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1. LES RADIATIONS IONISANTES

Les bases physiques de l'effet des rayonnements sont supposées connues.
Ce cours ne considère parmi les radiations ionisantes que les rayonnements électro-magnétiques (X et gamma) et même très particulièrement les rayons X diagnostiques. Les rayonnements de sources scellées ou non scellées de radioéléments à usage médical ou non médical posent d'autres problèmes.
Les effets des radiations ionisantes sont décrits par niveaux successifs de l'échelle atomique, à la cellule, au tissu pour terminer à la population.

1.1. Mécanismes physico-chimiques

Le rayonnement X interagit avec la matière ; il excite ou ionise les molécules qu'il rencontre ; crée des radicaux libres. Ce transfert d'énergie conduit à des réactions chimiques diverses. La plus fréquente, par la fréquence même des molécules d'eau dans les tissus est un effet oxydant, l'effet oxygène :

Les effets sont directs lorsque la modification moléculaire concerne la molécule touchée par le rayonnement lui-même ou indirects lorsqu'ils sont secondaires à une action chimique exercée par une molécule excitée ou active. L'action indirecte par création de radicaux libres actifs est prédominante et très importante (effet oxygène par exemple : les lésions de radiothérapie sont plus importantes sur un tissu bien oxygéné qu'en tissu ischémique).

Deux types de lésions chimiques moléculaires peuvent être créées :
- lésions spécifiques de l'ADN : les chromosomes, faits d'ADN, sont porteurs de l'information qui régit le développement de la cellule et de l'organisme ;
- lésions de molécules banales, eau, graisse ou protéines banales : la perte fonc-tionnelle de quelques molécules n'a guère d'importance puisque leur nombre est élevé ; seul un grand nombre de lésions aura des conséquences.

1.2. Effets biochimiques sur l'ADN

L'Acide Désoxyribo Nucléique est formé de constituants en nombre limité, les nucléotides,
- 1 groupement phosphorylé,
- 1 sucre désoxyribose,
- 1 base parmi les quatre possibles (Adénine, cytosine, Guanine, Thymine).
rangés parallèlement pour former une sorte d'échelle dont les montants sont faits par sucre et groupement phosphorylé pendant que les barreaux sont faits de la jonction de A et T ou de C et G. Cette échelle représente microscopiquement le chromosome par un double enroulement (double hélice).

Le code génétique est assuré par la succession des triplets de trois fois deux bases (AT CG AT ou AT CG CG etc). Une molécule de protéine de 300 acides aminés est codée par la succession de 300 triplets. Un tel ensemble de triplets (plusieurs milliers parfois) constitue un gène. Une cellule humaine possède 50 000 gènes. A côté de séquences de gènes codants, il existe des gènes de régulation, répresseurs ou opérateurs.

Le message génétique est transmis à la cellule par les ARN messagers.

Deux fois 23 chromosomes chez l'homme.

1.2.1. Effets radiochimiques

Les radiations ionisantes peuvent :
- modifier les bases, nature ou ordre (modification ou mutation ponctuelle) non visible au microscope ;
- rompre un brin ou les deux brins du chromosome ;
- créer un pont (cross-link) par fusion entre deux ruptures entre brins d'ADN.

Ces ruptures ou ponts de chromosomes aboutissent à des aberrations chromosomiques, délétion, translocation, inversion, anomalies qui sont visibles par l'étude du caryotype. Les lésions peuvent aussi toucher les ARN ou d'autres molécules fonctionnellement importantes (mitochondries).

1.2.2. Réparations

Les chromosomes sont constamment soumis à des agressions physiques (chaleur) ou chimiques de sorte que des mécanismes de réparation sont indispensables et assurés par des enzymes spécialisées.

1.2.3. Conséquences des lésions dues à l'irradiation

Mutation c'est-à-dire modification du patrimoine héréditaire : modification du patrimoine héréditaire transmis ou des facteurs de cancérogénèse.
Mort cellulaire très rapide pour des doses élevées.
Incapacité à se diviser, donc mort retardée et reconnue après quelques semaines ou mois.

1.3. Action sur les cellules

1.3.1. Relation dose/effet

Les cellules soumises à l'irradiation souffrent par modification soit de leur composante spécifique (synthèse de molécules protéiques) soit du métabolisme banal (eau, graisse ou lipides de la paroi cellulaire).

