Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'INRS - «À cette vitesse, on commence à voir la dynamique moléculaire»
Le laser femtoseconde peut accélérer des protons qui vont venir frapper les cellules cancéreuses
Les lasers sont de plus en plus courants dans le domaine biomédical, par exemple pour la microchirurgie ou l'ophtalmologie. Mais le plus puissant d'entre eux, le laser femtoseconde, est encore en développement. Sa future mission: détecter les tumeurs à leur stade précoce... et les vaincre!
C'est au Laboratoire de sources femtosecondes, du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS), qu'un superlaser a été mis au point. Chacune de ses impulsions ne dure que 30 femtosecondes (10-15 secondes) pour une puissance de 200 térawatts, soit 50 fois la puissance en continu de la Terre.
«Depuis l'été 2009, le laser à impulsion ultrarapide est totalement opérationnel», affirme Jean-Claude Kieffer, directeur du centre. À l'aide de l'engin, le scientifique s'affaire à produire l'imagerie médicale la plus précise jamais obtenue. «L'idée est de développer de la radiographie X mais en utilisant la phase, c'est-à-dire les oscillations du rayonnement X», explique-t-il.
La physique employée derrière ce dispositif serait assez nouvelle, selon le chercheur. Le laser se propage à l'intérieur d'un jet de gaz et crée une onde de sillage en arrière du front, comme un bateau sur la mer. Les électrons vont littéralement surfer sur cette onde de sillage et vont être accélérés. Ils se mettent alors à osciller et émettent un rayonnement secondaire, qui correspond à une source de rayons X de très petite longueur d'onde, de l'ordre du micromètre.
Ainsi, on peut observer des tumeurs à leur stade précoce, lorsqu'elles ne mesurent encore que quelques centaines de microns. Alors, pourquoi aller si loin, jusqu'au micron? «Car, à ce niveau de détail, on peut voir comment la tumeur interagit avec les tissus sains», répond le scientifique. Cette frontière entre les cellules malades et les cellules saines est encore méconnue et intéresse de très près les oncologues.
Et ce n'est pas tout! «Comme on a des résolutions fabuleuses, on pourrait aussi faire de la résolution de matériaux composites pour voir la fatigue et les comportements de fracture à très petite échelle, se réjouit M. Kieffer. On pose un regard au début d'un phénomène qui pourrait s'avérer critique pour la vie ou un matériau.»
M. Kieffer a fait d'énormes progrès au cours de ces quatre derniers mois, car il parvient désormais à faire de la radiographie en une seule impulsion laser, alors qu'il lui fallait jusque-là accumuler les tirs pour obtenir une image.
Voir les réactions chimiques
L'autre avantage des sources de rayons X du laser femtoseconde, c'est qu'elles sont de très courte durée, équivalant à l'impulsion du laser. «À cette vitesse, on commence à voir la dynamique moléculaire. On peut donc utiliser aujourd'hui cette technologie pour regarder des changements de conformation de molécules complexes, comme les protéines.» Par exemple, la myoglobine, dont la fonction moléculaire dépend intimement de sa structure tridimensionnelle.
«On sait comprendre la structure d'une molécule, mais, pour comprendre sa fonction, il faut aussi comprendre la dynamique à l'échelle de temps des électrons, de quelques centaines d'attosecondes à quelques dizaines de femtosecondes», commente le chercheur. En effet, les électrons gèrent les liaisons moléculaires «comme une colle moléculaire, explique M. Kieffer. Si on change les électrons de place, les liens vont changer, donc la molécule va changer de forme et de fonction.»
En somme, le laser pourrait un jour rendre possible la visualisation des réactions chimiques, et notamment celles présentes dans les problématiques moléculaires derrière le cancer!
Bombarder les tumeurs
Hormis ses capacités de détection, le laser à impulsion ultrarapide est aussi une redoutable arme de destruction des cellules cancéreuses. Il ouvre la voie à une démocratisation de la protonthérapie, un traitement utilisé contre les tumeurs qui résistent à la radiothérapie et contre certains cancers chez les jeunes adultes et les enfants.
