Des protons accélérés par laser pour lutter contre le cancer

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Des chercheurs du CNRS et du CEA ont franchi un pas important dans la recherche d'un dispositif de protonthérapie qui pourrait à terme être une solution plus performante, plus compacte et moins coûteuse que les installations actuelles. La protonthérapie est utilisée pour traiter les tumeurs qui nécessitent une grande précision (cerveau, zones proches de la moelle épinière, œil). Aujourd'hui, la capacité d'accueil des centres de protonthérapie d'Orsay et de Nice est inférieure au nombre de patients à traiter. La méthode innovante explorée par les chercheurs, qui utilise des impulsions laser de haute intensité pour accélérer les protons, pourrait à terme permettre de démocratiser encore plus ce type de traitement.

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Crédits : Centre de protonthérapie d'Orsay

La protonthérapie est un traitement efficace contre les cancerscancers situés dans des zones inaccessibles aux instruments du chirurgien ou difficiles à traiter par radiothérapieradiothérapie : les rayons X endommageraient les tissus qu'ils traversent avant d'atteindre la tumeurtumeur. Il s'agit des cancers dans le cerveaucerveau, dans des zones proches de la moelle épinièremoelle épinière ou encore à l'intérieur de l'œilœil. Contrairement aux rayons X, les faisceaux de protons déposent leur énergie principalement en fin de course (ils n'abîment pas les tissus traversés). En outre, ils permettent de cibler une tumeur au millimètre près.

Aujourd'hui, les seuls centres de protonthérapie français sont ceux d'Orsay et de Nice (ce dernier se limite aux traitements oculaires). Ils fonctionnent avec des accélérateurs conventionnels (des cyclotrons), où une combinaison de champs magnétiqueschamps magnétiques et électriques accélère les protons jusqu'aux énergies nécessaires aux applicationsapplications médicales (60 MeV à Nice et 300 MeV à Orsay). Le centre de protonthérapie d'Orsay, service de l'Institut Curie, amorce actuellement un projet d'extension et de modernisation qui va aboutir en 2009 à une capacité de traitement de 650 patients par an. Un troisième centre, utilisant des ionsions carbonecarbone en plus des protons, devrait être mis en service à Lyon vers 2010. Il coûtera environ 120 millions d'euros et occupera un bâtiment entier. Ces projets ne permettront toutefois de répondre que partiellement aux besoins en matièrematière de traitement.

Les chercheurs du CNRS et du CEA ont utilisé une technique alternative pour produire des protons candidats à la protonthérapie : un laserlaser pulsé de haute intensité focalisé sur une cible métallique. Le laser est suffisamment puissant pour provoquer l'arrachage de protons situés à l'arrière de la cible. Cette technique présente plusieurs avantages. D'une part, elle permet de réaliser des accélérateurs compacts, car elle revient à créer un accélérateur linéaire microscopique : en parcourant 10 micronsmicrons, les protons initialement au repos acquièrent une énergie de plusieurs dizaines de MeV. Compte-tenu des équipements annexes, une installation productrice de protons tient dans une pièce (au lieu d'un bâtiment entier pour un cyclotron) : elle pourrait être installée au sein des hôpitaux. Le faisceau laser serait facilement « transportable » par un jeu de miroirsmiroirs jusqu'au patient, là où les cyclotrons exigent des équipements lourds pour transporter les protons de haute énergie sur quelques dizaines de mètres. D'autre part, cette technique pourrait réduire substantiellement le coût global des installations de protonthérapie en réduisant non seulement le coût de la source de protons (l'installation de recherche en cours de constructionconstruction au LULI ne vaut que quelques millions d'euros) mais aussi celui de l'infrastructure.

Cependant, les protons ainsi produits ne sont pas encore assez énergétiques : ils atteignent au mieux 60 MeV, soit le minimum requis pour les applications médicales dans le traitement de l'œil. Les autres tissus, plus denses, requièrent plus d'énergie (de 250 à 300 MeV). En outre, les protons ne sont pas encore produits à une cadence suffisante. L'article à paraître dans Nature Physics s'appuie sur de nombreux résultats tant théoriques qu'expérimentaux reliant les propriétés des protons accélérés aux caractéristiques de la cible et de l'impulsion laser. A l'aide de ce modèle, les chercheurs ont défini les paramètres du laser idéal pour la protonthérapie : c'est un laser pulsé dont les impulsions auraient une énergie d'environ 100 JoulesJoules (à impulsions ultra-courtes) et une duréedurée d'une fraction de picosecondespicosecondes, dont la cadence est de 10 HzHz. Un tel laser, de forte puissance, capable de tirer à haute cadence, représente un saut technologique par rapport aux lasers actuels. Les chercheurs du Luli et du Loa sont en train de le construire et prévoient de l'avoir achevé dans deux ans.