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L’Hadronthérapie contre le cancer

C’est en lisant un des derniers billets des Quantum Diaries intitulé La face cachée du CERN que je me suis dit qu’un billet sur l’hadronthérapie serait un sujet très intéressant car prometteur et relativement peu connu du grand public.

La radiothérapie

La radiothérapie consiste à tuer les cellules cancéreuses d’un patient au moyen de radiations. L’idée de la radiothérapie consiste à exploiter le fait que les radiations peuvent détruire les cellules, quelles qu’elles soient. La difficulté est alors de détruire uniquement les cellules cancéreuses pour empêcher leur reproduction sans toucher aux cellules saines de manière à enrayer la maladie sans dommages collatéraux.

Il est à noter qu’aujourd’hui plus de la moitié des cancers sont traités à l’aide de la radiothérapie et que cette seule méthode peut entraîner une guérison complète avec des effets secondaires moindre qu’avec une chimiothérapie.

Les radiations peuvent être produites de 2 manières pour tuer les cellules cancéreuses :

  • La curiethérapie : Un élément naturellement radioactif est introduit dans le patient ou est placé à proximité de la zone à traiter.  Cette technique est utilisée principalement pour traiter les cancers du sein, de la prostate, de l’utérus et de la peau.
  • La radiothérapie externe : Un accélérateur de particules produit un faisceau de particules dirigé vers le patient de manière à irradier les cellules tumorales. C’est cette dernière méthode qui nous intéresse ici.

La difficulté est la suivante : les tumeurs peuvent être situées à la périphérie du corps ou bien enfouies profondément à l’intérieur comme dans le cerveau. Dans ce dernier cas, il faut alors trouver un moyen d’irradier fortement les cellules tumorales à l’intérieur en abîmant le moins possible les tissus alentours. Pour évaluer l’efficacité des faisceaux de particules à tuer des cellules, on calcule l’énergie qu’ils déposent dans les tissus, c’est ce qu’on appelle aussi la dose, qui est proportionnelle aux radiations induites sur les tissus pour les détruire. Il existe alors plusieurs types de radiothérapies externes qui exploitent différents types de rayonnement:

  • Faisceaux d’électrons : pénètrent faiblement dans les tissus et déposent toute leur dose quelques centimètres après le point d’entrée du faisceau dans le corps.
  • Rayons X (photons) : peuvent pénétrer en profondeur dans les tissus mais l’énergie déposée est maximale quelques centimètres seulement après le point d’entrée et diminue ensuite faiblement. Ainsi la majorité des tissus (sains et cancéreux) situés dans l’axe du faisceau sont irradiés fortement ce qui implique de déposer une dose relativement faible sur les cellules cancéreuses pour ne pas trop irradier les tissus sains.
  • Faisceaux de hadrons (protons ou ions carbones) : peuvent pénétrer en profondeur et une grande partie de l’énergie du faisceau est déposée une dizaine de centimètres après le point d’entrée du faisceau dans les tissus. De cette manière, la zone d’entrée du faisceau est peu irradiée, la zone où se situe la tumeur peut être fortement irradiée et la zone située derrière n’est pratiquement pas irradiée.

 Dépôts d’énergie de différents faisceaux (électrons, rayons X, protons) en fonction de la profondeur dans les tissus.

L’hadronthérapie

L’hadronthérapie permet ainsi de tuer des cellules cancéreuses enfouies à l’intérieur du corps comme dans le cerveau sans chirurgie tout en préservant au maximum les cellules saines autour de la tumeur. Mais au fait, c’est quoi un hadron ?

Les hadrons sont une classe de particules sensibles à l’interaction forte, c’est-à-dire à la force qui permet la cohésion des noyaux atomiques. Toutes les particules constituées de quarks comme les protons, neutrons ou n’importe quel noyau atomique sont des hadrons (contrairement aux leptons et aux bosons comme les électrons et les photons, voir mon billet sur le bestiaire des particules pour plus de détails).

