L’actualité géopolitique a brutalement fait ressortir au grand jour des craintes que l’on avait pu croire d’une autre époque. Le contexte ukrainien nous rappelle ainsi que le risque d’une irradiation accidentelle, causée par l’explosion d’une bombe atomique ou un accident de centrale nucléaire, n’est finalement pas négligeable.
Quelle que soit la source de l’irradiation, la survenue et la gravité des effets dits « radioinduits » obéissent à un grand principe : plus l’énergie absorbée par nos cellules est grande, plus l’effet biologique est important et plus les conséquences cliniques sont précoces et sévères.
Ceci est vrai pour une irradiation externe (la source de rayonnement est à l’extérieur du corps) comme pour une irradiation interne (la source de rayonnement est à l’intérieur du corps après ingestion ou inhalation de matières radioactives). La quantité d’énergie reçue s’appelle la « dose absorbée », et connaître la relation entre cette dernière et son effet biologique et clinique est la tâche majeure des radiobiologistes.
Ce principe a deux corollaires : on doit bien connaître à la fois la dose et les différents effets radioinduits possibles.
Connaître la dose de radiation reçue
Dans le cas d’une irradiation accidentelle, l’exposition aux rayonnements du corps humain est rarement homogène et n’est jamais mesurée en direct. Sa reconstitution a posteriori est donc souvent complexe et demande des approches combinées. Elle requiert à la fois des simulations qui tiennent compte du parcours des radiations et des matériaux qu’elles traversent, mais aussi de mesures sur échantillons biologiques (aberrations chromosomiques des lymphocytes sanguins, modifications radiochimiques de l’émail dentaire).
La dose absorbée dans notre corps est exprimée en Grays (Gy), ou Joule par kg de tissu (J/kg). Voici quelques ordres de grandeur pour notre espèce :
0,2 mGy : dose moyenne quotidienne reçue par un astronaute en mission
2 mGy : dose moyenne au sein pour un cliché de mammographie
20-40 mGy : dose aux organes pour un examen scanner
100-200 mGy (au corps entier) : dose au-dessus de laquelle le risque de cancer radioinduit est significatif
2 Gy : dose délivrée à la tumeur appliquée pour une session de radiothérapie anticancéreuse
4,5 Gy (au corps entier) : dose létale pour 50 % des individus
12 Gy (au corps entier) : dose conduisant à un décès rapide
Les choses ne sont toutefois pas si simples, car il n’existe pas une unique sorte d’irradiation : selon la situation, la matière radioactive considérée, sont en fait émis différents types de radiation – rayon X, rayon alpha (émission d’un noyau d’Hélium), rayon bêta (émission d’un électron), émission de protons ou de neutrons…
Et tous ces rayonnements ne produisent pas forcément les mêmes effets biologiques pour une même dose absorbée.
Estimer les effets biologiques
Il a fallu introduire un facteur pour prendre en compte la nature des radiations. Cela conduit à la « dose équivalente », qui est la dose absorbée en Gy multipliée par le facteur de pondération (Wr) des radiations. L’unité est le Sievert (Sv) et est définie par convention en considérant comme référence les effets causés par les rayons X dont le Wr est de 1. Par exemple, une dose de 1 Gy de rayons X correspond à 1 Sv alors que 1 Gy de particules alpha correspond à 20 Sv (le Wr des alpha est fixé à 20).
Et comme les effets biologiques ne sont pas non plus les mêmes selon la nature des tissus, il a fallu introduire un second facteur de pondération (Wt) pour prendre en compte de façon spécifique leur sensibilité relative (la somme de tous les Wt est égale à un).
Ainsi, pour chaque organe ou tissu, la dose équivalente est multipliée par le Wt adéquat. Par exemple, une dose de 1 Gy de rayon X au corps entier correspond à 1 Sv alors que si l’irradiation ne cible que les seins, la contribution est de 0,12 Sv (le Wt des seins est fixé à 0,12). L’ensemble des contributions de tous les organes exposés sont additionnées.
On obtient une nouvelle valeur, dénommée « dose efficace », qui permet de combiner des irradiations différentes et, ainsi, de prendre en compte des irradiations complexes.
C’est la dose efficace qui a été utilisée par la Commission internationale de protection radiologique pour calculer le risque des expositions aux rayonnements à partir de toutes les observations épidémiologiques et notamment celles des survivants de Hiroshima et Nagasaki.
Les effets biologiques d’une irradiation
Connaître la dose de radioactivité reçue ne suffit toujours pas : la dose efficace ne renseigne que sur un risque global (une probabilité de survenue) mais pas de conclure sur la nature des conséquences de son irradiation pour un individu donné. Pour les évaluer, il faut décrypter les différents effets radioinduits.
