome malin non hodgkinien – Relation non démontré • Tumeurs solides – Taux cumulé de 10-15% à 15 ans Maladie de Hodgkin • Cancers broncho-pulmonaires – RR : 1.7 – 7.7 – Risque lié à la dose: 10 x si dose > 9 Gy / 1 Gy • Cancers du sein – RR : 1.4 à 4.4 – Rôle de l’âge à l’irradiation • • • • RR RR RR RR = = = = 4.4 si âge > 30 ans 17 si âge 20-29 ans 38 si âge < 20 ans 75 si âge < 16 ans • Cancers de la thyroïde – RR : 2.4 à 68 – Rôle de l’âge à l’irradiation et de la dose • 920 enfants traités pour LH – 102 cas de cancer • Risque relatif 14 [11-17] – Fille : 20 [15-15] – Garçon : 8 [6-12] • Fille: cancer du sein +++ • Risque plus important pour les doses les plus élevées • Risque augmenté avec le suivi 51 • Implication sur la survie à 20 ans – Pas de 2nd cancer : 80% – Cancer solide : 72% – Hématologique : 13% 52 • Risque relatif : 37 [24-53] – 9 à 36 ans après RT – Risque identique de faire un cancer bilatéral • Augmentation avec la dose : mais suivi plus important +++ • Augmentation avec le faible stade de la maladie • Augmentation avec le jeune âge à l’irradiation • Diminution avec l’irradiation pelvienne (effet ménopause) • Survie non affectée par K du sein 53 • 33 cas de tumeurs de la thyroïde après irradiation: – – – – Maladie de Hodgkin (18 cas) Lymphome non-Hodgkinien (10 cas) LLA, LMA (3 cas) Neuroblastome, maladie de Wilms (2 cas) • 13 tumeurs malignes (39%) • Âge médian au diagnostic de la tumeur – 12 ans (3.7-18.3) • Délai au diagnostic de la tumeur thyroïde – 13 ans (6.3-30.1) • Sex ratio (F/H) : 23/10 • Dose médiane à la glande thyroïde – 24 Gy (10-42 Gy) – Dose plus faible pour les cancers 20 Gy vs 29.5 Gy p = 0.03 Dose 10-20 Gy bénin 6 malin 9 21-30 Gy 4 3 > 30 Gy 10 1 Intervalle 5-10 ans 10-15 ans 15-20 ans > 20 ans bénin 3 malin 4 59% 41% 10 5 4 3 70% 30% 3 1 • 14 054 survivant à 5 ans d’un cancer pédiatrique (tête, cou, thorax supérieur) • 25 centres américains • 69 cas de cancer de la thyroïde (0.05%) – Cancer 5 ans après le premier cancer – Comparé à 288 cas-témoins sans cancer - Augmentation du risque jusqu’à 30 Gy - Augmentation du risque avec le jeune âge Mutations radio-induites dans les cancers de la thyroïde • Cancers de la thyroïde spontanés – 6 gènes impliqués: ras, gsp, ret, trk, p53, TSH-R • Cancers radio-induits – Mutations décrites sur 2 gènes principaux: ras, gsp – La mutation de p53 serait lié à l’agressivité tumorale – Mutations de gènes plus fréquentes dans les folliculaires que dans les papillaires – Irradiation serait un inducteur direct des réarrangements du gène ret – Mutations uniquement de ret dans les carcinomes papillaires Réarrangement de RET dans les PTC radio-induits Tendance : - plus de mutation si irradiation: tumeur bénigne et maligne Mutations liés à l’irradiation réarrangement Post RT Spontané CPT Adénome CPT Adénome # de cas 19 20 20 19 RET/PTC1 RET/PTC3 16 cas 84% 9 cas 45% 3 cas 16% 0 RET/PTC2 0 0 0 0 Bounacer Oncogene 1997; 15: 1263-1273 Implication des réarrangements de RET dans les CPT radio-induits • Réarrangement de RET chez l’adulte • ELE1/RET(PTC3) et H4/RET (PTC1) – Pas de prévalence différente en fonction de l’âge à l’exposition – Inversion chromosomique paracentrique – Conséquence de la recombinaison non homologue Réarrangement (p = 0.012) PTC3 (ELE1/RET) PTC1 (H4/RET) Latence* ≤ 10 ans 66% 60% 22% Latence* > 10 ans 46% 23% 65% +++ - Risque métastatique * Apparition du cancer Clin Cancer Res 2000; 6:1093-1103 Expression de ret dans les PTC radio-induits p = 0.003 • Cohort