Les hadrons ont cette caractéristique de déposer toute leur énergie d’un coup après avoir traversé une certaine épaisseur de matière, c’est ce que les physiciens appellent le pic de Bragg (voir la courbe rouge dans le dessin plus haut). Grâce aux bonnes connaissances que l’homme a acquises sur le fonctionnement de ces particules il est capable de fabriquer des accélérateurs de particules ultra-précis permettant de déposer l’énergie de ces hadrons exactement sur une tumeur de quelques centimètres enfouie au milieu de notre corps. Tout ça pour dire que la recherche fondamentale en physique des particules est indispensable pour développer de telles thérapies et que de très nombreux laboratoires en physique des particules comme le CERN ou GSI collaborent étroitement avec les instituts médicaux pour développer de telles thérapies. Aujourd’hui 2 types d’hadronthérapie existent et une vingtaine de centres en sont équipés dans le monde:

  • La protonthérapie qui utilise des protons. Plus de 30 centres sont opérationnels (à Orsay et à Nice pour la France), voir la liste ici.
  • L’hadronthérapie qui utilise des ions carbones. 5 centres sont opérationnels en  en Allemagne, en Chine et au Japon,  et plusieurs autres centres sont en construction (à Caen et à Lyon pour la France). Les ions carbones sont encore plus précis que les protons et permettent de déposer des doses plus importantes sur les cellules tumorales permettant ainsi de vaincre les tumeurs les plus radiorésistantes.

Salle de contrôle du synchrocyclotron au Centre de Protonthérapie d’Orsay.

Ces centres ont permis de traiter environ 7000 personnes dans le monde ces dernières années contre plusieurs millions par radiothérapie conventionnelle. En effet, cette méthode est relativement récente et est également plus chère que les autres méthodes mais elle est surtout plus difficile à mettre en œuvre à cause des équipements très sophistiqués à mettre en place. Cependant, elle est beaucoup plus précise et permet de soigner des tumeurs qui sont inopérables et non curables par radiothérapies conventionnelles lorsque ces dernières sont localisées près d’organes sensibles. De plus, les hadrons sont beaucoup plus efficaces pour tuer les cellules cancéreuses que les photons, de 2 à 10 fois plus efficaces selon les cas.

L’hadronthérapie est principalement utilisée pour soigner les tumeurs du cerveau non atteignables par neurochirurgie, certains cancers de l’œil qui nécessitaient une énucléation auparavant (extraction de l’œil) et certains cancers chez les enfants qui sont plus sensibles aux radiations et donc plus fragiles face aux techniques de radiothérapies conventionnelles utilisant des rayons X.

Je vous conseille ce petit reportage de 4 minutes sur le centre de radiothérapie de Heidelberg qui est en étroite collaboration avec GSI à Darmstadt: http://www.allodocteurs.fr/actualite-sante-hadrontherapie-une-radiotherapie-specifique-2631.asp?1=1

Radiothérapie avec de l’antimatière ?

Des recherches sont actuellement en cours au CERN à Genève sur la possibilité d’utiliser de l’antimatière, des antiprotons plus exactement, pour traiter les cancers. Cette expérience dénommée ACE pour Antiproton Cell Experiment, étudie comment l’antimatière peut détruire les cellules cancéreuses par annihilation matière/antimatière. Actuellement, l’expérience bombarde des cellules vivantes de hamsters avec des protons puis avec des antiprotons (pour voir la différence), et il apparaît qu’une énergie 4 fois inférieure avec des antiprotons permet de détruire autant de cellules cancéreuses tout en diminuant significativement la dose déposée dans les tissus sains.

L’expérience ACE au CERN étudiant l’effet des antiprotons sur des cellules de hamsters. © CERN.

Si cette expérience est concluante, peut-être que de futurs partenariats permettraient de développer dans quelques décennies une « antiproton thérapie » permettant de soigner des cancers difficiles d’accès en irradiant encore moins les cellules saines autours des tumeurs.