On estime le besoin en unités de protonthérapie à une unité pour 10 millions d'habitants. Or il n'y en a pas au Canada, car cela requiert l'installation d'un cyclotron, un accélérateur de particules gigantesque, qui coûte environ 200 millions de dollars et nécessite la construction d'un bâtiment au complet. D'après le directeur du centre, «le laser pourrait s'intégrer dans les infrastructures existantes et ramener les coûts autour de 30 millions de dollars».
En effet, le laser femtoseconde peut lui aussi accélérer des protons, qui vont venir frapper les cellules cancéreuses avec une grande énergie cinétique. «Comme un coup de marteau hyperbref et ultrapuissant», illustre M. Kieffer. L'avantage du laser est que sa chaleur n'a pas le temps de se propager dans les tissus voisins, contrairement à la radiothérapie. Il peut donc envoyer les protons dans la tumeur de manière très localisée, en traversant d'autres tissus sans les endommager. Son utilisation pourrait être particulièrement indiquée pour des zones sensibles comme le cerveau et l'oeil.
Le défi des scientifiques de l'INRS est de parvenir à produire une énergie par unité de surface et de temps qui soit assez grande pour accélérer suffisamment les particules. Pour l'instant, l'équipe de M. Kieffer est capable d'atteindre de 15 à 20 MeV. Or, pour traiter le cancer de l'oeil, il faut 60 MeV, pour le cancer du cerveau, 150 MeV. Bref, l'objectif est de doubler, voire tripler, l'intensité.
Les avantages du laser seront certains. «Contrairement à la protonthérapie classique, où on ne peut pas voir ce qui se passe au moment où on dépose la dose de protons, avec le laser c'est possible, car la source de particules et le rayonnement X sont simultanés», souligne le chercheur.
Par ailleurs, il reste à comprendre les effets des bombardements sur les cellules cancéreuses. M. Kieffer collabore avec l'Hôpital universitaire de Syracuse et l'Institut Bergonié de Bordeaux en ce qui concerne les modèles de tumeurs pouvant être irradiées et les méthodes de calcul pour comprendre leur réaction et les protocoles de dosimétrie.
«C'est une physique extrêmement complexe, avoue M. Kieffer. Nous sommes parmi les premières et les rares équipes de recherche à travailler sur ces sujets avec ce type d'équipement.» Il faudra encore une bonne dizaine d'années pour que le laser femtoseconde fasse son entrée dans les unités de protonthérapie, un peu moins pour être utilisé comme outil de détection.
***
Collaborateur du Devoir
C'est au Laboratoire de sources femtosecondes, du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS), qu'un superlaser a été mis au point. Chacune de ses impulsions ne dure que 30 femtosecondes (10-15 secondes) pour une puissance de 200 térawatts, soit 50 fois la puissance en continu de la Terre.
«Depuis l'été 2009, le laser à impulsion ultrarapide est totalement opérationnel», affirme Jean-Claude Kieffer, directeur du centre. À l'aide de l'engin, le scientifique s'affaire à produire l'imagerie médicale la plus précise jamais obtenue. «L'idée est de développer de la radiographie X mais en utilisant la phase, c'est-à-dire les oscillations du rayonnement X», explique-t-il.
La physique employée derrière ce dispositif serait assez nouvelle, selon le chercheur. Le laser se propage à l'intérieur d'un jet de gaz et crée une onde de sillage en arrière du front, comme un bateau sur la mer. Les électrons vont littéralement surfer sur cette onde de sillage et vont être accélérés. Ils se mettent alors à osciller et émettent un rayonnement secondaire, qui correspond à une source de rayons X de très petite longueur d'onde, de l'ordre du micromètre.
Ainsi, on peut observer des tumeurs à leur stade précoce, lorsqu'elles ne mesurent encore que quelques centaines de microns. Alors, pourquoi aller si loin, jusqu'au micron? «Car, à ce niveau de détail, on peut voir comment la tumeur interagit avec les tissus sains», répond le scientifique. Cette frontière entre les cellules malades et les cellules saines est encore méconnue et intéresse de très près les oncologues.
Et ce n'est pas tout! «Comme on a des résolutions fabuleuses, on pourrait aussi faire de la résolution de matériaux composites pour voir la fatigue et les comportements de fracture à très petite échelle, se réjouit M. Kieffer. On pose un regard au début d'un phénomène qui pourrait s'avérer critique pour la vie ou un matériau.»
