Caractérisation de la composante toxicocinétique du facteur d’ajustement pour la variabilité interindividuelle utilisé en analyse du risque toxicologique

Un facteur d’incertitude de 10 est utilisé par défaut lors de l’élaboration des valeurs toxicologiques de référence en santé environnementale, afin de tenir compte de la variabilité interindividuelle dans la population. La composante toxicocinétique de cette variabilité correspond à racine de 10, soit 3,16. Sa validité a auparavant été étudiée sur la base de données pharmaceutiques colligées auprès de diverses populations (adultes, enfants, aînés). Ainsi, il est possible de comparer la valeur de 3,16 au Facteur d’ajustement pour la cinétique humaine (FACH), qui constitue le rapport entre un centile élevé (ex. : 95e) de la distribution de la dose interne dans des sous-groupes présumés sensibles et sa médiane chez l’adulte, ou encore à l’intérieur d’une population générale. Toutefois, les données expérimentales humaines sur les polluants environnementaux sont rares. De plus, ces substances ont généralement des propriétés sensiblement différentes de celles des médicaments. Il est donc difficile de valider, pour les polluants, les estimations faites à partir des données sur les médicaments. Pour résoudre ce problème, la modélisation toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été utilisée pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes lors de l’exposition aux polluants. Cependant, les études réalisées à ce jour n’ont que peu permis d’évaluer l’impact des conditions d’exposition (c.-à-d. voie, durée, intensité), des propriétés physico/biochimiques des polluants, et des caractéristiques de la population exposée sur la valeur du FACH et donc la validité de la valeur par défaut de 3,16. Les travaux de la présente thèse visent à combler ces lacunes. À l’aide de simulations de Monte-Carlo, un modèle TCBP a d’abord été utilisé pour simuler la variabilité interindividuelle des doses internes (c.-à-d. chez les adultes, ainés, enfants, femmes enceintes) de contaminants de l’eau lors d’une exposition par voie orale, respiratoire, ou cutanée. Dans un deuxième temps, un tel modèle a été utilisé pour simuler cette variabilité lors de l’inhalation de contaminants à intensité et durée variables. Ensuite, un algorithme toxicocinétique à l’équilibre probabiliste a été utilisé pour estimer la variabilité interindividuelle des doses internes lors d’expositions chroniques à des contaminants hypothétiques aux propriétés physico/biochimiques variables. Ainsi, les propriétés de volatilité, de fraction métabolisée, de voie métabolique empruntée ainsi que de biodisponibilité orale ont fait l’objet d’analyses spécifiques. Finalement, l’impact du référent considéré et des caractéristiques démographiques sur la valeur du FACH lors de l’inhalation chronique a été évalué, en ayant recours également à un algorithme toxicocinétique à l’équilibre. Les distributions de doses internes générées dans les divers scénarios élaborés ont permis de calculer dans chaque cas le FACH selon l’approche décrite plus haut. Cette étude a mis en lumière les divers déterminants de la sensibilité toxicocinétique selon le sous-groupe et la mesure de dose interne considérée. Elle a permis de caractériser les déterminants du FACH et donc les cas où ce dernier dépasse la valeur par défaut de 3,16 (jusqu’à 28,3), observés presqu’uniquement chez les nouveau-nés et en fonction de la substance mère. Cette thèse contribue à améliorer les connaissances dans le domaine de l’analyse du risque toxicologique en caractérisant le FACH selon diverses considérations.

Planification de traitements de curiethérapie du sein à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique

Ce mémoire présente l’étude de la faisabilité de la planification de traitements pour la curiethérapie interstitielle du sein en utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) seule au lieu de l’imagerie par tomodensitométrie (CT). L'imagerie CT étant la référence, la mesure des différences observables sur la distribution de doses provenant des deux types d’imagerie a été effectuée. Des fantômes de seins ont été fabriqués et utilisés, ainsi que l’imagerie de patients. La taille des fantômes en fonction du positionnement dans l’appareil d’IRM et la longueur reconstruite des cathéters ont été analysées. Les différences dans les distributions de doses de fantômes et de patients ont été calculées en s’assurant que la reconstruction des cathéters provenant des images CT et IRM est la seule variable. La différence dans les critères de doses à respecter est plus grande lorsque la taille du fantôme et/ou un déplacement latéral dans l’IRM sont plus grands. La longueur reconstruite des cathéters est comparable entre les deux techniques d’imagerie. Pour le petit fantôme des différences <2% ont été observées pour tous les critères de dose. Pour le grand fantôme et pour les patients, une valeur maximale de 5% est observée pour les critères sur la cible, mais peut atteindre 19% pour le critère Externe V150%/V100% pour le grand fantôme et 33% pour les patients. Par contre, le seuil clinique de ce critére est toujours respecté. Ceci nous indique que pour la plupart des patients, la zone à traiter serait bien couverte en utilisant les images IRM uniquement pour planifier.

Accumulation de dose à partir de champs de déformation 4D appliqués aux traitements au CyberKnife et à l'IMRT

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D.

Accumulation de dose à partir de champs de déformation 4D appliqués aux traitements au CyberKnife et à l'IMRT

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D.

Effects of azadirachtin on six inorganic cation distributions in Ostrinia furnacalis (G.)