Cela se traduit par un ralentissement d'une culture de cellules, la mortalité cellulaire.

La mortalité d'une culture cellulaire (de bactéries) irradiée est fonction de la dose (relation exponentielle) :

- 30 Gy laissent survivre une moitié de la population cellulaire,
- 30 Gy supplémentaires tuent à nouveau une moitié de la population.

n fois 30 Gy laisse survivre (1/2) n cellules.

Pour les cellules d'organismes supérieurs, la dose efficace est beaucoup plus faible de l'ordre de 1 à 3 Gy.

1.3.2. Irradiation fractionnée (cellules de mammifères)

Si deux séances d'irradiation sont séparées de quelques heures, tout se passe comme si la culture avait oublié la première irradiation.

Des doses cumulées données par doses moyennes obtiennent un effet très inférieur à la même dose totale fournie en une seule fois.

1.3.3. Débit de dose faible

Une irradiation prolongée continue ou répétée à faible dose (moins de 0,5 Gy/heure) sur une culture ne produit que des effets difficilement mesurables ; or les irradiations rencontrées dans la vie courante sont souvent de ce type, irradiation professionnelle ou médicale d'où les divergences sur leurs risques réels.

1.4. Effets tissulaires

Un tissu ne se conduit pas comme un ensemble simple de cellules : la lésion tissulaire n'est visible que lorsqu'un nombre élevé de cellules est détruit ; cet effet n'est visible qu'après un délai et une dose-seuil. Des cellules peuvent avoir perdu toute capacité de reproduction et garder leur valeur fonctionnelle ; donc l'effet dépend aussi de la durée de vie spontanée de la cellule.

Les cellules peuvent être distinguées en trois catégories en fonction des irradiations :
- cellules souches, très sensibles ;
- cellules en voie de maturation, peu sensibles ;
- cellules matures insensibles et gardant leur fonctionnalité.

1.4.1. Tissu hématopoïétique

- Les cellules souches irradiées ne fournissent plus de cellules différenciées ; celles-ci disparaissent après un certain délai.

- Les cellules différenciées (hématies) persistent jusqu'à leur mort naturelle et donc restent en circulation jusqu'à une centaine de jours ; n'étant pas renouvelées par suite de l'irradiation des cellules souches, leur nombre diminue progressivement ; ainsi s'explique la reconnaissance successive de la lymphopénie puis de l'anémie lors d'irradiations importantes.

La radiosensibilité des cellules moyennement différenciées est inversement proportionnelle à la différenciation.

Les muqueuses et l'épiderme ont le même type de réaction, mais le rythme de renouvellement des cellules est différent.

1.4.2. Le foie

Les cellules hépatiques se multiplient peu ; elles meurent donc tardivement avec un délai commun à toutes, laissant un tissu détruit.

Dans les organes formés de tissu différent (tissu spécifique, nerveux, hépatique) et contenant des structures différentes (vaisseaux), les effets des radiations dépendent du rythme d'irradiation, des doses, du type de réaction de chaque composante. Les effets se conduisent comme avec un seuil.

1.5. Action sur les organes et les individus

De nombreuses sources permettent de connaître les effets des radiations ; leur valeur est très inégale.

1.5.1. Expérimentation

- Culture bactérienne ou cellulaire : outre la vitesse de croissance d'une culture ou la mortalité cellulaire, on peut suivre les caractéristiques métaboliques ou les mutations.

- Irradiation d'élevage de souris : la taille réduite des animaux, leur rapidité de reproduction, l'existence de races pures donc bien connues génétiquement permet de suivre l'évolution de lignées sur des périodes prolongées, ce qui correspond à plusieurs dizaines de générations (certaines études équivalent à trois millénaires pour l'homme). Ces études permettent de quantifier l'apparition des mutations spontanées ou consécutives à des agressions environnementales. Si les effets de doses élevées, en une fois sont relativement faciles à reconnaître, les doses faibles doivent être étudiées sur des populations importantes ; plus la dose est faible, plus la population d'étude est importante, plusieurs centaines de milliers d'animaux pour des doses de quelques dizaines de rad (0,5 à 0,2 Gy). Si l'on veut étudier les effets d'une dose moitié la population doit être multipliée par quatre. On conçoit que les effets de doses très faibles soient inaccessibles à l'étude car elles mettraient en jeu des millions de souris suivies pendant des générations. Notons que des populations d'animaux ont été soumises à l'irradiation de 1 Gy par génération sans que l'on constate de modification de la fertilité ou du comportement ou de pathologie.

