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Comment des accélérateurs d’électrons pourraient révolutionner le traitement du cancer

Victor Malka, mis à jour le 07.04.2016 à 12 h 55

Les physiciens des plasmas ont beaucoup à apporter aux médecins et biologistes.

Simulation numérique du sillage laser | Avec l’aimable autorisation d’A. Lifschitz/ Laboratoire d’optique appliquée

Simulation numérique du sillage laser | Avec l’aimable autorisation d’A. Lifschitz/ Laboratoire d’optique appliquée

L’apparition d’une nouvelle technologie de rupture dans la détection et le traitement des tumeurs cancéreuses, l’accélérateur à plasma laser, est en passe de modifier le paysage scientifique. Ce nouveau type d’accélérateur utilise un état particulier de la matière, le plasma, constitué d’électrons libres et d’ions. Par nature, il peut supporter des champs électriques 1.000 à 10.000 fois supérieurs à ceux utilisés dans les accélérateurs traditionnels.

Comment créer un plasma? Une impulsion laser très intense et très brève est dirigée vers une cible. Un plasma se forme: les électrons se dissocient des noyaux des atomes; les ions, eux, ne bougent pas. Du coup, des différences de charges apparaissent: un champ électrique ultra-intense est généré, capable de produire selon la nature de la cible des faisceaux d’électrons relativistes, de protons à quelques dizaines de MeV (millionélectronvolt) ou encore de rayons X à quelques dizaines de keV (kiloélectronvolt).

Le secret de cette nouvelle approche réside dans la manipulation ultra-rapide des électrons du plasma avec des impulsions laser. En contrôlant ce mouvement, il est possible de construire une carte de champ électrique dont les composantes peuvent accélérer les particules chargées ou les faire rayonner.

Schéma de principe de l’accélération plasma laser d’électrons (à gauche), de protons (au centre) et de production de rayonnement X bétatron (à droite) | Avec l’aimable autorisation de Victor Malka

Les récents progrès réalisés au Laboratoire d’optique appliquée, unité mixte de recherche (CNRS, ENSTA, École polytechnique) de l’Université Paris-Saclay, suggèrent des applications dans le domaine médical pour le traitement de certaines tumeurs cancéreuses. En particulier, la détection précoce des cancers du sein ou l’évaluation de l’intérêt radiobiologique des rayonnements ionisants.

Radiothérapie pulsée 

En radiothérapie, dans plus de 90% des cas, les patients sont traités en utilisant des machines délivrant des rayons X. Cette technique est très développée du fait du caractère compact de l’appareil et de son faible coût.

La radiothérapie pulsée avec faisceaux d’électrons de 250 MeV issus des accélérateurs laser plasma est une voie très prometteuse: les simulations numériques de dépôt de dose avec des faisceaux d’électrons issus des accélérateurs laser plasma ont ainsi affiché une amélioration de 20% de la qualité du traitement par rapport au traitement réalisé avec des photons X. Il s’agit également d’une thérapie qui serait économiquement plus avantageuse.

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La radiothérapie pulsée avec faisceaux d’électrons de 250 MeV améliore de 20% la qualité du traitement de la tumeur par rapport aux rayons X | Avec l’aimable autorisation de Victor Malka

La faisabilité des accélérateurs laser plasma pour la protonthérapie [une technique de radiothérapie qui vise à irradier les cellules cancéreuses avec des rayons de protons; NDLR] est toujours en cours de démonstration. Mais le sujet suscite l’intérêt de la communauté scientifique. Sur la base des études théoriques confirmées par des résultats expérimentaux récents, il semble possible de fabriquer des machines de taille et de coût réduits, capables de délivrer des faisceaux de protons utilisables cliniquement.

Traitement d’excellence démocratisé

Avec plus de 120.000 patients traités et près de cinquante centres en activité dans le monde, la protonthérapie a fait la preuve de son efficacité et constitue aujourd’hui un traitement d’excellence de certains cancers. Cependant, la mise en œuvre de cette technique nécessite actuellement une infrastructure lourde et coûteuse qui constitue un frein majeur à son implantation dans de nombreux hôpitaux.

La mise au point d’accélérateurs compacts permettrait leur implantation dans les services de radiothérapie et une plus grande disponibilité permettant aux cliniciens de disposer facilement des protons pour les traitements. Cette approche laser permettrait à terme de démocratiser ce traitement.

En marge de ces applications directes pour la radiothérapie, il convient d’étudier la réponse du milieu cellulaire soumis à ce type de rayonnement ionisant. Quels sont, en effet, les effets de débits de doses gigantesques délivrés sur des échelles de temps ultra-brèves? Des travaux de recherche visant à étudier le taux de survie et la vitesse de réparation des cellules sont en cours. Une, en particulier, laisse suggérer une différenciation entre les cellules saines et cancéreuses en amont de l’application en radiothérapie.

Toutes ces investigations permettront peut-être une meilleure compréhension du cancer. Elles ouvrent par ailleurs un nouvel axe de recherche concernant la capacité des cellules à se réparer et vont permettre la mise en place d’études sur le fractionnement, indispensable pour les protocoles de dépôts de dose optimisés.

Détection précoce

Les faisceaux de rayons X produits lors de l’accélération laser plasma (source bétatron) ou par rétrodiffusion laser sur le faisceau d’électrons (source Compton) permettent d’obtenir des images dans le domaine des rayons X de très bonne qualité. Grâce à ce que l’on appelle la cohérence spatiale de ces sources, il est possible d’obtenir des clichés d’intérêts médicaux avec une résolution sans précédent, de quelques micromètres.

Appliqués aux cancers du sein, ils permettront une détection très précoce avec une dose minimale. Aujourd’hui réalisée, en utilisant de grandes et coûteuses installations, cette technique d’imagerie démontrée sur des petits animaux avec les accélérateurs laser plasma devrait voir sous peu son application dans le domaine médical.

Ce nouveau champ scientifique ouvre des collaborations entre physiciens des plasmas, médecins et biologistes. Il s’agira peut-être, à terme, d’une véritable technologie de rupture qui devra auparavant être validée par des essais cliniques autant que par des recherches fondamentales.

The Conversation

 

Victor Malka
Victor Malka (1 article)
Directeur de recherche CNRS
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