La protonthérapie et l'hadronthérapie

La protonthérapie

LES PROTONS, UN PEU D'HISTOIRE...

Ernest Rutherford, néo-zélandais (Prix Nobel de chimie en 1908), a démontré l’existence des protons en 1919.
Robert Wilson, de l’université de Harvard a été le pionnier de l’utilisation des protons dans un objectif médical et a publié un article dans la revue Radiology en 1946 (1946;47:487–491) qui préfigure la protonthérapie actuelle.
L’idée du cyclotron avait été conçue en 1929 et c'est avec cette technologie que JH Lawrence (Prix Nobel 1939 pour le développement du cyclotron) a développé la technique de la séparation des isotopes de l’uranium.
Les premières publications d’irradiation de souris par des particules lourdes (ions et protons) remontent à 1952 et 1954.

LE PRINCIPE

Elle diffère de la radiothérapie conventionnelle par la nature du rayonnement utilisé...

La potonthérapie utilise des protons, alors que la radiothérapie conventionnelle utilise des photons.
Les protons sont des particules positives de l’atome. Du fait de leurs propriétés physiques au sein de la matière, les protons libèrent la quasi-totalité de leur énergie au sein du volume à traiter alors que la dose résiduelle délivrée aux organes à risque se trouvant en arrière du volume cible est proche de zéro.
De ce fait, cette technologie permet de diminuer les effets délétères des radiations ionisantes.

L'intérêt majeur de l'utilisation des protons en radiothérapie

Il réside dans leur distribution de dose. Dans les tissus biologiques, des protons de haute énergie sont ralentis en profondeur et s'arrêtent assez brutalement, ce qui augmente leur temps d'interaction avec les électrons du milieu sur un très bref parcours, et leur permet de déposer très localement une énergie importante, par le biais d'ionisations.

Le « pic de Bragg »

C'est la traduction dosimétrique d'un dépôt de dose très localisé, suivi d'une chute brutale où la dose s'annule sur quelques millimètres.

Le dépôt d’énergie se fait en fin de parcours de la particule, si bien que au-delà la dose est nulle. Cependant, ce pic étant trop fin pour irradier toute une tumeur, il est nécessaire de l’étaler sur la largeur de la tumeur, c’est le pic de Bragg étalé.

Pour couvrir des épaisseurs tumorales plus importantes que la largeur de ce pic « natif », il faut juxtaposer des pics à différentes profondeurs par un processus appelé « modulation d'énergie », délivrant une dose homogène à la tumeur tout en conservant une dose nulle au-delà de la cible.

EN PRATIQUE...

La protonthérapie est une forme de radiothérapie souvent utilisée pour l’irradiation de tumeurs radio-résistantes pour lesquelles la chirurgie est souvent incomplète avec un risque important de mutilation
La diminution de la toxicité des radiations ionisantes par la protonthérapie permet d’envisager une amélioration de cette technique de traitement de par :

Une augmentation de la taille des champs d’irradiation permettant ainsi d'utiliser cette technique en cas de tumeur étendue jusqu’alors inaccessible par une technique d’irradiation par photons du fait d’un risque de toxicité trop important
La faculté d'augmenter la dose d’irradiation délivrée au niveau du volume cible et augmenter le taux de contrôle local de la maladie
La possibilité d'avoir des traitements, dits « hypofractionnés » c’est-à-dire dont le nombre de fractions est réduit, diminuant les contraintes pour le patients

La protonthérapie : une technique optimisée de radiothérapie...

LES TECHNIQUES

Les accélérateurs modernes de particules

Ils produisent des faisceaux de protons de 230 à 250 MeV, utilisables en médecine.
L'efficacité relative des protons par rapport aux photons γ du cobalt 60 est de 1,1.