L’énergie absorbée par notre corps après une irradiation est d’abord absorbée par l’eau (le principal constituant de nos cellules), à travers des réactions chimiques dites de « radiolyse ». Il en résulte un stress oxydatif, l’eau oxygénée produite quelques millisecondes après irradiation pouvant casser l’ADN contenu dans le noyau cellulaire.
Le devenir des cassures de l’ADN (réparées ? Non réparées ? Mal réparées ? Tolérées ?) conditionne alors la réponse au niveau cellulaire, puis tissulaire puis clinique à travers une succession de réactions qui peuvent s’étendre de la première minute à plusieurs années après l’irradiation.
Il existe trois conséquences cliniques majeures d’une irradiation :
Les réactions dites de radiosensibilité ou radiotoxicité : elles entraînent une dysfonction des tissus ou des organes souvent associée à une inflammation. Les plus connues sont les radiodermites, des lésions cutanées qui apparaissent rapidement après exposition. Ce sont par exemple les brûlures des pionniers des radiations. Elles sont causées par la mort des cellules des organes ou tissus irradiés, elle-même causée par des cassures de l’ADN non réparées. Selon la dose reçue, elles vont de la simple rougeur à une nécrose voire la mort.
Les réactions dites de radiosusceptibilité : ce sont les cancers radioinduits, causés par une transformation cellulaire, elle-même causée par des cassures de l’ADN mal réparées.
Les réactions dites de radiodégénérescence : ce sont les conséquences d’un vieillissement cellulaire accéléré, causé par des lésions de l’ADN qui sont tolérées par les cellules et qui s’y accumulent avant d’y provoquer leur mort à long terme. C’est notamment le cas des cataractes.
La gravité et la survenue de ces trois types de réactions radioinduites dépendent fortement de la dose de radiation absorbée. En particulier, plus la dose est élevée plus la probabilité de mort cellulaire est élevée. Cela est mis en œuvre de façon contrôlée lors d’une radiothérapie.
Les cancers radioinduits sont plutôt rencontrés après des doses faibles et répétées de radiation. Le vieillissement d’un tissu, d’expression tardive, est lié à sa transformation progressive, par exemple le cristallin (cataracte) ou le cœur et les vaisseaux. Cependant, après une irradiation accidentelle, on considère raisonnablement que les réactions de radiosensibilité et les cancers radioinduits constituent les effets cliniques radioinduits les plus graves.
Connaître les individus les plus à risque
En plus de cette dépendance vis-à-vis de la dose, il existe des individus plus radiosensibles et/ou radiosusceptibles que d’autres. Ils peuvent souffrir des mêmes effets mais plus précocement et pour des doses de radiation plus faibles.
Par exemple, les individus porteurs de mutations dans les gènes dédiés à la réparation de l’ADN montrent une morbidité/mortalité plus grande en cas d’exposition aux radiations. Les porteurs de mutations dans les gènes de prédisposition au cancer ont, eux, plus de risque de développer des cancers radioinduits.
Avec la connaissance de la dose, l’une des priorités après l’irradiation de plusieurs individus est donc l’identification des sujets potentiellement radiosensibles et radiosusceptibles.
Contrairement à une idée fausse très répandue, le risque radioinduit ne dépend pas systématiquement de l’âge ou du sexe même si ces facteurs sont importants. On peut définir trois grands groupes d’individus :
Les individus les plus hyperradiosensibles/susceptibles qui représentent moins de 1 % de la population. Ce sont des enfants souffrant de maladies génétiques très rares dont les symptômes sont bien décrits et dont l’espérance de vie est limitée à une vingtaine d’années.
À l’opposé, au moins 80 % de la population présente une réponse normale après exposition aux rayonnements.
Entre les deux catégories précédentes, de 5 à 20 % de la population présente une réponse pathologique aux radiations, d’intensité intermédiaire, avec un continuum entre le peu anormal et le très pathologique.
Ce sont par exemple des femmes qui présentent une dermite persistante à la suite d’une radiothérapie pour cancer du sein ou des hommes qui présentent une rectite durable à la suite d’une radiothérapie pour cancer de la prostate. Ce sont également celles avec une prédisposition familiale au cancer du sein (porteuses d’une mutation connue ou non) qui peuvent être plus à risque de cancers du sein radioinduits (entre 1 % et 1 ‰ cas dans la population générale).
Notons d’ailleurs que si on omet le risque de cancers du sein, très spécifique aux femmes, hommes et femmes présentent environ le même risque de cancer spontané et radioinduit.
Enfin, insistons sur le fait que les enfants, hors maladies génétiques définies plus haut et cancers de la thyroïde, n’ont pas forcément plus de risque de cancer que les adultes… Cependant, avec le recul, on observe que les personnes irradiées en bas âge ont un risque plus élevé de développer un cancer que celles qui ont été irradiées à l’âge adulte. En effet, un cancer requiert plusieurs années pour se former : un adulte exposé aux radiations n’a pas forcément « le temps » de développer un cancer radioinduit.