Cancer treatment is a global challenge, and the FLASH effect in radiotherapy offers a promising alternative to traditional therapies. FLASH radiotherapy involves delivering high radiation doses in a short period of time, reducing damage to healthy tissue while providing effective tumor control. Understanding the complex interactions between ionizing radiation and biological matter is essential for optimizing this effect. In-depth knowledge of the underlying mechanisms of the FLASH effect would unlock its full clinical potential.
This thesis relies on the general-purpose Geant4 Monte Carlo toolkit and its Geant4-DNA extension to explore two potential FLASH effect mechanisms: oxygen depletion and inter-track interaction of radio-induced species. The aim was to establish a connection between changes in these physico-chemical parameters shortly after exposure to ionizing radiation and the subsequent manifestation of the FLASH effect. We focused on developing a simulation environment mirroring experimental conditions of a FLASH-validated electron beam, the Oriatron eRT6 linac. Key developments include extending Geant4-DNA modeling of water radiolysis to cover longer time periods, adding scavengers in water, and modeling the beam pulse structure. Experimentally validating simulation results whenever possible, we have notably determined oxygen depletion and investigated the effect of irradiation parameters on radiolytic species production.
Consistent with existing literature, the results obtained do not support the oxygen depletion hypothesis as the sole explanation for the FLASH effect. Regarding irradiation parameters, the dose-per-pulse clearly affects the production of key species such as •OH, O•−, and H2O2. As the dose-per-pulse increased, we observed a faster decrease in •OH, reduced production and lifetime of O•−, and less of the final product H2O2. This dynamic is likely the result of the high density of radiolytic species generated by the ultra-high dose rate. The pulse temporal structure did not affect the long-term evolution of these species, but the configuration of the pulse train appears to impact the overall dynamics of this evolution. Pulse delivery parameters, such as the number of pulses and the total irradiation time, are important to consider and should be further studied.
Despite the conducted investigations, much remains unclear about ultra-high dose rate irradiation and its relationship with the FLASH effect. However, this should not hinder the progress of FLASH radiotherapy towards clinical use. Cancer is a major public health challenge, and harnessing the benefits of this approach is crucial. The road ahead may be challenging, but efforts to improve cancer treatment must continue, driven by the promise of FLASH radiotherapy.
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Le traitement du cancer est un défi mondial, et l’effet FLASH en radiothérapie offre une alternative prometteuse aux thérapies traditionnelles. La radiothérapie FLASH consiste à délivrer de fortes doses de rayonnement en un temps court, permettant ainsi de réduire les dommages causés aux tissus sains tout en assurant un contrôle efficace des tumeurs. Comprendre les interactions entre rayonnement ionisant et matière biologique est essentiel pour optimiser cet effet. Une connaissance approfondie des mécanismes permettrait de libérer tout son potentiel clinique.
Cette thèse s’appuie sur le code Monte Carlo Geant4 et son extension Geant4-DNA pour explorer deux mécanismes potentiels de l’effet FLASH: la déplétion en oxygène et l’interaction inter-pistes des espèces radio-induites. L’objectif était d’établir un lien entre les modifications de ces paramètres et l’effet FLASH. Nous nous sommes concentrés sur le développement d’un environnement de simulation reflétant les conditions expérimentales d’un faisceau d’électrons validé pour le FLASH, le linac Oriatron eRT6. Les développements clés du code comprennent l’extension de la radiolyse de l’eau pour couvrir des périodes de temps plus longues, l’ajout de piégeurs dans l’eau, et la modélisation de la structure en impulsion du faisceau. En validant expérimentalement les résultats autant que possible, nous avons notamment déterminé la déplétion en oxygène et étudié l’effet de paramètres d’irradiation sur la production d’espèces radiolytiques.
Conformément à la littérature, les résultats obtenus ne confirment pas la déplétion en oxygène comme explication de l’effet FLASH. Concernant les paramètres d’irradiation, nous avons observé une diminution plus rapide de •OH, une production et durée de vie de O•− réduite, et moins de produit final H2O2 à mesure que la dose par impulsion augmentait. Cette dynamique est probablement le résultat de la forte densité d’espèces radiolytiques générées par le débit de dose très élevé. La structure temporelle de l’impulsion n’a pas affecté l’évolution de ces espèces, mais la configuration du train d’impulsions semble avoir un impact sur la dynamique globale de cette évolution. Les paramètres tels que le nombre d’impulsions et la durée totale d’irradiation sont importants à prendre en compte et devraient faire l’objet d’études plus approfondies.
Il reste encore beaucoup à apprendre sur l’irradiation à ultra-haut débit de dose et sa relation avec l’effet FLASH. Toutefois, cela ne devrait pas entraver les progrès de la radiothérapie FLASH en vue d’une utilisation clinique. Le cancer est un problème majeur de santé publique et il est essentiel d’exploiter les avantages de cette approche. Le chemin à parcourir reste un défi, mais les efforts doivent se poursuivre, portés par la promesse de la radiothérapie FLASH.