Nouvelle scientifique

 

Le 25 septembre 2018

 

 

Geant4-DNA : une nouvelle plateforme ouverte pour simuler les interactions physiques entre particules et le milieu biologique

 

Depuis juin 2018, les chercheurs en radiobiologie bénéficient à présent d’un ensemble de modèles de simulation pour décrire les interactions électromagnétiques des particules ionisantes avec la matière biologique (l’eau liquide). Ces modèles sont en accès libres et sont accompagnés d’un ensemble d’exemples d’utilisation dédiés. Ces développements ont été menés par la collaboration internationale Geant4-DNA, coordonnée depuis 2008 par l'équipe iRiBio du CENBG, et sont entièrement intégrés à l'outil de simulation Monte Carlo généraliste Geant4. Ils viennent de faire l'objet d'un "Special Report" dans la revue "Medical Physics".

 

Comprendre les mécanismes fondamentaux impliqués dans l'induction des dommages biologiques par les radiations ionisantes, notamment au niveau de l'ADN, reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. Ainsi, la radiobiologie dite "computationnelle" est aujourd'hui un axe de recherche prometteur pour tenter de mieux estimer les risques liés à l'exposition aux radiations ionisantes, comme par exemple lors de séjours prolongés dans l'espace ou encore lors de traitements de radiothérapie.

Le projet Geant4-DNA^1-4 est né de la nécessité d'accéder facilement à un outil de modélisation mécanistique des effets biologiques des radiations ionisantes à l'échelle de l'ADN. Il a pour objectif de délivrer la première plate-forme ouverte librement accessible à tous les utilisateurs pour la simulation des dommages biologiques précoces induits par les radiations ionisantes. Ce projet est porté par une collaboration internationale, coordonnée depuis 2008 par l'équipe iRiBio du CENBG. Ses développements se focalisent sur la description des interactions physiques élémentaires, ainsi que des interactions physico-chimiques et chimiques (radiolyse de l'eau) dans des cibles biologiques, comme par exemple le noyau cellulaire. Ils sont tous progressivement intégrés à l'outil de simulation Monte Carlo généraliste Geant4.

Geant4-DNA permet d'abord de simuler en mode pas-à-pas les interactions électromagnétiques des électrons, des protons, des atomes d'hydrogène et des particules alpha (incluant leurs états de charge) dans l'eau liquide, le principal constituant du milieu biologique. Ce mode pas-à-pas assure précision à petite échelle (typiquement inférieure au micromètre) et à faible énergie (jusqu'à quelques dizaines d'électronVolts) pour la simulation des interactions physiques, par rapport à une approche dite "condensée", plus rapide mais moins précise (comme c'est par exemple le cas pour les modèles de physique électromagnétique déjà disponibles dans Geant4).

Une étape importante du cycle de développement de Geant4-DNA vient d'être franchie. En effet, les modèles physiques proposés par Geant4-DNA pour simuler ces interactions physiques et plusieurs exemples d'utilisation associés viennent d'être publiés dans le quatrième article de la collaboration Geant4-DNA, sous la forme d'un "Special Report"⁷ dans le journal "Medical Physics". Ces exemples permettent de calculer des quantités physiques fondamentales caractérisant les interactions des particules dans le milieu irradié, comme par exemple le parcours, le pouvoir d'arrêt, le libre parcours moyen, ... ou encore des quantités utilisées pour la microdosimétrie et la dosimétrie en physique médicale: les points kernels de dose, les facteurs S, ... C'est la première fois que de tels modèles physiques et ces applications associées sont mis à disposition librement pour les utilisateurs. Étant entièrement intégrées à Geant4, ces fonctionnalités de Geant4-DNA deviennent en particulier accessibles à d'autres plates-formes de simulation qui se basent sur Geant4, comme GATE et TOPAS.

 

Exemple de la simulation détaillée avec Geant4-DNA de la trace d'un proton de 1 MeV (en bleu, trace du bas), d'une particule alpha de 1 MeV (en vert, trace du milieu) et d'une particule alpha de 4 MeV (en vert, trace du haut) dans l'eau liquide. Les électrons secondaires sont représentés en rouge. © Geant4-DNA

 

Geant4-DNA permet également de modéliser la radiolyse de l'eau jusqu'à une microseconde (considéré comme un effet précoce en biologie) après l'irradiation, une nécessité pour simuler les dommages biologiques précoces "indirects" induits par l'action des radicaux issus de la radiolyse de l'eau sur l'ADN.

Enfin, Geant4-DNA bénéficie aussi des nombreuses fonctionnalités de Geant4 pour la modélisation de géométries de cibles biologiques variées. Nous venons ainsi récemment de démontrer la possibilité de combiner la simulation des interactions physiques, physico-chimiques et chimiques avec des géométries simplifiées de cibles biologiques pour la prédiction des dommages précoces dans des bactéries⁵ et des cellules humaines⁶.

Ces développements se poursuivent aujourd'hui afin de délivrer dans un futur proche l'ensemble de ces fonctionnalités au sein de Geant4. Il est notamment prévu d'inclure des processus de réparation biologique de l'ADN pour décrire l'évolution temporelle des dommages précoces induits par l'irradiation.

Pour faciliter l'accès à Geant4 et à Geant4-DNA, rappelons que le CENBG continue à proposer depuis 2004 une "machine virtuelle Geant4", également en téléchargement libre, permettant d'émuler une station de travail Linux^(TM) directement équipée avec la dernière version de Geant4. Cette machine est notamment régulièrement utilisée durant les formations à Geant4 et à Geant4-DNA, tant en France qu'à l'étranger.

 

Références

• ¹Int. J. Model. Simul. Sci. Comput. 1 (2010) 157–178 ;
• ²Med. Phys. 37 (2010) 4692-4708 ;
• ³Phys. Med. 31 (2015) 861-874 ;
• ⁴Access to Infrastructures for Radiation protection Research (AIR2) / CONCERT newsletter, Issue 28 (2018) ;
• ⁵Phys. Med. 48 (2018) 146-155 ;
• ⁶Sc. Rep. 7 (2017) 11923 ;
• ⁷Med. Phys. 45 (2018) e722-e739.

 

Pour en savoir plus

• Le site web de Geant4-DNA ;
• Le site web de Geant4 ;
• La machine virtuelle Geant4 du CENBG ;
• 3ème conférence internationale "Geant4 à l'interface Physique-Médecine-Biologie", 29-31 Octobre 2018, Bordeaux.

 

Contacts chercheurs

• Sébastien Incerti, chercheur CNRS (équipe iRiBio, CENBG), porte-parole de la collaboration Geant4-DNA ;
• Hervé Seznec, chercheur CNRS (équipe iRiBio, CENBG).