La protonthérapie est un traitement efficace contre les cancers situés dans des zones inaccessibles aux instruments du chirurgien ou difficiles à traiter par radiothérapie : les rayons X endommageraient les tissus qu’ils traversent avant d’atteindre la tumeur. Il s’agit des cancers dans le cerveau, dans des zones proches de la moelle épinière ou encore à l’intérieur de l’œil. 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 magnétiques et électriques accélère les protons jusqu’aux énergies nécessaires aux applications 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 ions carbone 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 matière de traitement.

Les chercheurs du CNRS et du CEA ont utilisé une technique alternative pour produire des protons candidats à la protonthérapie : un laser 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 cible³. 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 microns, 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 miroirs 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 construction 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 Joules (à impulsions ultra-courtes) et une durée d’une fraction de picosecondes, dont la cadence est de 10 Hz. 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 construire⁴ et prévoient de l’avoir achevé dans deux ans.

 

1. Du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI, UMR CNRS/CEA/Ecole Polytechnique/Paris 6), du Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA, UMR CNRS/ENSTA/Ecole Polytechnique) et du Centre de Physique Théorique (CPhT, UMR CNRS/Ecole Polytechnique)
2. Du Département de Physique Théorique et Appliquée de la Direction des Applications Militaires, à Bruyères-le-Châtel
3. Le laser ionise les atomes de la cible et pousse des électrons vers la face arrière. Là, ces électrons créent un champ électrique qui ionise et accélère les ions situés sur cette face. Parmi ces ions se trouvent des protons issus d’une couche de plastique déposée à l’arrière de la cible (ou seulement de vapeur d’eau restée sur la cible dans la chambre sous vide). On sépare ensuite les protons des ions plus lourds, puis on les refocalise avec un autre dispositif innovant : une «micro-lentille» cylindrique (découverte récente réalisée par le même groupe de recherche), dont le fonctionnement est lui aussi basé sur l’interaction laser-matière.
4. Dans ce nouveau laser, les photons sont issus d’amplificateurs stimulés par des diodes laser plutôt que des classiques lampes flashs, ce qui résout à la fois le problème de la rentabilité énergétique du dispositif et de l’échauffement des matériaux amplifiant le laser (facteur limitant de la cadence).

 

 

Bibliographie

 

Laser-driven proton scaling laws and new paths towards energy increase, J. Fuchs, P. Antici, E. d’Humières, E. Lefebvre, M. Borghesi, E. Brambrink, C. A. Cecchetti, M. Kaluza, V. Malka, M. Manclossi, S. Meyroneinc, P. Mora, J. Schreiber, T. Toncian, H. Pépin, P. Audebert, Nature Physics, volume 2, issue 1, pp 48-54 (2006).