Le pic de Bragg

L’énergie déposée par un faisceau de protons varie le long de son trajet dans les tissus, comparés à l'absorption d'un faisceau de photons.
Le pic de Bragg est un pic très marqué de la courbe de Bragg qui représente l’évolution de la perte d’énergie des radiations ionisantes au cours de leur trajet dans la matière.
Pour les protons, les particules alpha (noyaux d’hélium) et autres rayonnements ionisants, le pic se produit juste avant que les particules ne s’arrêtent.
On appelle ce phénomène le pic de Bragg, (WH. Bragg l’a découvert en 1903).
Comme le pic de Bragg est d'une largeur de quelques millimètres, différentes opérations techniques sont nécessaires pour étaler le pic en fonction de l’épaisseur tumorale traversée et à son ajustement à la tumeur en profondeur.
Pour tirer un bénéfice clinique du potentiel balistique de cette technologie, les traitements doivent être effectués avec la plus grande rigueur, contours anatomiques externes et internes définis par scanner et IRM fusionnées, identification des hétérogénéités tissulaires par scanner, délinéation minutieuse des différents volumes cibles et organes à risque...

LES INDICATIONS

Le fort gradient de dose dont on peut disposer à l’interface entre la tumeur et les "structures à risque", permet d’augmenter la dose tumorale tout en limitant la dose délivrée aux tissus sains environnants.

De ce fait, c'est, actuellement, la technique de référence pour le traitement des tumeurs nécessitant des doses d’irradiation élevées alors qu’elles se trouvent au contact ou à proximité de structures particulièrement critiques comme dans le cas

Des mélanomes oculaires
Des chordomes
Des chondrosarcomes de la base du crâne et du canal rachidien
Des tumeurs vertébrales et para-vertébrales
Des traitements des carcinomes thoraciques (pulmonaires, lymphome de Hodgkin)

Comme les protons permettent d'optimiser la protection des tissus sains, cette technique pourrait être appliquée pour le traitement :

De certaines tumeurs bénignes, notamment dans les méningiomes (tumeurs bénignes cérébrales)
Des tumeurs de l'enfant

L'hadronthérapie

Les hadrons constituent les noyaux des atomes
C'est une radiothérapie externe (RTE) qui utilise un faisceau de particules «lourdes», si on les compare aux électrons et photons…

Des protons (protonthérapie)
Des neutrons (neutronthérapie)
Des ions lourds, ions carbone principalement (carbonethérapie)

Le but de cette technique innovante est d’améliorer l’irradiation des cellules tumorales tout en épargnant les tissus sains et les organes. En effet, les protons ont des propriétés de précision balistique supérieures à celles des photons.
Les neutrons des propriétés d’efficacité biologique relative très intéressantes pour les tumeurs radio-résistantes.
Les ions lourds associent ces deux types de propriétés, balistiques et biologiques.
C'est une nouvelle méthode de radiothérapie utilisée pour le traitement de certains cancers avancés et/ou radio-résistants. De plus, la protonthérapie est une indication prioritaire pour les tumeurs de l’enfant du fait d’une diminution de la dose intégrale et du risque de cancers secondaires.
Il existe actuellement trois centres équipés Nice (2016) et Caen (2018)et le centre d’Orsay (2010).

Demain, les irradiations à haut débit...

LE PRINCIPE

Les irradiations à haut débit ou irradiations "FLASH" sont des méthodes permettant de délivrer une dose de 2 à 15 Gy en une fraction de seconde soit environ 600 à 2000 fois plus rapidement qu’avec les irradiateurs actuellement utilisés.
Cette technique est possible grâce à l'utilisation de machines de nouvelle génération qui produisent des rayonnements avec des hauts débits de dose

SON INTÉRÊT POTENTIEL

L'irradiation FLASH pourrait réduire la toxicité de l'irradiation tout en gardant l’activité antitumorale,. De plus, cette nouvelle technologie pourrait permettre de s’affranchir du mouvement des organes notamment pour les tumeurs en mouvement lors de la respiration.

mise à jour

5 septembre 2019