La est l'étude des effets biologiques des rayonnements, notamment des rayonnements ionisants, sur les êtres vivants : sensibilité d'espèces, radiosensibilité individuelle ou pathologique ( syndrome de Gorlin), groupes vulnérables… C'est aussi l'étude des moyens de se préserver des effets délétères de certains rayonnements et l'étude des traitements à suivre en cas de contamination et/ou irradiation. C'est enfin une branche de la biologie médicale qui emploie des techniques radiologiques permettant l'investigation du corps humain. Plus largement, il s'agit de l'ensemble des techniques d'analyses des liquides biologiques qui utilisent un ou des radio-isotopes comme s.
La radiobiologie actuelle bénéficie d'innombrables découvertes en cinétique cellulaire et en biologie moléculaire. Elle est un apport primordial à l'évolution de la radiopathologie, de la radiothérapie et de la radioprotection.
Études des moyennes et fortes doses vignette|Nécrose des doigts d'un radiologue du début du , causée par l'exposition répétée aux fortes radiations.
Les rayons X et la radioactivité sont découverts presque simultanément, en 1895 et 1896 respectivement. On les croit initialement inoffensifs, mais les effets nocifs des irradiations aux fortes doses apparaissent rapidement. Pour les rayons X, la première étude documentant les effets sur la peau paraît dès 1896, le premier cas clinique de syndrome d'irradiation aiguë paraît dès 1897, et le premier cancer de la peau radio-induit (chez un opérateur de radiologie) est décrit en 1902. Dès 1904, un assistant de Thomas Edison meurt d'un cancer radio-induit. Le premier cancer expérimental est provoqué chez l'animal en 1910. Plus tard, Henri Becquerel et Pierre et Marie Curie présenteront des brûlures parce qu'ils manipulaient sans précaution des produits radioactifs. La guerre de 1914-1918 recourt massivement à la radiologie médicale, et le nombre de lésions radio-induites est très élevé. Enfin l’action mutagène possible des rayonnements ionisants est suggérée en 1927D'après Risques sanitaires liés aux radiations.
De nombreuses études épidémiologiques ont permis d'estimer les effets stochastiques (principalement l'apparition de leucémies à court terme et de cancers à long terme) des rayonnements ionisants pour des expositions entre 200 millisieverts et 5 sieverts. Il n'y a guère de contestation sur le fait que ces doses produisent des effets observables, et ces effets suivent le plus souvent une loi linéaire, c'est-à-dire que le risque de développer un cancer croît proportionnellement aux doses reçues Little « Risks associated with low doses and low dose rates of ionizing radiations: Why Linearity May Be (Almost) the Best We Can Do » Radiology 2009;251:6-12.. Certaines exceptions sont cependant connues, par exemple l’observation des cancers osseux induits par le radium 226 et des cancers du foie induits par le Thorotrast, ou les leucémies induites à Hiroshima et chez les patients traités par l’iode radioactif . Guy de Thé et Maurice Tubiana. Communiqué adopté le 4 décembre 2001..
La relation entre la dose d'irradiation et ses effets se fonde principalement sur les cohortes de survivants des bombardements atomiques de Hiroshima et Nagasaki. Leur observation entre 1950 et l'an 2000 a montré, sur une cohorte d'environ survivants, un excès de décès de 479 cancers et 93 leucémies The somatic effects of exposure to atomic radiation: The Japanese experience, 1947–1997 Dale L. Preston « Effect of Recent Changes in Atomic Bomb Survivor Dosimetry on Cancer Mortality Risk Estimates » Radiation Research 2004;162:377-89.. L'excès de cancers est significatif pour les doses supérieures à 100 millisieverts, et le nombre de cancers augmente d'une manière approximativement proportionnelle à la dose reçue.
Ainsi, une étude cas-témoins danoise a pu conclure que l'exposition chronique et domestique au radon domestique combinée à la pollution automobile de l'air augmentait significativement le risque de leucémie infantile Raaschou-Nielsen O. « Indoor radon and childhood leukaemia » Radiat Prot Dosimetry. 2008;132:175-81. Bräuner EV, Andersen CE, Andersen HP, Gravesen P, Lind M, UlbakK, Hertel O, Schüz J, Raaschou-Nielsen O. « Is there any interactionbetween domestic radon exposure and air pollution from traffic inrelation to childhood leukemia risk? » Cancer Causes Control. 2010 ;21:1961-4. ; cependant l'effet constaté par cette étude étant décelé pour des expositions au radon supérieures à 1000 Bq/(m·an) (qui correspondrait à une exposition de l'ordre de 200 mSv).
Il y a de fortes incertitudes sur les doses effectivement reçues par les survivants, et ceux exposés à de très fortes doses ont majoritairement succombé aux conséquences immédiates des explosions. Néanmoins, en fittant par une droite la courbe d'excès relatif de cancers en fonction de l'exposition, et en intégrant différents coefficients correctifs, on obtient le coefficient de risque de cancer radio-induit, soit 10 % par sievert, et le coefficient de risque de décès par cancer radio-induit, soit 5 % par sievert. En l'absence de données permettant d'atteindre davantage de précision, ces ratios de 10 % de cancer supplémentaires et de 5 % de décès par cancers supplémentaires pour chaque sievert reçu sont généralement acceptés, et ils servent de fondement aux estimations du risque retenues par la commission internationale de protection radiologique dans le cadre du modèle linéaire sans seuil.
Pour les cohortes de survivants des bombardements atomiques comme dans les autres études épidémiologiques, les études qui concluent à un effet de faibles doses d'irradiation ne détectent effectivement cet effet que sur des doses supérieures ou égales à 100 millisieverts.
