Real-time assay of DNA damage by therapeutic radiation beams with silicon nano tweezers and microfluidic setup

par Grégoire Perret

Thèse de doctorat en Micro et Nano Technologies, Acoustique et Télécommunications

Sous la direction de Fabrizio Cleri et de Dominique Collard.

  • Titre traduit

    Caractérisation en temps réel, des dommages subis par l’ADN sous un faisceau d’irradiation thérapeutique, par le silicon nano tweezers et son dispositif microfluidique


  • Résumé

    Dans les premières années de la radiothérapie, les mécanismes d’action et les effets secondaires des radiations ionisantes n’étaient que faiblement compris. La génétique moléculaire a clairement montré les dommages causés par ses radiations sur l’ADN des cellules. Cependant, le rayonnement ne distinguant pas les cellules saines des cellules tumorales, les plus grandes avancées modernes en radiothérapie sont concentrées sur l'amélioration de la précision de la dose délivrée. Avec un intérêt relativement bas pour la compréhension fondamentale des mécanismes de base des dégâts biologiques induits par irradiation.Dans le 1er chapitre de cette thèse, l’état de l’art conduit à considérer le Silicon Nano Tweezers (SNT) comme un excellent candidat pour l’exploration des champs méconnus de la radiothérapie. Le 2nd chapitre présente le SNT et sa capacité à caractériser en temps réel les propriétés biomécaniques de l’ADN. Le 3ème chapitre montre le dispositif entourant le SNT et évalue sa capacité à mesurer les caractéristiques d’un faisceau d’ADN en milieu liquide subissant le rude champ électromagnétique généré par la machine de radiothérapie : le Cyberknife. Le 4ème chapitre explique le protocole spécialement développé pour la caractérisation par le SNT de l’ADN en milieu liquide. Le 5ème chapitre présente les résultats clés, obtenus dans diverses conditions, de caractérisations mécaniques en temps réel de faisceau d’ADN irradiés par le Cyberknife. La dernière partie conclue finalement sur les possibilités et les perspectives offertes par la technologie des Microsystèmes électromécaniques dans l’avancée de la recherche en radiothérapie et en plus largement en médecine.


  • Résumé

    In the early days of radiotherapy, very little was known about the mechanism of action of ionizing radiation and its side effects. The understanding of molecular genetics has made it clear that radiation damages mainly the DNA of cells. However, since radiation does not distinguish between healthy and tumor cells, the largest improvement of the radiotherapy technology in modern days has concentrated on improving the precision of dose-deliver, with a comparatively lower interest in the fundamental understanding of the basic mechanisms of biological radiation damage.In the first chapter of this thesis, the state of the art conducts to consider the Silicon Nano Tweezers (SNT) as an excellent candidate to explore unknown field of the radiotherapy treatment. The second chapter introduces the SNT and explains its ability to conduct real-time biomechanical characterization of a DNA bundle. The third chapter shows the surrounding SNT setup, and evaluates its capability to measure the biomechanical characteristic of a DNA bundle in liquid under the harsh electromagnetic environment generated by a radiotherapy machine: the Cyberknife. The fourth chapter explains the protocol developed for the DNA characterization in liquid by the SNT. The fifth chapter presents some key results of real-time mechanical characterization of DNA bundles under the Cyberknife irradiation in several conditions, followed by a discussion based on the theoretical model of a randomly damaged DNA bundle. The last part finally concludes on the capability and perspective offered by Micro-electromechanical technologies to push the research in radiotherapy and in medicine.


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