Monte Carlo microdosimetry of charged-particle microbeam irradiations

L’interaction des particules chargées avec la matière conduit à un dépôt d’énergie très localisé dans des traces de dimensions sub-micrométriques. Cette propriété unique rend ce type de rayonnement ionisant particulièrement intéressant pour disséquer les mécanismes moléculaires radio-induits suite à l’échelle de la cellule. L’utilisation de microfaisceaux de particules chargées offre en outre la capacité d’irradier sélectivement à l’échelle du micromètre avec une dose contrôlée jusqu’à la particule unique. Mon travail a porté sur des irradiations réalisées avec le microfaisceau de particules chargées de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) du CENBG. Ce microfaisceau délivre des protons et particules alpha et est dédié aux irradiations ciblées in vitro (cellules humains) et in vivo (C. elegans).En complément de l’intérêt qu’elles présentent pour des études expérimentales, les dépôts d’énergie et les interactions des particules chargées avec la matière peuvent être modélisés précisément tout au long de leur trajectoire en utilisant des codes de structures de traces basés sur des méthodes Monte Carlo. Ces outils de simulation permettent une caractérisation précise de la micro-dosimétrie des irradiations allant de la description détaillée des interactions physiques à l’échelle nanométrique jusqu’à la prédiction du nombre de dommages à l’ADN et leurs distributions dans l’espace.Au cours de ma thèse, j’ai développée des modèles micro-dosimétriques basés sur l’outil de modélisation Geant4-DNA dans deux cas. Le premier concerne la simulation de la distribution d’énergie déposée dans un noyau cellulaire et le calcul du nombre des différents types de dommages ADN (simple et double brin) aux échelles nanométrique et micrométrique, pour différents types et nombres de particules délivrées. Ces résultats sont confrontés à la mesure expérimentale de la cinétique de protéines de réparation de l’ADN marquées par GFP (Green Fluorescent Protein) dans des cellules humaines. Le second concerne la dosimétrie de l’irradiation d’un organisme multicellulaire dans le cadre d’études de l’instabilité génétique dans un organisme vivant au cours du développement (C. elegans). J’ai simulé la distribution de l’énergie déposée dans différents compartiments d’un modèle réaliste en 3D d’un embryon de C. elegans suite à des irradiations par protons. Enfin, et en parallèle de ces deux études, j’ai développé un protocole pour caractériser le microfaisceau d'AIFIRA à l’aide de détecteurs de traces fluorescent (FNTD) pour des irradiations par protons et par particules alpha. Ce type de détecteur permet en effet de visualiser les trajectoires des particules incidentes avec une résolution de l’ordre de 200 nm et d’examiner la qualité des irradiations cellulaires réalisées par le microfaisceau.The interaction of charged particles with matter leads to a very localized energy deposits in sub-micrometric tracks. This unique property makes this type of ionizing radiation particularly interesting for deciphering the radiation-induced molecular mechanisms at the cell scale. Charged particle microbeams (CPMs) provide the ability to target a given cell compartment at the micrometer scale with a controlled dose down to single particle. My work focused on irradiations carried out with the CPM at the AIFIRA facility in the CENBG (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine). This microbeam delivers protons and alpha particles and is dedicated to targeted irradiation in vitro (human cells) and in vivo (C. elegans).In addition to their interest for experimental studies, the energy deposits and the interactions of charged particles with matter can be modeled precisely along their trajectory using track structure codes based on Monte Carlo methods. These simulation tools allow a precise characterization of the micro-dosimetry of the irradations from the detailed description of the physical interactions at the nanoscale to the prediction of the number of DNA damage, their complexity and their distribution in space.During my thesis, I developed micro-dosimetric models based on the Geant4-DNA modeling toolkit in two cases. The first concerns the simulation of the energy distribution deposited in a cell nucleus and the calculation of the number of different types of DNA damage (single and double strand breaks) at the nanometric and micrometric scales, for different types and numbers of delivered particles. These simulations are compared with experimental measurements of the kinetics of GFP-labeled (Green Fluorescent Protein) DNA repair proteins in human cells. The second is the dosimetry of irradiation of a multicellular organism to study the genetic instability in a living organism during development (C. elegans). I simulated the distribution of the energy deposited in different compartments of a realistic 3D model of a C. elegans embryo following proton irradiations. Finally, and in parallel with these two studies, I developed a protocol to characterize the AIFIRA microbeam using fluorescent nuclear track detector (FNTD) for proton and alpha particle irradiations. This type of detector makes it possible to visualize in 3D the incident particle tracks with a resolution of about 200 nm and to examine the quality of the cellular irradiations carried out by the CPM