D'autres populations exposées aux rayonnements ionisants ont été étudiées : travailleurs de l'industrie nucléaire, liquidateurs à Tchernobyl, personnel volant dans le transport aérien, opérateurs et médecins en radiologie, population vivant à proximité d'installations nucléaires, etc Ethel S. Gilbert, « Ionizing Radiation and Cancer Risks: What Have We Learned From Epidemiology? » International Journal of Radiation Biology 2009;85(6):467-82..
L'irradiation des survivants des bombardements atomiques a eu lieu sur un laps de temps court, avec un débit de dose élevé. Pour les effets d'expositions prolongées à faible débit de dose, l'étude autorisant potentiellement la plus grande puissance statistique est celle du suivi des riverains de la rivière Techa. Ceux-ci ont été exposés de manière chronique à une faible radioactivité issue de l'usine de Mayak (au sud de l'Oural en Russie) ; celle-ci a produit du plutonium militaire à partir de 1948, et déversait initialement ses déchets directement dans la rivière. L'usine a également contaminé les environs (mais à un moindre niveau)Mayak Health Report lors de la catastrophe nucléaire de Kychtym en 1957, classée au niveau 6 de l'échelle INES.
Une cohorte de 29 756 personnes qui avait été exposée à cette pollution radioactive y est suivie depuis 1967Cohorte suivie par les médecins du centre médical de recherche sur les effets des radiations de l'Oural (URCRM). Cette population a connu une exposition interne chronique par absorption et fixation de césium 137, strontium 90 et strontium 89 principalement via l'eau et/ou la nourriture. La dose moyenne cumulée à la moelle osseuse est estimée à 0,3 grays, résultant à 92 % de l'exposition interneKrestinina L, Preston DL, Davis FG, Epifanova S, Ostroumova E,Ron E, Akleyev A. Leukemia incidence among people exposed to chronic radiation from the contaminated Techa River, 1953-2005. Radiat Environ Biophys. 2010 ; 49 : 195-201..
Des études par cas témoins sur la mortalité au sein de cette cohorte avaient dès 1999 mis en évidence une association significative entre exposition aux radiations et tous les types de leucémies. Selon les données disponibles en 2005, l’excès de risque relatif (ERR) de leucémie (hors leucémie lymphoide chronique) présente une dépendance linéaire à la dose à la moelle osseuse avec un coefficient d'ERR par gray de 4,9. Cette dépendance est statistiquement significative, et 59 % des leucémies (hors leucémies lymphoïdes chroniques) observées dans cette cohorte peuvent être attribuées à l’exposition aux rayonnements ionisants. L'ERR est significativement supérieur à 1 dès 0,2 Gy. Une étude cas-témoins menée sur un petit nombre de sujets extraits de la cohorte (83 cas de leucémies et 415 sujets témoins) n'indique de résultats statistiquement significatifs que pour des expositions calculées supérieures au grayRisk analysis of leukaemia incidence among people living along the Techa River: a nested case-control study, Ostroumova et al, Journal of radiological protection 26 (2006) 17–32..
Ces études ne permettent d'estimer que les effets de doses supérieures ou égales à chez l'adulte. L'extrapolation de ces constantes et de ce modèle linéaire en dessous de cette limite est l'objet du débat sur les faibles doses.
Les phénomènes biochimiques Rappel sur les rayonnements ionisants
Un rayonnement est dit « ionisant » lorsque celui-ci est susceptible de provoquer l'arrachement des électrons périphériques de la matière. Pour cela, il est nécessaire que l'énergie du rayonnement incident soit suffisante pour arracher un électron, c'est-à-dire que cette énergie soit supérieure à l'énergie de liaison minimale des électrons du milieu.
On distingue deux types de rayonnements ionisants :
Rayonnement directement ionisant C'est un rayonnement constitué de particules chargées électriquement : Particules lourdes : protons, deutons; ions lourds Particules légères: électrons
Rayonnement indirectement ionisant C'est un rayonnement particulaire et/ou électromagnétique non-chargé électriquement : Photons (rayons X ou gamma) Neutrons
Les effets des radiations sur la matière vivante sont le résultat final d’événements physiques initiaux. Le rayonnement ionisant agit par transfert d'énergie à la matière et l'effet biologique final résulte d'une chaîne d’événements physiques et de transformations chimiques qui sont déclenchés par les phénomènes d'ionisation.
Effets physiques et chimiques L'effet d'un rayonnement ionisant se manifeste dans un premier temps par une interaction entre le rayonnement et la matière : en quelques nanosecondes, le rayonnement interagit avec les électrons périphériques de la matière biologique, provoquant l'apparition au sein du tissu irradié d'atomes excités, puis des ionisations.
Les interactions radiochimiques sont qualitativement identiques pour tous les rayonnements ionisants et interviennent dans un délai très court (10 secondes).
Action directe La molécule ionisée est devenue instable. Lors de la réorganisation du cortège électronique elle expulse l'excédent d'énergie, soit par émission de photons de fluorescence soit par rupture de liaison, ce qui peut entraîner une altération de son activité biochimique ou sa destruction. Après quelques microsecondes, l'excitation et l'ionisation entraînent l'apparition de radicaux libres, fortement réactifs.
L'organisme humain est constitué de plus de 2/3 d'eau. Sous l'action du rayonnement ionisant, les molécules d'eau se décomposent pour donner des radicaux libres.
Action indirecte La molécule interagit avec les radicaux libres engendrés par la radiolyse de l'eau.