On a ainsi étudié la fréquence des mutations, des cancers, la durée moyenne de vie, le poids de populations témoins ou après irradiation chronique selon des modalités variées (irradiations d'un sexe ou de femelles gravides, doses uniques ou fractionnées).

L'analyse de populations animales ou végétales dans des zones où l'irradiation naturelle est élevée (Kerala sur la côte sud ouest des Indes, Brésil) permettait, par comparaison avec les populations de zones de référence la recherche des effets de doses chroniques. On a ainsi cru remarquer que le nombre de cancers spontané est moindre lorsque la population est soumise à une irradiation naturelle importante !

1.5.2. Accidents d'irradiation de population

L'industrie nucléaire et la recherche militaire ou civile ont créé des conditions d'accident ; comme pour l'aviation, les accidents sont répertoriés, analysés et exploités ; aucune industrie n'a été autant surveillée, même si certaines conditions ont conduit à dissimuler quelques données.

- 1 mars 1954 : lors de l'explosion d'une bombe atomique USA dans le Pacifique, 100 habitants des îles Marshall et 23 pêcheurs japonais reçoivent 70 à 380 rad ; les pêcheurs seront suivis ainsi que leur descendance.

- 1983, Mexique : la source d'une bombe de radiothérapie au cobalt est récupérée par des ferrailleurs et sert à fabriquer du fer à béton : 5 personnes ont reçu 100 à 500 rad et 300 des doses moindres.

- 1986, Tchernobyl : 22 personnes ont reçu plus de 8 Gy, 203 plus de 1 Gy et un nombre important de militaires ont reçu des doses concertées donc restant dans les limites autorisées par la radioprotection et dans des conditions exceptionnelles lors des opérations de sauvetage.
(M. Bertin, D. Hubert, J. Lallemand.Bull cancer/radioth 1994 ; 81: 275-283)

- Irradiés aigus :
3 disparus ou morts immédiates,
28 décès imputables à l'irradiation,
238 irradiés à 1 Gy ou plus dont 50 à plus de 4 Gy en irradiation externe,
16 ne travaillaient plus et 59 avaient un taux d'invalidité.

Certaines données laissent septique sur ce nombre, la construction du sarcophage a placé des individus à des débits de 250 mGY/min et le nombre d'irradiés pourrait avoir été plus important.
- Cancer de thyroïde de l'enfant
évolution en Bielorussie (tableau 1)
- Délai d'apparition rapide.
- Frappe particulièrement chez les enfants irradiés in utero (8), avant 2 ans (54) sur 251 ; les autres ont été dépistés avant 12 ans.
- Par comparaison, IGR a traité 106 cancers de thyroïde avant 17 ans sur 2200 cancers de thyroïde à tous âges.
- Probablement 20 000 enfants ont reçu au moins 1 Gy sur la thyroïde et quelques milliers plus de 5 Gy.

- Cancer de la thyroide de l'adulte
- Augmentation plus discutable ; 130 cas avant et 300 après mais le relevé statistique est discutable.
- Autres cancers
- Aucun effet encore enregistré, mais à Hiroshima le délai était 10 ans.
- Malformations congénitales
- Aucune donnée fiable pour une augmentation de fréquence.
- Par ailleurs, on connaît l'existence des accidents de :
- Three Miles Island (USA 1979) : dose considérée comme négligeable ;
- Windscale (GB 1957) : mal connu dans ses effets
- Khyshtym (URSS) vers 1957 ou 1958 : très mal connu.

- Accidents isolés
- En recherche atomique : 12 accidents avant 1965, 1 depuis 1965, 9 morts et 37 survivants.
- Industrie ou médecine :
- sources de Co60 ou Ir 191 mal utilisées,
- irradiation globale (24 accidents, 17 morts, 38 survivants),
- irradiation localisée (115 accidents, 156 morts).
- Contamination par des sources non scellées : les accidents graves sont rares.

