Un verrou expérimental au cœur des interactions rayonnement-matière
Les espèces radicalaires sont des atomes, molécules ou ions qui possèdent au moins un électron non apparié. Cette particularité les rend très réactifs chimiquement, car ils cherchent à retrouver un état plus stable en capturant ou en cédant un électron.
Lorsque des protons traversent l'eau, ils déposent leur énergie en déclenchant une cascade de réactions appelée radiolyse, produisant notamment des espèces très réactives comme l'électron hydraté et le radical hydroxyle. Ces espèces jouent un rôle central dans les effets biologiques des rayonnements, en particulier dans les dommages à l'ADN.
Comprendre leur production dans la région du pic de Bragg, un phénomène physique au cours duquel les protons libèrent un maximum d'énergie juste avant de s'arrêter, constitue un enjeu majeur. Cette zone, d'une épaisseur de seulement 1 à 2 mm, est caractérisée par des variations rapides des conditions physico-chimiques, rendant les mesures locales particulièrement difficiles.
Observer des réactions extrêmement rapides
Pour lever ce verrou, les chercheurs IRAMIS du LIDYL (DICO), en collaboration avec l'Université de Lausanne et le Centre Antoine Lacassagne, ont développé un spectromètre optique innovant basé sur un faisceau de fibres, permettant d'atteindre une importante résolution spatiale. Ce dispositif permet de suivre quasi en temps réel la formation de ces espèces radicalaires le long des derniers millimètres de la trajectoire de protons dans l'eau.
Les mesures reposent sur des sondes chimiques qui réagissent spécifiquement avec les radicaux pour produire des signaux optiques détectables par absorption ou fluorescence. Cette approche permet d'accéder aux rendements locaux de production des principales espèces issues de la radiolyse.
Une dynamique radicalaire inattendue autour du pic de Bragg
Les mesures révèlent que la production de ces espèces varie fortement selon la position dans le faisceau. Dans les premières régions traversées, les rendements diminuent progressivement à mesure que l'énergie déposée augmente. Ils atteignent un minimum au niveau du pic de Bragg, où le débit de dose est maximal.
De manière inattendue, une remontée partielle des rendements est observée dans la région située juste après le pic (région distale). Ce comportement, reproduit avec plusieurs méthodes expérimentales, suggère une modification des mécanismes de formation et de recombinaison des radicaux lorsque les protons arrivent en fin de trajectoire.
Une explication possible, encore discutée, repose sur la structure microscopique des traces d'ionisation : en ralentissant, les protons déposent leur énergie de manière plus dense et plus hétérogène, ce qui modifie la formation et les interactions des radicaux.
Un apport clé pour la radiobiologie et la protonthérapie
Cette étude fournit des données expérimentales inédites sur la chimie radicalaire dans une zone critique pour les applications biomédicales. Elle met en évidence la complexité des processus physico-chimiques au voisinage du pic de Bragg et souligne l'importance de mieux les caractériser pour relier dépôt d'énergie et effets biologiques.
Au-delà de ces résultats, ces travaux illustrent les défis associés à la mesure directe d'espèces hautement réactives dans des environnements extrêmes, et ouvrent la voie à des approches expérimentales et numériques plus fines pour modéliser les effets des faisceaux de protons en radiobiologie.