Les innovations technologiques nécessaires pour traiter des tumeurs radio résistantes dépendent de la combinaison entre un meilleur ciblage et une augmentation de l’effet toxique sur la tumeur. Parmi les radiothérapies innovantes, l’hadronthérapie par ions carbone est entrée en phase d’essai clinique en Allemagne et au Japon, et les techniques PAT-Z (Radiation therapy by photoactivation of high-Z-elements) et MRT (microbeam radiation therapy) sont actuellement en phase préclinique.

Un faisceau d’ion carbone dépose abruptement un maximum d’énergie en fin de parcours (= Pic de Bragg) ce qui permet de traiter des tumeurs profondes tout en délivrant des doses d’énergie minimales aux tissus environnants. De plus, à dose physique équivalente, les ions carbone induisent des lésions intracellulaires bien plus sévères que les photons tels que des dommages complexes à l’ADN, menant à une plus grande destruction des cellules cancéreuses.

Les ions carbones ont également la paricularité de détruire de façon accrue les tumeurs hypoxiques, et de montrer un effet suppresseur de l’angiogenèse et de la migration cellulaire (métastases).

Une efficacité biologique relative (RBE) plus importante et un ciblage plus fin permettent un traitement hypo-fractionné et une meilleure espérance de vie comme cela a été observé par des études cliniques préliminaires. La technique PAT-Z est basée sur l’accroissement local de la dose de radiation délivrée à la tumeur, après interaction avec des éléments absorbants tels que des sels de platinium, d’or ou des particules de gadolinium préalablement injectés dans l’organisme. Parallèlement, la technique MRT utilise une gamme de faisceau X très fin qui délivre des doses de plusieurs octagray en une fraction de seconde tout en épargnant les tissus sains. C’est une alternative prometteuse à la radio chirurgie en neuro-oncologie. Deux modèles sont actuellement incorporés dans les systèmes de planification des traitements (TPS) pour la thérapie carbone : le modèle d’effet local (LEM pour Local Effect Model) en Allemagne et le modèle de cinétique dosimétrique (MKM pour Microdosimetrik Kinetic Model) au Japon. Jusqu’à présent aucun modèle n’a été développé pour les techniques PAT-Z et MRT.

Les objectifs de ce WP sont d'élucider, de quantifier et de prédire les évènements cellulaires engendrés par les ions carbones de haute énergie, par les techniques PAT-Z et MRT et ce à différents niveaux (de la femtoseconde à plusieurs mois, et de la molécule aux tissus) afin d'optimiser le transfert de ces radiothérapies innovantes vers des applications cliniques. Parallèlement aux expérimentations dans les systèmes vivants, la radiobiologie inclut le développement de plateformes d'irradiation, de méthodologies et de simulations pour l'analyse, l'acquisition et la prédiction de données.

Thèses PRIMES portant sur les thématiques du WP3:

• GIMENEZ Paul (2012 - 2015) - Radiothérapie par photoactivation de nanopaticules (LAN - GIN) thèse soutenue le 27 octobre 2015
  
• KOTB Shady (2013 - 2016) - Nanoparticules théranostiques à base de Gadolinium : Optimisation et compréhension des mécanismes physiques et biologiques dans le traitement des tumeurs (ILM) thèse soutenue le 15 décembre 2016
  
• SIMONET Stéphanie (2014 - 2017) - Rôle du stress oxydant mitochondrial dans la réponse tumorale à une irradiation hadronique ou par photo-activation d’éléments de Z élevé (PAT-Z) (LRCM)
• POIGNANT Floriane (2015 - 2018) - Biophysical modeling for innovative therapy (IPNL-PHABIO)
• CHAN Chen Hui (2016 - 2019) - Probing the catalytic effects of nanoparticles towards hadrontherapy: from electronic calculations to cellular applications (ENS-LCh)