Développement et application de Geant4-DNA pour la simulation des effets radiobiologiques à l'échelle sub-cellulaire

Abstract

Prévoir les effets biologiques induits par les rayonnements ionisants est un défi scientifique majeur de la radiobiologie actuelle, en particulier pour essayer de mieux comprendre les effets des faibles doses sur le milieu vivant ainsi que la cancérogénèse. L'approche computationnelle basée sur les codes de simulation des structures de traces dans le milieu biologique par la technique Monte Carlo est aujourd'hui la méthode la plus fiable pour calculer les effets précoces des radiations ionisantes sur l'ADN, la cible cellulaire principale des effets des radiations. Parmi les codes existants, l'extension Geant4-DNA de la boîte à outils généraliste Geant4 est la première entièrement ouverte et librement accessible à la communauté. Geant4-DNA peut simuler non seulement l'étape physique mais aussi les étapes physico-chimique et chimique de la radiolyse de l'eau. Ces étapes peuvent être combinées avec des modèles géométriques simplifiés de l'ADN afin d'évaluer les dommages précoces directs et indirects à l'ADN. Dans cette thèse, je propose (1) d'améliorer dans Geant4-DNA la modélisation de la diffusion élastique des électrons dans l'eau liquide pour simuler plus précisément la distribution spatiale des dépôts d'énergie et des espèces radicalaires. Ensuite, (2) l'étape physico-chimique de la radiolyse de l'eau est également améliorée en se basant sur des approches décrites dans la littérature (modélisation, mesures), cette étape affectant fortement l'étape chimique en modifiant les rendements initiaux et la concentration des espèces radicalaires. (3) La méthode du temps de réaction indépendant (IRT) est en outre implémentée dans Geant4-DNA afin de réduire le temps de calcul pour simuler la cinétique chimique de la radiolyse de l'eau. Enfin, j'évalue (4) les dommages biologiques induits à l'échelle subcellulaire en utilisant une géométrie de l'ADN cellulaire développée dans une étude précédente, en incluant dans la simulation toutes les améliorations développées au cours de cette thèse, jusqu'à la réparation des dommages précoces. Ces développements sont regroupés au sein d'une chaine de simulation complète destinée aux utilisateurs de Geant4 et de son extension Geant4-DNA.