 

De l’antimatière pour propulser une fusée dans l’espace?

Au mois de novembre 2010, une équipe du CERN avait réussi à mettre de l’antimatière en boite  pendant quelques fractions de secondes et au mois de mars 2011 c’est pendant 20 minutes que les physiciens ont capturé de l’antihydrogène dans un piège…

antimatière-1L’antimatière a toujours interpellé les auteurs de science-fiction depuis sa découverte dans les années 30 étant donné que l’énergie produite par la rencontre de matière et d’antimatière est colossale. Voilà une nouvelle qui relance l’idée de savoir si l’antimatière pourrait un jour être utilisée pour la propulsion spatiale comme dans Star Trek.

antimatière-2Mesurer l’énergie

L’énergie se mesure en Joule mais cette unité n’est pas très commode et peu représentative. Pour avoir une unité de mesure plus parlante et pour comparer les énergies facilement, on parlera plutôt en kilogramme équivalent pétrole ou « kep » qui correspond à l’énergie calorifique que l’on peut extraire d’un kilogramme de pétrole. Pour information, 1 kg de pétrole permet de produire 42 millions de Joules sous forme de chaleur lorsqu’on le brûle (combustion). Pour se rendre compte de ce que cela représente, un européen moyen consomme en moyenne 10 kep par jour.

 uss enterprise

L’USS Enterprise de Star Trek fonctionne à l’antimatière.

A titre de comparaison, la fission nucléaire exploitée dans nos centrales nucléaires permet de récupérer environ 10 000 kep par kilogramme d’uranium, soit une concentration énergétique bien supérieure qu’avec la combustion du pétrole. De même, la fusion thermonucléaire qui se produit dans les étoiles et qui pourrait être à long terme une nouvelle source d’énergie pour l’homme sur Terre (voir (voir ITER) permet de récupérer environ 15 millions de kep dans un kilogramme de mélange Deutérium-Tritium.

Et l’antimatière alors ? Selon la célèbre formule E=mc² d’Einstein, 1 kg de matière contient potentiellement 90 millions de milliards de Joules, soit 2 milliards de kep, ce qui correspond à une densité d’énergie 2 milliards de fois supérieure au pétrole et 200 000 fois supérieure à l’uranium avec la fission nucléaire de nos centrales.

Petit résumé des équivalents énergétiques:

  • 1 kg de bois (par combustion) = 0,3 kep
  • 1 kg de charbon (par combustion) = 0,7 kep
  • 1 kg de fioul (par combustion) = 0,95 kep
  • 1 kg d’essence (par combustion) = 1,05 kep
  •  1 kg d’uranium naturel (par fission nucléaire) = 10 000 kep
  • 1 kg de Deutérium-Tritium (par fusion thermonucléaire) = 15 millions de kep
  •  1 kg d’antimatière (par annihilation matière-antimatière) = 2 milliards de kep

Exploiter l’antimatière

Pour comprendre ce qu’est l’antimatière, je vous invite à lire un de mes billets précédents sur l’antimatière mise en boite au CERN.

Sur le papier, la solution de l’antimatière pour notre avenir énergétique parait bien évidemment la meilleure. Mais deux grands problèmes se posent (et pas des moindres) :

  • Comment créer des quantités suffisantes d’antimatière sans dépenser trop d’énergie
  • Comment stoker l’antimatière

Aujourd’hui, l’antimatière est créée dans des accélérateurs de particules en quantité infime et il faut dépenser beaucoup (mais alors beaucoup) plus d’énergie que ce que la quantité d’antimatière pourrait produire. En bref, ce n’est absolument pas rentable. De plus, pour la stocker, il faut fabriquer un piège bien particulier pour maintenir l’antimatière en lévitation dans le vide car le moindre contact avec de la matière ordinaire l’annihile instantanément.

