Arme de détection et de combat du cancer
Photo : Mata Hari
Le laser femtoseconde deviendra sans aucun doute un outil indispensable pour le dépistage de certains cancers. Il rendra aussi enfin possible le recours à la protonthérapie dans nos centres hospitaliers, elle qui est actuellement le seul traitement susceptible de pouvoir s'attaquer aux cancers du cerveau et de l'oeil.
Malheureusement, nous ne disposons d'aucune unité de protonthérapie au Canada, car celles-ci nécessitent le recours à un accélérateur de particules — en l'occurrence un cyclotron — dont les dimensions (de plusieurs kilomètres de diamètre) et le coût (entre 100 et 150 millions de dollars) sont démesurés. Or la nouvelle génération de lasers à impulsions ultrabrèves est dotée d'une telle puissance qu'elle permet d'accélérer des particules, dont des protons qui, lorsqu'ils sont chargés d'une grande énergie cinétique, peuvent pénétrer dans les tissus et détruire des tumeurs cancéreuses. «Ainsi, au lieu de nécessiter des kilomètres pour accélérer des protons, on peut arriver à le faire sur quelques centimètres. La technologie femtoseconde que nous possédons au Québec permettra d'obtenir des systèmes plus compacts et moins coûteux», souligne le spécialiste des lasers, Jean-Claude Kieffer, directeur du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'Institut national de recherche scientifique (INRS) à Varennes.
Lorsque des impulsions laser d'une durée de 20 femtosecondes et d'une puissance de 200 térawatts (1012 watts) sont projetées sur une pellicule métallique ou de polypropylène, elles créent un plasma à l'intérieur duquel s'effectue le processus d'accélération, explique Daniel Houde, professeur au département de médecine nucléaire et de radiobiologie de l'Université de Sherbrooke. «Le plasma est un état de la matière où les électrons ne sont plus attachés aux noyaux [des atomes] et partent à très grande vitesse en entraînant dans leur sillage les protons», précise-t-il.
Le laser à impulsions d'une vingtaine de femtosecondes de l'INRS devrait permettre d'ici quelques semaines d'accélérer des protons jusqu'à ce qu'ils acquièrent une énergie cinétique de 100 millions d'électrons-volts (MeV), ce qui autoriserait leur utilisation pour le traitement du mélanome de l'oeil qui requiert 65 MeV. Comme l'énergie des protons à leur entrée dans les tissus détermine la profondeur de pénétration et l'endroit où ils exerceront le maximum de leur effet en y déposant l'essentiel de leur énergie, le traitement de tumeurs cérébrales devrait exiger des énergies de 235 MeV.
«Les simulations théoriques montrent que l'on devrait pouvoir monter dans la gamme de quelques centaines de MeV avec des lasers femtoseconde mais nous ne l'avons pas encore expérimenté, car nous atteignons maintenant les confins d'un domaine de la physique que nous n'avons jamais encore exploré», prévient M. Houde.
La protonthérapie est grandement attendue par les oncologues d'ici, car elle a l'avantage de cibler les tumeurs avec une plus grande précision que la radiothérapie conventionnelle, qui arrose trop large et brûle les tissus environnants. C'est notamment pour cette dernière raison que la radiothérapie ne peut être utilisée pour soigner des mélanomes du globe oculaire et certaines tumeurs du cerveau et à proximité de la colonne vertébrale, particulièrement chez les enfants, car les rayons X qu'elle utilise risquent d'endommager des tissus sensibles comme le nerf optique et des centres nerveux vitaux. Grâce à sa meilleure résolution, la protonthérapie, par contre, permet de s'approcher davantage des tissus sensibles à protéger.
Détection plus fine
En mitraillant un métal comme l'aluminium ou le molibdène à l'aide du laser à impulsions ultrabrèves et riches en puissance énergétique, on provoque l'émission de flashs de rayons X en plus de particules, comme des électrons et des protons que l'on pourra ensuite accélérer pour la protonthérapie, indique Jean-Claude Kieffer. «Or, ces sources particulières de rayonnements X permettent d'effectuer de la radiographie par contraste de phase qui atteint des résolutions spatiales jamais encore obtenues par les autres techniques d'imagerie médicale.»
La radiographie par contraste de phase repose sur le principe de l'holographie, explique le chercheur. Lorsqu'ils rencontrent des tissus, ces rayons X, qui sont des ondes lumineuses, voient leur phase (le rythme de leurs oscillations) se modifier en fonction de la quantité de matière interceptée. Un détecteur placé derrière l'objet examiné capte les figures d'interférences résultant de ces différences de phase, et ces figures permettent de reconstituer en trois dimensions la structure du milieu traversé.
La radiographie par contraste de phase permet en fait de détecter des tumeurs de la taille de 5 à 10 microns dans le tissu mammaire. «Il s'agit d'un outil fabuleux qui permet de dépister un cancer du sein de façon beaucoup plus précoce qu'avec les techniques conventionnelles, car nous avons démontré que l'on pouvait faire des détections de microcalcifications dans les tissus mammaires qui sont dix fois meilleures que ce que l'on sait faire aujourd'hui en clinique», fait valoir le physicien.
Qui plus est, dans de petits animaux atteints d'un cancer, cette technique d'holographie permet de voir comment la tumeur interagit avec les tissus au sein desquels elle se développe. «Ce type d'imagerie de très haute résolution devrait donc nous aider à comprendre le développement des microcalcifications qui sont associées à l'émergence du cancer du sein», précise le scientifique.
En plus de ce gain notable en sensibilité, la radiographie par contraste de phase a aussi l'avantage d'être moins envahissante que les techniques conventionnelles de radiographie, car elle s'accompagne d'un dépôt beaucoup moins important de rayons X dans les tissus, souligne M. Kieffer.