M. Kieffer a fait d'énormes progrès au cours de ces quatre derniers mois, car il parvient désormais à faire de la radiographie en une seule impulsion laser, alors qu'il lui fallait jusque-là accumuler les tirs pour obtenir une image.
Voir les réactions chimiques
L'autre avantage des sources de rayons X du laser femtoseconde, c'est qu'elles sont de très courte durée, équivalant à l'impulsion du laser. «À cette vitesse, on commence à voir la dynamique moléculaire. On peut donc utiliser aujourd'hui cette technologie pour regarder des changements de conformation de molécules complexes, comme les protéines.» Par exemple, la myoglobine, dont la fonction moléculaire dépend intimement de sa structure tridimensionnelle.
«On sait comprendre la structure d'une molécule, mais, pour comprendre sa fonction, il faut aussi comprendre la dynamique à l'échelle de temps des électrons, de quelques centaines d'attosecondes à quelques dizaines de femtosecondes», commente le chercheur. En effet, les électrons gèrent les liaisons moléculaires «comme une colle moléculaire, explique M. Kieffer. Si on change les électrons de place, les liens vont changer, donc la molécule va changer de forme et de fonction.»
En somme, le laser pourrait un jour rendre possible la visualisation des réactions chimiques, et notamment celles présentes dans les problématiques moléculaires derrière le cancer!
Bombarder les tumeurs
Hormis ses capacités de détection, le laser à impulsion ultrarapide est aussi une redoutable arme de destruction des cellules cancéreuses. Il ouvre la voie à une démocratisation de la protonthérapie, un traitement utilisé contre les tumeurs qui résistent à la radiothérapie et contre certains cancers chez les jeunes adultes et les enfants.
On estime le besoin en unités de protonthérapie à une unité pour 10 millions d'habitants. Or il n'y en a pas au Canada, car cela requiert l'installation d'un cyclotron, un accélérateur de particules gigantesque, qui coûte environ 200 millions de dollars et nécessite la construction d'un bâtiment au complet. D'après le directeur du centre, «le laser pourrait s'intégrer dans les infrastructures existantes et ramener les coûts autour de 30 millions de dollars».
En effet, le laser femtoseconde peut lui aussi accélérer des protons, qui vont venir frapper les cellules cancéreuses avec une grande énergie cinétique. «Comme un coup de marteau hyperbref et ultrapuissant», illustre M. Kieffer. L'avantage du laser est que sa chaleur n'a pas le temps de se propager dans les tissus voisins, contrairement à la radiothérapie. Il peut donc envoyer les protons dans la tumeur de manière très localisée, en traversant d'autres tissus sans les endommager. Son utilisation pourrait être particulièrement indiquée pour des zones sensibles comme le cerveau et l'oeil.
Le défi des scientifiques de l'INRS est de parvenir à produire une énergie par unité de surface et de temps qui soit assez grande pour accélérer suffisamment les particules. Pour l'instant, l'équipe de M. Kieffer est capable d'atteindre de 15 à 20 MeV. Or, pour traiter le cancer de l'oeil, il faut 60 MeV, pour le cancer du cerveau, 150 MeV. Bref, l'objectif est de doubler, voire tripler, l'intensité.
Les avantages du laser seront certains. «Contrairement à la protonthérapie classique, où on ne peut pas voir ce qui se passe au moment où on dépose la dose de protons, avec le laser c'est possible, car la source de particules et le rayonnement X sont simultanés», souligne le chercheur.
Par ailleurs, il reste à comprendre les effets des bombardements sur les cellules cancéreuses. M. Kieffer collabore avec l'Hôpital universitaire de Syracuse et l'Institut Bergonié de Bordeaux en ce qui concerne les modèles de tumeurs pouvant être irradiées et les méthodes de calcul pour comprendre leur réaction et les protocoles de dosimétrie.
«C'est une physique extrêmement complexe, avoue M. Kieffer. Nous sommes parmi les premières et les rares équipes de recherche à travailler sur ces sujets avec ce type d'équipement.» Il faudra encore une bonne dizaine d'années pour que le laser femtoseconde fasse son entrée dans les unités de protonthérapie, un peu moins pour être utilisé comme outil de détection.
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Collaborateur du Devoir