Pour vous rendre compte des ordres de grandeurs, dans un kilogramme d’hydrogène, il y a environ 602 millions de milliards de milliards d’atomes. Il faudrait donc créer autant d’antihydrogènes pour pouvoir faire 1 kilogramme d’antimatière. Or, quand une expérience du CERN annonce avoir réussi à confiner de l’antimatière pendant 16 minutes, ce n’est pas 1 kilogramme mais seulement 309 antiatomes ! L’énergie pouvant être extraite de ces 309 antiatomes est de l’ordre d’un millième de milliardième de milliardième de kep (1.10-15 kep), soit rien du tout. Je précise que pour accomplir cet exploit, on a dû consommer une énergie colossale en comparaison à ces quelques antiatomes…

CERN AlphaL’expérience alpha du CERN qui a capturé 309 antihydrogènes pendant 1000 secondes. © CERN.

Le CERN a produit a peu près un milliardième de gramme d’antimatière durant ces 10 dernières années pour un coût estimé de plusieurs centaines de millions d’euros. On voit bien que cette solution n’est aujourd’hui absolument pas envisageable comme source d’énergie.

Une fusée qui carbure à l’antimatière

Pour propulser une fusée, la problématique est différente car on ne cherche pas à faire de l’énergie la moins chère possible sans polluer mais à embarquer un minimum de carburant pour un maximum de puissance. L’antimatière se relève alors être une excellente candidate. Pour mieux vous rendre compte, une mission vers la planète Mars doit embarquer environ 250 tonnes de carburant conventionnel (hydrogène et oxygène liquides) pour un voyage de presqu’une année alors que 10 milligrammes d’antimatière seraient suffisants pour aller sur mars en 1 mois seulement selon la NASA [source]. Toujours selon la NASA, un coût de 250 millions de dollars serait suffisant pour produire ces 10 milligrammes d’antimatière (sous forme de positrons) avec les technologies actuelles. Dans ce cas, cette solution pourrait être envisagée mais tout de même coûteuse.

NASA schema

Schéma de principe du moteur à antimatière pensé par la NASA pour aller sur Mars. © NASA.

En fait, les « moteurs à antimatière » actuellement à l’étude n’utilisent pas forcément directement l’énergie d’annihilation matière/antimatière pour la propulsion mais exploitent les rayonnements énergétiques (appelés rayons gamma) qui sont produits lors de la rencontre matière/antimatière. Ce rayonnement permet alors de chauffer un fluide comme l’hydrogène. Cependant, il faut tout de même fabriquer cette antimatière avant sur Terre et l’embarquer dans ce moteur et cela est encore loin d’être possible avec les technologies actuelles mais sûrement pas impossible à long terme. Affaire à suivre.

Pour aller plus loin:

L’antimatière mise en boite au CERN

La semaine dernière, l’expérience ALPHA du CERN annonçait avoir pour la première fois « piégé » de l’antimatière, mais au fait, c’est quoi l’antimatière ?

alpha antimatter

Atomes d’anti-hydrogènes non capturés s’annihilant sur la surface interne du piège ALPHA au CERN le 10 Novembre 2010. © CERN.

Un peu d’histoire

Jusqu’en 1930, le monde des physiciens était exclusivement fait de matière. Cette matière était composée de petites « briques élémentaires » appelées particules et portant des noms étranges comme électrons, photons ou protons (voir mon billet sur le bestiaire des particules pour plus de détails).

C’est alors que le physicien Paul Dirac, pour résoudre une équation de physique, postulat qu’il devait exister une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée. En effet, l’électron a une charge électrique négative, alors que l’équation de Dirac possède une solution supplémentaire correspondant à une « particule jumelle » positive. Cette nouvelle particule hypothétique fut baptisée positron (plus tard renommée antiélectron) et fut découverte rapidement en 1932 en analysant les rayons cosmiques venant de l’univers.

Dirac

Paul Dirac en 1933, « inventeur » du positron, la première antiparticule

Cette théorie fut ensuite généralisée à toutes les particules que nous connaissons et l’ensemble de ces nouvelles particules furent nommée antimatière. Cependant, il faudra attendre 1955 pour découvrir l’antiproton et 1995 pour créer le premier antiatome au
CERN.

