Light ions radiobiologic effects on human tumoral cells: measurements modelling and application to hadrontherapy
Mesures et modelisation des effets radiobiologiques des ions legers sur des cellules tumorales humaines : application a l'hadrontherapie
Résumé
In classical radiotherapy, the characteristics of photons interactions undergo limits for the treatment of radioresistant and not well located tumours.
Pioneering treatments of patients at the Lawrence Laboratory at Berkeley has demonstrated two advantages of hadrons beams: the Relative Biologic Effect (the RBE) and the ballistic of the beams. Since 1994, the clinical centre at Chiba, has demonstrated successfully the applicability of the method. A physics group, managed by G. Kraft, at Darmstadt in Germany, has underlined the advantages of carbon beams. An European pool, called ENGIGHT (European Network for LIGHt ion Therapy) has been created in which the French ETOILE poject appeared.
The purpose of the thesis concerns measurements and models of "in vitro" human cells survival. In the first part, the nowadays situation in particles interactions, tracks and cells structures and radiobiology is presented here. The second is devoted to the models based on the beam tracks and localization of the physical dose. Discussion of sensitivity to various parameters of the model has been realized with the help of numerical simulations.
Finally the predictions of the improved model has been compared to experimental irradiations of human cells with argon and carbon beams of the Ganil machine.
Conclusion of such study shows the performance and limits of a local model for predicting the radiobiologic efficiency of light ions in hadrontherapy.
Pioneering treatments of patients at the Lawrence Laboratory at Berkeley has demonstrated two advantages of hadrons beams: the Relative Biologic Effect (the RBE) and the ballistic of the beams. Since 1994, the clinical centre at Chiba, has demonstrated successfully the applicability of the method. A physics group, managed by G. Kraft, at Darmstadt in Germany, has underlined the advantages of carbon beams. An European pool, called ENGIGHT (European Network for LIGHt ion Therapy) has been created in which the French ETOILE poject appeared.
The purpose of the thesis concerns measurements and models of "in vitro" human cells survival. In the first part, the nowadays situation in particles interactions, tracks and cells structures and radiobiology is presented here. The second is devoted to the models based on the beam tracks and localization of the physical dose. Discussion of sensitivity to various parameters of the model has been realized with the help of numerical simulations.
Finally the predictions of the improved model has been compared to experimental irradiations of human cells with argon and carbon beams of the Ganil machine.
Conclusion of such study shows the performance and limits of a local model for predicting the radiobiologic efficiency of light ions in hadrontherapy.
Les caractéristiques des interactions entre les photons et la matière lors de la radiothérapie classique font que cette technique trouve ses limites dans le traitement de certaines lésions particulièrement mal situées où extrêmement radiorésistantes. Les premiers traitements par hadronthérapie ont été réalisés par l'équipe d'Ernesto Lawrence à Berkeley et ont démontré deux avantages des hadrons : l'efficacité biologique relative et la précision balistique. Les travaux pionniers de Berkeley ont trouvé un écho au Japon(Chiba) où un centre d'hadronthérapie a été ouvert en 1994. En Europe, plus précisément en Allemagne au GSI à Darmstadt, une équipe de recherche, coordonnée par le Professeur G. Kraft a développé une voie de faisceau pour le traitement des cancers radiorésistants démontrant les avantages des ions démontrant les avantages des ions carbone pour l'hadronthérapie. Les travaux de l'Europe dans ce domaine se sontstructurés dans le réseau ENLIGHT (European Network for LIGHt ion Therapy) autour de 5 grands projets de construction de centres d'hadronthérapie dont fait partie le projet français ETOILE.
Mon travail de thèse, dans le cadre du projet ETOILE, concerne la mesure et la modélisation de la survie cellulaire in-vitro. La première partie de la thèse constitue un ensemble de rappels bibliographiques et de bases théoriques nécessaires pour la compréhension du sujet. Après un rappel des interactions rayonnement-matière la structure de trace, propre aux particules lourdes chargées est décrite. Les éléments de radiobiologie menant à l'étude de la survie cellulaire in-vitro sont également rapportés.
La deuxième partie du manuscrit porte sur l'étude et la réalisation d'un « modèle d'effet local » basé sur les travaux de Scholz et al. L'étude du modèle met en évidence l'effet des différents paramètres d'entrée qui sont ensuite quantifiés par simulations numériques.
La troisième partie est consacrée à la confrontation des prédictions du modèle aux mesures expérimentales in-vitro que j'ai effectué au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds avec différents faisceaux d'ions Carbone et Argon. Cette étude montre l'intérêt et les limites de ce type de modèle local pour la prédiction des effets radiobiologiques des ions légers en hadrontérapie.
Mon travail de thèse, dans le cadre du projet ETOILE, concerne la mesure et la modélisation de la survie cellulaire in-vitro. La première partie de la thèse constitue un ensemble de rappels bibliographiques et de bases théoriques nécessaires pour la compréhension du sujet. Après un rappel des interactions rayonnement-matière la structure de trace, propre aux particules lourdes chargées est décrite. Les éléments de radiobiologie menant à l'étude de la survie cellulaire in-vitro sont également rapportés.
La deuxième partie du manuscrit porte sur l'étude et la réalisation d'un « modèle d'effet local » basé sur les travaux de Scholz et al. L'étude du modèle met en évidence l'effet des différents paramètres d'entrée qui sont ensuite quantifiés par simulations numériques.
La troisième partie est consacrée à la confrontation des prédictions du modèle aux mesures expérimentales in-vitro que j'ai effectué au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds avec différents faisceaux d'ions Carbone et Argon. Cette étude montre l'intérêt et les limites de ce type de modèle local pour la prédiction des effets radiobiologiques des ions légers en hadrontérapie.
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