de Chicago (irradiation externe pour tumeurs bénignes) • Comparaison exposé vs non exposé • Pas de différence / âge à l’exposition et dose reçue (médiane 7.2 Gy) Exposé Non exposé Métastase gg 67% 32% plurifocale 77% 53% J Clin Endocrinol Metab 2002; 87:3941-3946 Effet Bystander • L’effet dit " bystander " (de l’anglais : to bystand et que l’on pourrait traduire par " effet de proximité ") • des signaux de dommages sont transmis des cellules irradiées aux cellules non-irradiées d'une population cellulaire, conduisant à la survenue d'effets biologiques dans ces cellules. Effet Bystander • 2 mécanismes basiques de transmission des données – Le contact direct de cellules à cellules via les gaps intercellulaires (Gap intercellular Communication) (GIC) • Rôle de la connexine 43 ? – Facteurs solubles sécrétés par la cellule irradiée dans le milieu environnant • Conséquences – – – – Mutation Dommages chromosomiques Transformations Mort cellulaire Instabilité génomique • Augmentation des mutations dans les générations cellulaires issues de cellules irradiées: pour les 5 tumeurs une perte d’hétérozygotie de Ku80/Ku70/XRCC4/lig4/artemis sur un allèle de 2 à 3 gènes a été observé dans chaque tumeur sauf une ou tous les gènes avaient une perte d’hétérozygotie Niveau de protéine NHEJ dans les tumeur radio-induites Perte d’hétérozygotie Sarcome radio-induit Lefebvre SH J Radiat Res 2005 Des données complexes • Inductibilité – Irradier les cellules à des doses de l’ordre de 10 mGy aboutit, pour des doses de 1Gy, à une augmentation de la résistance des cellules pré-irradiées • Non spécificité – La même pré-irradiation peut entraîner des résistances à d’autres toxiques (H2O2) • Hypersensibilité au faible dose La susceptibilité génétique • Rétinoblastome – Perte du 2ème allèle après irradiation • Li-Fraumeni – Anomalie d’un gène suppresseur localisé sur le chromosome 17 codant pour la protéine p53 • Ataxie-télangiectasie • AT impliqué dans la réparation de l‘ADN des lésions minimes provoquées par les radiations Signature génétique • Exceptionnelle ou difficile à détecter • RET et thyroïde • P53 et sarcomes – Mutation ponctuelles vs délétions larges • Larges délétions +++ Rôle du dépôt de dose • Rôle de l’homogénéité de la dose – Toutes les cellules ne sont pas cancérisables • Même notion pour l’hypofractionnement • Induction de lésion avec l’ du débit de dose Réponse des nouvelles techniques • IMRT – Rôle des faibles doses • Protons – Exclusif ou associé au photons ? • Ions …. – Rôle de la fragmentation en fin de pic de Bragg ? • Certes… – Irradiation le plus tardivement possible – mais • diminution des doses ? • Diminution des volumes Réduction des cancers radio-induits chez l’enfant (Rhabdomyosarcome) Photons MI Photons 3 faisceaux 9 faisceaux Spot–scanned protons Protons MI 9 faisceaux 2 faisceaux Miralbell R - IJROBP - 2002; 54:824-829 Taux de réduction des cancers radio-induits (rhabdomyosarcome) Miralbell R - IJROBP - 2002; 54:824-829 Réduction des cancers radio-induits chez l’enfant (médulloblastome) Photons Photons MI 1 faisceau 1 faisceau Protons MI 9 faisceaux Miralbell R - IJROBP - 2002; 54:824-829 Taux de réduction des cancers radio-induits (médulloblastome) Miralbell R - IJROBP - 2002; 54:824-829 Conclusions • Le cancer radio-induit est une réalité • Le risque est probablement < 1% • L’impact psychologique est majeur • Cependant, le premier objectif d’un traitement est la guérison et il n’y a pas de cancer induit s’il n’y a pas de guérison 76