Je tiens à préciser à ce sujet que la paternité du positron revient toujours à Paul Dirac alors que Jean Becquerel, le fil d’Henri Becquerel, avait déjà postulé l’existence d’électrons positifs en 1908 dans un article (Jean Becquerel. «Sur les électrons positifs», Radium (Paris) 5, 1908, pp. 193-200).

Matière Vs Antimatière

Ca ressemble à de la matière, ça a le gout de la matière mais ce n’est pas de la matière : c’est de l’antimatière !

Comme on l’a vu, la différence qui caractérise l’antimatière est la charge électrique opposée, ce qui veut dire que si on fait passer une particule et son antiparticule dans un champ magnétique, les 2 particules sont déviées dans des directions opposées. Outre cette propriété, les antiparticules ont la même masse et le même comportement physique que leur homologue de matière.
positron-electron
Electrons et positrons sont déviés dans des directions opposées dans un champ magnétique. © Noémie.

Comme les charges sont opposées, matière et antimatière s’attirent mutuellement (les particules positives attirent les particules négatives et vice-versa). Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles se désintègrent pour se transformer en énergie pure selon la célèbre formule d’Einstein E=mc² : la matière est convertie intégralement en énergie sous forme de photons (rayonnement gamma).

Fabriquer de l’antimatière

Pour fabriquer des antiparticules en labo, il « suffit » d’avoir un accélérateur de particules assez puissant. Le fait de projeter des particules accélérées à grande énergie sur des cibles métalliques permet de transformer l’énergie cinétique des particules en couple particule/antiparticule : encore E=mc² mais ici l’énergie se transforme en masse (ce processus est ainsi réversible).

Le problème des physiciens n’est pas de « fabriquer » de l’antimatière mais de la « conserver » pour la manipuler et l’observer. A cause des grandes énergies mise en jeu, les antiparticules créées vont pratiquement à la vitesse de la lumière et si elles rencontrent une particule de matière, elles s’annihilent !

Pour contrer ce problème, il faut littéralement freiner l’antimatière pour pouvoir l’étudier, ce n’est donc plus accélérateur qu’il faut mais un décélérateur ! Le décélérateur du CERN s’appelle AD (antiproton decelerator) et mesure 188 m de circonférence. AD permet de diminuer l’énergie d’antiprotons de 3000 MeV à 5 MeV (leur énergie est divisée par 600), ce qui veut dire que les antiprotons sont ralentit au tiers de la vitesse de la lumière.

Fabriquer des antiatomes

Fabriquer des antiparticules est une chose mais les physiciens veulent aller plus loin pour comprendre l’antimatière et pour cela, il faut fabriquer des antiatomes, c’est-à-dire un antinoyau formé d’antiprotons et d’antineutrons avec des positrons qui tournent autour.

En 1995, le CERN a ainsi créé les premiers atomes d’antihydrogènes (le plus simple des antiatomes, composé d’un antiproton et d’un positron qui tourne autour). Neuf antiatomes ont été créés pendant 40 milliardièmes de seconde avant de se désintégrer. L’exploit a été réitéré par la suite aux USA plusieurs centaines de fois mais ces antiatomes étaient toujours trop volatiles, se désintégrant quasi instantanément et ne permettant aucune étude approfondie.

