Quand le laser X à électrons libres révèle les effets radiosensibilisants au niveau moléculaire
Bien que l'effet de radio-sensibilisation de certaines molécules dans les radiothérapies contre le cancer soit connu depuis longtemps, les mécanismes moléculaires exacts derrière cet effet –c’est-à-dire la capacité de l’agent radio-sensibilisant à augmenter localement les dégâts de l'irradiation sur les cellules –ne sont pas encore complètement compris.
Cependant, une équipe internationale de chercheurs vient de démontrer comment la molécule est cassée par les rayons X et quels fragments ioniques sont formés par la destruction de l'édifice moléculaire peu après l'ionisation, mettant ainsi en évidence le rôle potentiel d’ions énergétiques dans l'initiation des réactions menant à des dommages non réparables par la cellule.
L'expérience s’est déroulée à SACLA, un laser X à électrons libres se trouvant au Japon. Les impulsions de rayons X produites sont si brillantes et si courtes qu’elles sont capables de dépouiller de leurs électrons les noyaux atomiques des molécules ciblées, provoquant alors l’explosion de ces molécules en une infime fraction de seconde. L'équipe a réussi à mesurer les énergies cinétiques et les trajectoires des fragments ioniques éjectés du 5-iodo Uracile - une molécule analogue à une base nucléotidique (l’une des « briques élémentaires » constituant l’ADN) d’intérêt biologique, dont l'effet de radiosensibilisation est connu depuis longtemps. Les mesures ont ensuite été entièrement reproduites par modélisation théorique.
Figure : Illustration (vue d’artiste) de la façon dont la molécule de 5-iodo Uracile (au centre) -analogue d’une base nucléotidique de l’ADN qui forme un acide ribonucléique (en brun), au rôle de radiosensibilisateur- est cassée juste après l’irradiation aux rayons X (en bleu), ce qui donne localement une « soupe d’irradiation ». © Kiyonobu Nagaya, Département de Physique, Université de Kyoto.
Ce résultat conjoint d’études expérimentales et théoriques, publié dans la revue Physical Review X de l’APS (American Physical Society), et qui sera également publié dans Faraday Discussions de la RSC (Royal Society of Chemistry), donne une preuve évidente de la production locale d'une «soupe d’irradiation» constituée d'ions énergétiques, dont l’effet destructeur local s’ajoute à l’effet toxique sur l’ADN, des électrons de faible énergie produits par les mécanismes de relaxation en cascade.
« Nous espérons que la connaissance de l’existence de cette « soupe d’irradiation » contribuera à la compréhension générale de la façon dont fonctionnent les radiosensibilisateurs, et qu’elle inspirera la conception de nouveaux médicaments radiosensibilisants », explique Kiyonobu Nagaya, de l'Université de Kyoto.
De plus, cette étude permet aussi de valider une méthodologie d’imagerie de systèmes macromoléculaires, de plus en plus utilisé de par le monde. « La présente étude indique clairement que, lors des premières étapes de la dynamique moléculaire qui suit l'interaction avec le rayonnement X généré par le laser à électrons libres, seuls les atomes d'hydrogène ont le temps de se déplacer de façon significative, tandis que les liaisons entre les atomes plus lourds ne font que s’allonger légèrement » précise Kiyoshi Ueda, de l'Université du Tohoku. « Ce résultat valide la méthode d'imagerie diffractive « single-shot » de bio-macromolécules par laser X à électrons libres comme un outil fiable. »
Ces résultats ont été obtenus par une équipe internationale de chercheurs du Japon (Tohoku University, Kyoto University, Hiroshima University, Hiroshima Institute of Technology, Hokkaido University, RIKEN Spring-8 center, JASRI), de Finlande (University of Turku), des États-Unis (Kansas State University), de France (Synchrotron SOLEIL), Chine (Beihang University, SARI, SINAP), Corée (POSTECH), et Roumanie (ELI-NP / IFIN-HH).