Sans contredit, le laser femtoseconde mis au point dans les laboratoires de l'INRS à Varennes révolutionnera la lutte contre le cancer dans les prochaines années.
Malheureusement, nous ne disposons d'aucune unité de protonthérapie au Canada, car celles-ci nécessitent le recours à un accélérateur de particules — en l'occurrence un cyclotron — dont les dimensions (de plusieurs kilomètres de diamètre) et le coût (entre 100 et 150 millions de dollars) sont démesurés. Or la nouvelle génération de lasers à impulsions ultrabrèves est dotée d'une telle puissance qu'elle permet d'accélérer des particules, dont des protons qui, lorsqu'ils sont chargés d'une grande énergie cinétique, peuvent pénétrer dans les tissus et détruire des tumeurs cancéreuses. «Ainsi, au lieu de nécessiter des kilomètres pour accélérer des protons, on peut arriver à le faire sur quelques centimètres. La technologie femtoseconde que nous possédons au Québec permettra d'obtenir des systèmes plus compacts et moins coûteux», souligne le spécialiste des lasers, Jean-Claude Kieffer, directeur du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'Institut national de recherche scientifique (INRS) à Varennes.
Lorsque des impulsions laser d'une durée de 20 femtosecondes et d'une puissance de 200 térawatts (1012 watts) sont projetées sur une pellicule métallique ou de polypropylène, elles créent un plasma à l'intérieur duquel s'effectue le processus d'accélération, explique Daniel Houde, professeur au département de médecine nucléaire et de radiobiologie de l'Université de Sherbrooke. «Le plasma est un état de la matière où les électrons ne sont plus attachés aux noyaux [des atomes] et partent à très grande vitesse en entraînant dans leur sillage les protons», précise-t-il.
Le laser à impulsions d'une vingtaine de femtosecondes de l'INRS devrait permettre d'ici quelques semaines d'accélérer des protons jusqu'à ce qu'ils acquièrent une énergie cinétique de 100 millions d'électrons-volts (MeV), ce qui autoriserait leur utilisation pour le traitement du mélanome de l'oeil qui requiert 65 MeV. Comme l'énergie des protons à leur entrée dans les tissus détermine la profondeur de pénétration et l'endroit où ils exerceront le maximum de leur effet en y déposant l'essentiel de leur énergie, le traitement de tumeurs cérébrales devrait exiger des énergies de 235 MeV.
«Les simulations théoriques montrent que l'on devrait pouvoir monter dans la gamme de quelques centaines de MeV avec des lasers femtoseconde mais nous ne l'avons pas encore expérimenté, car nous atteignons maintenant les confins d'un domaine de la physique que nous n'avons jamais encore exploré», prévient M. Houde.
La protonthérapie est grandement attendue par les oncologues d'ici, car elle a l'avantage de cibler les tumeurs avec une plus grande précision que la radiothérapie conventionnelle, qui arrose trop large et brûle les tissus environnants. C'est notamment pour cette dernière raison que la radiothérapie ne peut être utilisée pour soigner des mélanomes du globe oculaire et certaines tumeurs du cerveau et à proximité de la colonne vertébrale, particulièrement chez les enfants, car les rayons X qu'elle utilise risquent d'endommager des tissus sensibles comme le nerf optique et des centres nerveux vitaux. Grâce à sa meilleure résolution, la protonthérapie, par contre, permet de s'approcher davantage des tissus sensibles à protéger.
Détection plus fine
En mitraillant un métal comme l'aluminium ou le molibdène à l'aide du laser à impulsions ultrabrèves et riches en puissance énergétique, on provoque l'émission de flashs de rayons X en plus de particules, comme des électrons et des protons que l'on pourra ensuite accélérer pour la protonthérapie, indique Jean-Claude Kieffer. «Or, ces sources particulières de rayonnements X permettent d'effectuer de la radiographie par contraste de phase qui atteint des résolutions spatiales jamais encore obtenues par les autres techniques d'imagerie médicale.»
La radiographie par contraste de phase repose sur le principe de l'holographie, explique le chercheur. Lorsqu'ils rencontrent des tissus, ces rayons X, qui sont des ondes lumineuses, voient leur phase (le rythme de leurs oscillations) se modifier en fonction de la quantité de matière interceptée. Un détecteur placé derrière l'objet examiné capte les figures d'interférences résultant de ces différences de phase, et ces figures permettent de reconstituer en trois dimensions la structure du milieu traversé.
La radiographie par contraste de phase permet en fait de détecter des tumeurs de la taille de 5 à 10 microns dans le tissu mammaire. «Il s'agit d'un outil fabuleux qui permet de dépister un cancer du sein de façon beaucoup plus précoce qu'avec les techniques conventionnelles, car nous avons démontré que l'on pouvait faire des détections de microcalcifications dans les tissus mammaires qui sont dix fois meilleures que ce que l'on sait faire aujourd'hui en clinique», fait valoir le physicien.
Qui plus est, dans de petits animaux atteints d'un cancer, cette technique d'holographie permet de voir comment la tumeur interagit avec les tissus au sein desquels elle se développe. «Ce type d'imagerie de très haute résolution devrait donc nous aider à comprendre le développement des microcalcifications qui sont associées à l'émergence du cancer du sein», précise le scientifique.
En plus de ce gain notable en sensibilité, la radiographie par contraste de phase a aussi l'avantage d'être moins envahissante que les techniques conventionnelles de radiographie, car elle s'accompagne d'un dépôt beaucoup moins important de rayons X dans les tissus, souligne M. Kieffer.
Sans contredit, le laser femtoseconde mis au point dans les laboratoires de l'INRS à Varennes révolutionnera la lutte contre le cancer dans les prochaines années.
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