Soutenance publique de thèse de doctorat en Sciences physiques - Lucas Schoenauen

Development and characterisation of a UHDR irradiation station on ALTAÏS: C. elegans as a new potent model for FLASH investigation

Jury

• Prof. Carine MICHIELS (UNamur), présidente
• Prof. Anne-Catherine HEUSKIN (UNamur), secrétaire
• Prof. Stéphane LUCAS (UNamur)
• Dr Rudi LABARBE (IBA)
• Prof. Joao SECO (Deutches Krebsforschungszentrum)

• Prof. Simon GALAS (Université de Monptellier)

Résumé

La radiothérapie constitue aujourd’hui l’un des traitements les plus utilisés contre le cancer. Chaque année, des millions de patients bénéficient d’irradiations visant à détruire les cellules tumorales. Malgré les progrès technologiques réalisés au cours des dernières décennies, le principal défi reste de limiter les dommages causés aux tissus sains situés à proximité de la tumeur. Depuis quelques années, une approche innovante appelée radiothérapie FLASH suscite un intérêt croissant. Cette technique consiste à délivrer la dose de rayonnement en une fraction de seconde, à des débits de dose extrêmement élevés. De nombreuses études suggèrent qu’elle pourrait réduire les effets secondaires tout en conservant l’efficacité du traitement contre la tumeur. Cependant, les mécanismes biologiques à l’origine de cet effet demeurent encore largement méconnus.
Cette thèse s’est attachée à relever deux défis majeurs. Le premier a consisté à développer et caractériser une plateforme expérimentale capable de produire de telles irradiations à ultra-haut débit de dose sur l’accélérateur ALTAÏS de l’Université de Namur. Ce travail a impliqué la conception de dispositifs d’irradiation, la validation dosimétrique des faisceaux et l’établissement de protocoles garantissant des conditions expérimentales fiables et reproductibles. Le second objectif a été d’introduire un nouvel organisme modèle pour l’étude de l’effet FLASH : le ver microscopique Caenorhabditis elegans (C. elegans). Facile à élever, peu coûteux, rapide à étudier et partageant de nombreux mécanismes biologiques avec les organismes plus complexes, ce modèle offre une alternative complémentaire aux modèles animaux traditionnellement utilisés.
Cette thèse a permis de démontrer que C. elegans constitue un modèle pertinent pour l’étude des réponses biologiques aux irradiations à ultra-haut débit de dose. L’analyse des effets de l’irradiation sur son développement et son système nerveux, dans différentes conditions expérimentales, a permis de mettre en évidence son potentiel pour l’étude des mécanismes associés à l’effet FLASH. Les résultats obtenus montrent que ce modèle offre une approche rapide, accessible et complémentaire aux modèles animaux conventionnels. Plus largement, ces travaux contribuent à une meilleure compréhension de la radiothérapie FLASH et fournissent de nouveaux outils expérimentaux pour explorer les mécanismes biologiques sous-jacent. À terme, ces avancées pourraient participer au développement de traitements de radiothérapie plus sûrs, limitant les effets secondaires et améliorant la qualité de vie des patients.

Abstract

Radiotherapy is one of the most widely used treatments for cancer and plays a central role in modern oncology. While technological advances have greatly improved the precision of radiation delivery, damage to healthy tissues surrounding the tumor remains a major limitation. In recent years, an innovative approach known as FLASH radiotherapy has attracted considerable attention. Unlike conventional radiotherapy, FLASH delivers the therapeutic radiation dose within a fraction of a second using ultra-high dose rates. A growing body of evidence suggests that this approach may reduce radiation-induced side effects in healthy tissues while maintaining the ability to control tumours. However, the biological mechanisms responsible for this protective effect remain poorly understood.
This thesis addressed two key challenges in FLASH research. The first was the development and characterization of an experimental platform capable of generating ultra-high dose rate irradiations using the ALTAÏS accelerator at the University of Namur. This work involved designing irradiation systems, validating beam dosimetry, and establishing robust experimental protocols to ensure accurate and reproducible exposure conditions. The second objective was to
introduce a new biological model for FLASH investigations: the microscopic nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans). This organism offers several advantages, including a short life cycle, ease of handling, low cost, and the conservation of many fundamental biological processes shared with higher organisms. These characteristics make it an attractive complementary model for studying radiation responses and exploring the mechanisms underlying the FLASH effect.
This thesis demonstrated the suitability of C. elegans as a model for investigating biological responses to ultra-high dose rate irradiation. Studies of developmental and neurobiological endpoints across multiple irradiation conditions highlighted its potential for mechanistic FLASH research. Together, these findings provide valuable tools to advance our understanding of the FLASH effect. More broadly, they contribute to the development of safer radiotherapy strategies aimed at reducing treatment-related toxicity and improving patient quality of life.

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