1.5.3. Observations humaines de masse

On ne peut considérer les bombes sur Hiroshima et Nagasaki comme une "expérience", mais elles ont conduit à la mise en place d'une surveillance pendant plus de 40 ans des personnes irradiées (109 000 à Hiroshima, 178 000 à Nagasaki) de leur descendance et de populations témoins ; jusqu'à 500 personnes ont assuré cette surveillance, mortalité, naissances, malformations, maladies, croissance, en fonction des doses calculées (en fait, ces dernières étaient beaucoup moins précises à Nagasaki). 1200 personnes ont reçu 3,3 Gy, dose proche de la DL50 et 12 ont fait une leucémie (contre une prévision de 1) ; aucun homme ayant reçu moins de 1 Gy n'a fait de leucémie. 400 à 500 cancers en plus que la quantité prévue sont survenus sur les 80 000 morts survenus entre 1950 et 1978 (soit environ 15 000 morts par cancer). Les morts par cancer liés à l'irradiation sont 1/20 des morts liés au tabac dans la même population.
Aucun effet génétique n'a (déjà) été constaté sur cette population.

Patients traités médicalement

Actuellement :
- 80 000 malades subissent une radiothérapie chaque année en France.

Autrefois :
- traitement "fonctionnel" de périarthrites, de spondylarthrites ;
- teignes (300 rad pour obtenir une calvitie) ;
- hypertrophie thymique du nourrisson, mastose ou fibrome utérin traités par radiothérapie ;
- tuberculoses surveillées par radioscopies itératives ;
- persistance dans le foie de thorium radioactif du "thorotrast" injecté pour des angiographies.

Irradiation professionnelle
- Travailleurs dans des mines d'uranium (USA, Canada, Tchécoslovaquie).
- Peintres sur cadran lumineux de montres : le radium est utilisé pour stimuler la luminescence, les peintres lissaient leur pinceau avec la bouche.
- Radiologistes et manipulateurs : la dose moyenne annuelle atteignait 1 Gy vers 1930, 1 rad vers 1960, elle est de 0,2 rad actuellement ; la palpation sous écran était la règle pour rechercher des points douloureux, comme la tenue des malades pendant les clichés ; paravents et tabliers de plomb n'étaient pas utilisés de manière systématique avant 1960.
- Centres nucléaires : ces populations ont été suivies avec attention ; en étude globale, aucune augmentation du nombre de cancers (en France les statistiques ne peuvent être obtenues, en partie pour des raisons de confidentialité : la cause de mort est une donnée anonyme et ne peut être rendue publique).

1.5.4. Observations diverses

De nombreuses observations d'augmentation de fréquence des cancers, des leucémies, des malformations, de modification du sex-ratio ont été rapportées dans certaines situations :
- l'environnement de centres nucléaires ;
- pilotes volants à très haute altitude, (Concorde, avions de chasse) ;
- etc...

On ne peut éliminer la relation entre faibles doses et effets, mais on doit remarquer les causes de biais statistiques :
- les effets étudiés sont fréquents, non spécifiques et banals (cancers) ;
- la recherche systématique d'un phénomène en augmente inévitablement la fréquence :
- ces recherches se font sur des populations peu nombreuses ;
- généralement, ces études proposent la démonstration d'augmentation d'un seul effet sans modification des autres effets comme si en un endroit seuls les carcinomes augmentaient, en un autre les leucoses et dans un troisième le sex-ratio était seul concerné.

Rappel de fréquence de certains effets chez l'homme

- Le cancer est fréquent : 22% des décès sont dus au cancer en France.
- La fréquence du cancer répond à des causes variées et souvent inconnues : le cancer du sein est 6 fois plus fréquent aux USA qu'au Japon et des variations notables sont reconnues en France, la fréquence du cancer d'oesophage ou d'estomac.
- L'influence des facteurs environnementaux, tabac (mis en cause dans 40% des cancers), alcool (mis en cause dans 40% des cancers, parfois en association avec le tabac), alimentation, virus, soleil sur la peau (les mélanomes augmentent de 1% par an); les radiations sont une cause estimée de 1% parmi les facteurs environnementaux.

Dans ces conditions, sans nier la possibilité d'un risque, les démonstrations du risque lié au radiodiagnostic sont peu convaincantes car très difficiles à apporter.

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