  LEAR

Le décélérateur LEAR (Low Energy Antiproton Ring) au CERN ayant fabriqué les premiers antihydrogènes en 1995. © CERN

Pour stabiliser cette antimatière et l’étudier à la loupe, l’idéal serait de la ralentir jusqu’à l’immobiliser (la piéger). Il faut comprendre que plus une particule est énergétique, plus elle est agitée et donc « chaude ». Les physiciens doivent alors refroidir l’antimatière le plus possible. Pour cela, les antiprotons sont envoyés à travers de fines feuilles de métal et à travers des pièges électromagnétiques appelés pièges de Penning. Ainsi, on arrive à refroidir les antiprotons à environs -269°C (4 kelvins). On procède de même avec des positrons et on met l’ensemble (antiprotons + positrons) dans une espèce de bouteille électromagnétique jusqu’à ce que le positron (positif) se mette à tourner autour de l’antiproton (négatif) pour former un antihydrogène. C’est ce que vient de réussir L’expérience ALPHA du CERN. Voir une animation comment attraper un antihydrogène (en anglais).

alpha trap

Piège de l’expérience ALPHA au CERN ayant capturé un antihydrogène. © CERN

Pourquoi étudier l’antimatière ?

Pour étudier l’antimatière, les physiciens étudient de près ce qu’ils appellent la symétrie CPT (Charge-Parité-Temps). Lors d’une réaction particulière sur une particule, cette même réaction doit être observée sur son antiparticule mais de manière symétrique. Dans le théorème CPT, tout est inversé : la charge (positif Vs négatif), la parité (droite Vs gauche) et le temps (le temps doit s’écouler à l’envers). Un monde composé
d’antimatière serait l’image de notre monde à travers un miroir.

Le problème, c’est que l’univers n’est pas aussi symétrique qu’il n’y parait. En effet, si matière et antimatière étaient strictement identiques (en dehors de la charge électrique), nous ne serions pas là selon la théorie du Big-bang qui stipule qu’à l’origine, matière et antimatière ont du être créées en même temps et en quantité égale (toujours le E=mc², la matière est toujours créée en quantité égale avec de l’antimatière). Un raisonnement simple aboutit donc sur la non-existence de notre Univers car matière et antimatière  auraient du s’attirer juste après le Big-bang pour s’annihiler et fin de l’histoire… La réalité semble tout autre : nous sommes bien là et notre univers semble être composé quasi exclusivement de matière, seuls quelques phénomènes physiques dans le cosmos génèrent de l’antimatière mais en quantité infime et cette antimatière est rapidement annihilée en touchant de la matière ordinaire. Conclusion : les astronomes et les cosmologistes ont perdu la moitié de l’Univers !!

 proton nono

Un proton et un antiproton. © Noémie.

Ce qui peut expliquer cette observation étrange est que matière et antimatière ne sont pas si symétriques que cela : on parle alors de violation de symétrie. Les symétries entre matière et antimatière sont parfois non respectées et pourraient expliquer pourquoi toute l’antimatière a disparue aujourd’hui au profit de la matière. Les accélérateurs de particules ont déjà mis en évidence certaines de ces violations de symétries et ces recherches sont toujours très actives aujourd’hui car il est très difficile d’étudier l’antimatière qui est très volatile.

Applications de l’antimatière ?

La réaction d’annihilation entre matière et antimatière est la plus puissante que la physique connaisse mais il faut relativiser (sans mauvais jeu de mot): c’est inexploitable actuellement pour fabriquer une bombe à antimatière comme le laisse suggérer le roman de Dan Brown Anges et Démons. Si vous prenez  10 milliards de protons et 10 milliards antiprotons, l’énergie équivalente qu’ils pourraient dégager serait d’environ 1 Joule… soit assez d’énergie pour soulever une pomme de 1 mètre… Pour faire une bombe, il faudrait fabriquer beaucoup plus d’antimatière que la science est capable de produire et il faudrait dépenser une énergie supérieure à la
consommation d’énergie mondiale.

De toute manière, l’énergie mise en jeu pour « fabriquer » de l’antimatière sera toujours nettement supérieure à ce que l’annihilation matière/antimatière peut dégager donc aucune source énergétique de ce côté-là…

Cependant, l’antimatière a déjà trouvée une application dont vous avez peut être déjà entendu parler en imagerie médicale : La Tomographie par Emission de Positons (TEP). En Effet, les positrons sont utilisés en imagerie médicale pour obtenir des images d’organes en 3 dimensions en cancérologie, neurologie et cardiologie.