Le fonctionnement physique
De nombreux types d'ondes sont utilisés en radiothérapie, en fonction de la taille de la tumeur à détruire notamment. Malgré cela, le principe de fonctionnement reste sensiblement le même. Les ondes émises par l'accélérateur de particules vont tout d'abord interagir avec la matière qu'ils vont rencontrer, dans le cas présent le corps humain, et provoquer des modifications des molécules. Ces dernières vont alors devoir se reconstruire mais cela va avoir un impact sur la cellule.
1) L’interaction physique initiale
La première interaction entre le rayonnement de photons émis par la machine et la matière constituant le corps provoque des modifications des cellules touchées. En effet, les atomes composant le corps s'excitent et passent sous forme ionisée, c'est-à-dire que le nombre d'électrons présent dans le cortège électronique d'un atome est modifié rendant l'atome instable.
Le premier mécanisme pouvant intervenir est la création de paires entre les électrons et les positons. Ainsi, un photon émis par l'accélérateur de particules peut, sous l'effet du champ magnétique du noyau d'un atome, se matérialiser sous la forme d'une paire électron-positon. Ces deux particules portent chacune une charge élémentaire : l'électron porte la charge élémentaire négative tandis que le positon porte la charge élémentaire positive. L'ensemble est donc électriquement neutre. Ce mécanisme permettant de transformer l'énergie du photon en énergie de masse respecte la formule de la relativité générale d'Einstein (E = m x C²). Néanmoins, le positon tout juste matérialisé s'annihile presque aussitôt. Quand un positon rentre en contact avec un électron cela génère deux photons d'énergie qui se propagent dans des directions opposées. Cela provoque également l'annihilation du positon et de l'électron. En résumé, ce premier mécanisme entraîne la diffusion d'un électron provenant de la paire électron-positon, l'ionisation de l'atome dont l'électron a été annihilé et l'émission de deux photons d'énergie.
Schéma d'une paire électron-positon
Le deuxième mécanisme intervenant lors de cette interaction est l'effet photoélectrique. Toute l'énergie transportée par le photon est absorbée par un électron d'un atome pouvant ainsi provoquer son arrachement. Pour cela, l'énergie transportée par le photon doit correspondre parfaitement à l’énergie nécessaire pour qu'un électron d'une couche puisse se détacher. Dans le cas contraire, la réaction ne peut pas avoir lieu.
La force électromagnétique qui s'exerce entre le noyau (charge positive) et les électrons (charge négative) permet de maintenir l'atome en place. Le photon incident doit alors apporter suffisamment d'énergie pour contrer cette force. Plus l'électron est proche du noyau plus la force électromagnétique est forte et plus le photon doit apporter d'énergie.
Schéma de l'effet photoélectrique
Le dernier mécanisme pouvant intervenir complète le deuxième. Il s'agit de l'effet Compton. Dans certains cas une partie de l'énergie apportée par le photon peut suffire à causer l'arrachement d'un électron. Ainsi, un photon dit diffusé possédant une énergie inférieure à celle du photon de départ est émis. Ce second photon va alors à son tour donner son énergie à d'autres atomes selon l'effet photoélectrique ou l'effet Compton jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'énergie. Cet effet permet d’arracher majoritairement des électrons situés dans les couches électroniques les plus éloignées du noyau. En effet, selon la formule de la force électromagnétique, plus la distance séparant les deux corps est élevée plus l’interaction est faible.
Comme vu précédemment, les photons vont, in fine, provoquer l'ionisation des atomes et l'arrachement d'électrons. Ces électrons vont à leur tour provoquer l'ionisation d'autres atomes en respectant les forces fondamentales. Un électron incident peut tout d'abord interagir avec un autre électron d'un atome. Selon la formule de la force électromagnétique et en sachant que les électrons possèdent tous deux une charge négative, la force sera répulsive. Cette force, si elle est suffisante, peut provoquer l'arrachement de ce second électron et un ralentissement considérable du premier. Si la force n'est pas suffisante pour arracher un électron, elle peut au moins exciter l'atome en faisant passer ce second électron sur une couche électronique supérieure. Dans ce second cas, l'électron incident ralentira également. Pour déterminer quel cas se produira, il faut comparer la force électromagnétique attractive qui s'exerce entre le noyau et l'électron avec la force électromagnétique répulsive s'exerçant entre les deux électrons. Pour faire passer un atome sous forme ionisée, il faut que la force répulsive annule et contre même la force attractive.
