Des cristaux contre le cancer

Publié par Isabelle le 25/03/2009 à 00:00
Source et illustrations: Copyright CERN
C'est un remarquable exemple de transfert direct d'une technologie de physique des particules vers la médecine. Un nouveau système de tomographie par émission de positons (TEP), dédié à l'imagerie du sein, démarre des essais cliniques au Portugal. Permettant de détecter des tumeurs plus petites et d'éviter des biopsies inutiles, il a été développé par un consortium portugais en collaboration avec le CERN et des laboratoires associés à la collaboration Crystal Clear (Crystal clear est une méthode de gestion de projet. Sa méthodologie est très fortement adaptable...).


L'appareil ClearPEM mis en service pour des essais cliniques à Porto.

L'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...), ça sert... et pas seulement à faire des films ou des livres à succès. Un nouveau type d'appareil de tomographie par émission de positons (TEP) vient d'être mis en service, le premier du genre en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...). Si les essais sont concluants, il promet de faire progresser le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de...) du cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...) du sein. En février, le consortium PET-Mammography, regroupant huit instituts portugais dont le Laboratoire de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) du Portugal (LIP), l'Hôpital (Un hôpital est un lieu destiné à prendre en charge des personnes atteintes de...) Garcia de Orta de Lisbonne et l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'oncologie de Porto, a mis en service un prototype de TEP (La tonne d'équivalent pétrole (symbole tep) est une unité d'énergie d'un point de vue...) dédié à l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) du sein pour des essais cliniques. Cet appareil a été développé au cours des cinq dernières années dans le cadre de la collaboration Crystal Clear. La collaboration Crystal Clear, dont le porte-parole est Stefaan Tavernier de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Vrije Universiteit de Bruxelles, mène depuis 1990 des travaux sur les cristaux pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des particules et leurs applications au-delà.


Un module très compact développé pour le ClearPEM, intégrant les cristaux et l'électronique de lecture.

Jusqu'à présent, les appareils de tomographie par émission de positons (TEP) se présentent comme de grosses machines capables de "photographier" l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) du corps (voir ci-dessous). Mais pour obtenir de meilleures performances, les membres de la collaboration Crystal Clear ont eu l'idée il y a quelques années de développer des appareils TEP dédiés. L'imagerie du sein est vite apparue comme bien appropriée: le sein est un organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction...) "externe", qui peut plus facilement être "placé" dans un tel appareil. De plus, il y a de réels besoins en la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...): si leur résolution spatiale est excellente, les mammographies classiques par rayons X donnent souvent des résultats indécis. "60 % des images donnant un résultat positif, qui indiquent donc un problème possible, ne sont en réalité pas des cancers", indique Paul Lecoq, physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) de CMS et initiateur de la collaboration Crystal Clear. En particulier, les mammographies réalisées sur des femmes jeunes, qui présentent des tissus mammaires denses, sur des femmes qui ont subi de la chirurgie (La chirurgie est une technique médicale consistant en une intervention physique sur les...) plastique ou sur celles qui suivent un traitement contre la ménopause (La ménopause, du grec méno, règles et pause, arrêt, appelée aussi âge...), peuvent donner des résultats faussés. Le médecin (Un médecin est un professionnel de la santé titulaire d'un diplôme de docteur en...) prescrit alors une biopsie (Une biopsie correspond au prélèvement d'un échantillon de tissus de l'organisme dans...): même s'il est léger, cet acte chirurgical n'est pas anodin, et il est de surcroît coûteux.

Pour ces patientes, le nouvel appareil ClearPEM (PEM pour mammographie (La mammographie est une technique de radiographie, particulièrement adaptée aux seins de...) par émission de positons) peut réaliser des prouesses et éviter des biopsies inutiles. "Des millions de patientes en Europe sont concernées", indique Paul Lecoq. L'intérêt par rapport à un appareil TEP classique est également patent. Le ClearPEM est plus sensible que le TEP, détectant 5 à 10 fois plus de rayonnements émis par rapport à une même dose injectée (voir ci-dessous). Cette meilleure sensibilité se traduit par la détection de tumeurs plus petites: il peut identifier des tumeurs de 2 à 3 millimètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), contre 10 à 15 millimètres pour un TEP "corps entier". L'examen est plus rapide. "Il peut être réalisé en 5 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...) au lieu de 25 avec un TEP classique", explique Joao Varela, physicien de CMS qui dirige par ailleurs la collaboration portugaise sur le ClearPEM. Examen plus rapide signifie moins de dose radioactive injectée.