Azadirachtin (Az), as a botanical insecticide, is relatively safe and biodegradable. It affects a wide vaariety of biological processes, including the reduction of feeding, suspension of molting, death of larvae and pupae, and sterility of emerged adults in a dose-dependent manner. However, the mode of action of this toxin remains obscure. By using ion chromatography, we analyzed changes in six inorganic cation (Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, and Ca2+) distributions of the whole body and hemolymph in Ostrinia furnacalis (G.) after exposure to sublethal doses of Az. The results showed that Az dramatically interfered with Na+, NH4+, K+, Mg2+, and Ca2+ distributions in hemolymph of O. furnacalis (G.) and concentrations of these five cations dramatically increased. However, in the whole body, the levels of K+, Mg2+, and Ca2+ significantly, decreased after exposure to Az, except that Na+ and NH4+ remained constant. Li+ was undetected in both the control and treated groups in the whole body and hemolymph. It is suggested that Az exerts its insecticidal effects on O. furnacalis (G.) by interfering with the inorganic cation distributions related to ion channels.

Peanut Allergen Threshold Study (PATS): validation of eliciting doses using a novel single-dose challenge protocol

Background: The eliciting dose (ED) for a peanut allergic reaction in 5% of the peanut allergic population, the ED05, is 1.5 mg of peanut protein. This ED05 was derived from oral food challenges (OFC) that use graded, incremental doses administered at fixed time intervals. Individual patients’ threshold doses were used to generate population dose-distribution curves using probability distributions from which the ED05 was then determined. It is important to clinically validate that this dose is predictive of the allergenic response in a further unselected group of peanut-allergic individuals. Methods/Aims: This is a multi-centre study involving three national level referral and teaching centres. (Cork University Hospital, Ireland, Royal Children’s Hospital Melbourne, Australia and Massachusetts General Hospital, Boston, U.S.A.) The study is now in process and will continue to run until all centres have recruited 125 participates in each respective centre. A total of 375 participants, aged 1–18 years will be recruited during routine Allergy appointments in the centres. The aim is to assess the precision of the predicted ED05 using a single dose (6 mg peanut = 1.5 mg of peanut protein) in the form of a cookie. Validated Food Allergy related Quality of Life Questionnaires-(FAQLQ) will be self-administered prior to OFC and 1 month after challenge to assess the impact of a single dose OFC on FAQL. Serological and cell based in vitro studies will be performed. Conclusion: The validation of the ED05 threshold for allergic reactions in peanut allergic subjects has potential value for public health measures. The single dose OFC, based upon the statistical dose-distribution analysis of past challenge trials, promises an efficient approach to identify the most highly sensitive patients within any given food-allergic population.

Evaluation of organ-specific peripheral doses after 2-dimensional, 3-dimensional and hybrid intensity modulated radiation therapy for breast cancer based on Monte Carlo and convolution/superposition algorithms: implications for secondary cancer risk assessment.

To make a comprehensive evaluation of organ-specific out-of-field doses using Monte Carlo (MC) simulations for different breast cancer irradiation techniques and to compare results with a commercial treatment planning system (TPS). Three breast radiotherapy techniques using 6MV tangential photon beams were compared: (a) 2DRT (open rectangular fields), (b) 3DCRT (conformal wedged fields), and (c) hybrid IMRT (open conformal+modulated fields). Over 35 organs were contoured in a whole-body CT scan and organ-specific dose distributions were determined with MC and the TPS. Large differences in out-of-field doses were observed between MC and TPS calculations, even for organs close to the target volume such as the heart, the lungs and the contralateral breast (up to 70% difference). MC simulations showed that a large fraction of the out-of-field dose comes from the out-of-field head scatter fluence (>40%) which is not adequately modeled by the TPS. Based on MC simulations, the 3DCRT technique using external wedges yielded significantly higher doses (up to a factor 4-5 in the pelvis) than the 2DRT and the hybrid IMRT techniques which yielded similar out-of-field doses. In sharp contrast to popular belief, the IMRT technique investigated here does not increase the out-of-field dose compared to conventional techniques and may offer the most optimal plan. The 3DCRT technique with external wedges yields the largest out-of-field doses. For accurate out-of-field dose assessment, a commercial TPS should not be used, even for organs near the target volume (contralateral breast, lungs, heart).

A critical evaluation of secondary cancer risk models applied to Monte Carlo dose distributions of 2-dimensional, 3-dimensional conformal and hybrid intensity-modulated radiation therapy for breast cancer

The comparison of radiotherapy techniques regarding secondary cancer risk has yielded contradictory results possibly stemming from the many different approaches used to estimate risk. The purpose of this study was to make a comprehensive evaluation of different available risk models applied to detailed whole-body dose distributions computed by Monte Carlo for various breast radiotherapy techniques including conventional open tangents, 3D conformal wedged tangents and hybrid intensity modulated radiation therapy (IMRT). First, organ-specific linear risk models developed by the International Commission on Radiological Protection (ICRP) and the Biological Effects of Ionizing Radiation (BEIR) VII committee were applied to mean doses for remote organs only and all solid organs. Then, different general non-linear risk models were applied to the whole body dose distribution. Finally, organ-specific non-linear risk models for the lung and breast were used to assess the secondary cancer risk for these two specific organs. A total of 32 different calculated absolute risks resulted in a broad range of values (between 0.1% and 48.5%) underlying the large uncertainties in absolute risk calculation. The ratio of risk between two techniques has often been proposed as a more robust assessment of risk than the absolute risk. We found that the ratio of risk between two techniques could also vary substantially considering the different approaches to risk estimation. Sometimes the ratio of risk between two techniques would range between values smaller and larger than one, which then translates into inconsistent results on the potential higher risk of one technique compared to another. We found however that the hybrid IMRT technique resulted in a systematic reduction of risk compared to the other techniques investigated even though the magnitude of this reduction varied substantially with the different approaches investigated. Based on the epidemiological data available, a reasonable approach to risk estimation would be to use organ-specific non-linear risk models applied to the dose distributions of organs within or near the treatment fields (lungs and contralateral breast in the case of breast radiotherapy) as the majority of radiation-induced secondary cancers are found in the beam-bordering regions.