2) Le réarrangement des molécules
Les ionisations successives des atomes, et donc des molécules, créent des changements et des anomalies dans notre corps au niveau de la zone traitée. Les molécules cherchent à se reconstruire et à redevenir stable. Dans cette partie, nous nous intéresserons uniquement à la molécule d'ADN car elle est l'unique possesseur du patrimoine génétique. Elle fait donc partie des molécules à détruire les plus importantes car elle est la plus susceptible d’entraîner une mort cellulaire. Les lésions faites à la molécule peuvent être direct ou indirect, c'est-à-dire que la molécule subit directement des lésions ou que d'autres molécules endommagées vont provoquer des lésions à l'ADN.
Des effets directs se produisent quand la molécule est tellement excitée et instable qu'elle parvient à rompre les liaisons chimiques qui la maintenait. Cela se produit quand l'énergie contenue par la molécule est supérieure à celle des liaisons chimiques. La molécule ionisée, après avoir modifié ses liaisons est alors libre de modifier sa structure.
Les effets indirects se produisent quand d'autres molécules que l'ADN modifient leurs liaisons et leur structure. Elles deviennent alors extrêmement instables et, tout en cherchant à se stabiliser, vont provoquer des lésions à la molécule d'ADN. C'est par exemple le cas de la molécule d'eau (H2O) qui, suite à son ionisation, se sépare en un atome d'hydrogène (H) et une molécule formée d'un atome d'oxygène et d'un atome d'hydrogène (HO). Ces deux morceaux sont hautement instables et, au contact de la molécule d'ADN, vont provoquer des lésions en cherchant à retrouver leur stabilité.
Équation avec la molécule d'eau
Ainsi, que ce soit par les effets directs ou indirects, la molécule d'ADN se retrouve lésée.
3) L'effet sur la molécule d'ADN
Les lésions causées par le traitement de la radiothérapie sur la molécule d'ADN peuvent être des cassures simples ou doubles brins. Elles peuvent également se situer sur un même brin, sur les deux ou encore au niveau des nucléotides.
Lésions de la molécule d'ADN
En fonction de la quantité de lésions et de leur importance la molécule d'ADN peut se reformer grâce à des enzymes ou rester lésée. Dans le premier cas, le traitement n'aura eu aucun impact sur la tumeur et la radiothérapie est un échec. Dans le second cas, deux scénarios sont possibles. Si une cellule portant une molécule d'ADN lésée rentre en mitose et qu'elle est incapable de réparer les dégâts subis, elle n'a d'autre choix que de rentrer en apoptose et de mourir. La cellule est donc détruite et le traitement est un succès. Si une cellule portant une molécule d'ADN lésée parvient à se diviser, les deux cellules filles seront malformées et seront dans l'incapacité de rentrer en mitose. Tout comme dans le premier cas, les cellules filles issues de la cellule endommagée rentreront en apoptose et mourront.
Ainsi, si la quantité de lésions faites à la molécule d'ADN est suffisante, la mort de la cellule est presque inévitable.
4) Conclusion
Ainsi, les rayonnements de photons émis par la machine permettent d'ioniser et d'exciter les atomes composant le corps humain. Ces dernières vont alors chercher à se reconstruire en modifiant leur propre structure. Cependant, cela peut provoquer des lésions au niveau des molécules et tout particulièrement au niveau de la double-hélice d'ADN. Si celles-ci sont en assez grande quantité la cellule sera dans l'incapacité de se diviser et est condamnée à mourir. Le traitement de la radiothérapie permet donc de détruire les cellules pour faire disparaître une tumeur.