Le défi était donc de rendre un appareil TEP assez compact pour être dédié à un organe. Les développements ont débuté en 2003, avec l'aide des techniques utilisées pour le calorimètre électromagnétique de CMS. "Le ClearPEM est exactement comme un calorimètre électromagnétique à cristaux. La seule différence, c'est la taille!", souligne Joao Varela. Le ClearPEM est à ce titre un formidable exemple de transfert direct de la physique des particules vers la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...).

L'appareillage consiste en deux plaques de 16 par 18 cm, dotées de cristaux et insérées avec l'électronique dans un châssis (Un châssis est un cadre rigide ou mobile fait d'une matière résistante, destiné à entourer ou...) robotisé. Pendant l'examen, l'appareillage tourne autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du sein. Comme le calorimètre de CMS, le ClearPEM est doté de cristaux qui scintillent au passage des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (rayons gamma) émis par le corps. Les 6000 cristaux du ClearPEM sont cependant bien plus sensibles que ceux de CMS car ils doivent détecter des signaux bien plus faibles. Et ils sont bien entendu bien plus petits car les énergies des rayons gamma à détecter sont environ 100000 fois plus faibles. Ils ont été caractérisés au CERN par un appareil similaire à celui utilisé pour les cristaux de CMS.


L'une des clés pour rendre l'appareil compact a été l'utilisation des photodiodes à avalanches (APD) qui transforment le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) lumineux en signal électrique. Ces carrés de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) très compacts, qui se collent à l'extrémité du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), ont été développés pour CMS. "Nous avons également dû mettre au point (Graphie) une électronique à très bas bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) et très compacte, ainsi qu'une électronique de lecture qui s'est inspirée du système de déclenchement de CMS", poursuit Joao Varela. Il faut dire que Joao Varela n'est autre que... le responsable du système de déclenchement de CMS!

Le prototype est désormais utilisé pour réaliser 100 à 200 des essais cliniques à l'Institut d'oncologie de Porto. En fonction des résultats obtenus, la communauté médicale pourra décider d'utiliser un tel appareil. Mais en attendant, les membres de la collaboration Crystal Clear ont d'autres projets dans les cartons, notamment dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) CERIMED. Le projet CERIMED (Centre européen de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en imagerie médicale), qui s'installe à Marseille sous l'impulsion de son promoteur, Paul Lecoq, construit un appareil TEP couplé à un système à ultrasons. Baptisé ClearPEM sonic, ce nouvel appareil sera installé d'ici à la fin de l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) à l'Hôpital de la Timone (L'hôpital de la Timone est le plus grand hôpital de Marseille (Bouches-du-Rhône, en...) à Marseille. Les technologies TEP et ultrasons couplées promettent encore d'améliorer l'imagerie du sein.

Comment fonctionne un appareil TEP?

La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir...) qui permet de mesurer en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) métabolique d'un organe. On injecte au patient (Dans le domaine de la médecine, le terme patient désigne couramment une personne recevant...) un sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce...) marqué par un produit radioactif. Les cellules cancéreuses, qui ont une plus grande activité que les cellules saines, vont en priorité absorber ce sucre un peu particulier, qui n'est pas métabolisé par les cellules. Le marqueur radioactif, du Fluor 18 (Le fluor 18, noté 18F, est l'isotope du fluor dont le nombre de masse est égal à...), se désintègre en émettant des positons (les antiparticules des électrons) qui s'annihilent à leur tour en émettant en directions opposées deux rayons gamma (photons) d'une énergie déterminée (511 keV). Les cristaux de l'appareil TEP, disposés sur deux plaques placées de chaque côté du corps ou de l'organe, détectent ces paires de photons, comme le calorimètre à cristaux de CMS détectera les deux rayons gamma issus de la désintégration du boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) de Higgs! En reconstituant toutes les coïncidences (les deux photons émis en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) opposés), l'appareil reconstruit une image qui permet d'observer le métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques...) des cellules. C'est pourquoi on parle d'imagerie fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) par opposition aux techniques d'imagerie par rayons X, par exemple, qui donnent une vision anatomique.
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