Protonthérapie

La protonthérapie représente un intérêt en raison de sa capacité à cibler précisément et à détruire les tumeurs à la fois à la surface mais également installées en profondeur dans le corps, en minimisant les dommages occasionnés aux tissus biologiques environnants. Elle est donc préférentiellement utilisée pour traiter certains types de tumeurs pour lesquelles la radiothérapie conventionnelle à base de photon (rayon X) endommagerait les tissus sains environnants et radiosensibles. Ceci est d'une importance particulière dans le cas de patients pédiatriques où les effets à long terme tels que le déclenchement de tumeurs secondaires provoquées par la dose totale de radiation dans le corps serait problématique. Du fait de la plus faible dose délivrée aux tissus sains, les protons ont des effets collatéraux moins sévères que la radiothérapie conventionnelle.

Historiquement, un domaine où la protonthérapie a eu très tôt des applications bénéfiques fut le traitement des mélanomes malins de la choroïde, un type de cancer de l'œil pour lequel le seul traitement connu était l'énucléation (extraction de l'œil)[1]. Aujourd'hui, la protonthérapie est l'une des techniques qui permet de traiter cette tumeur sans mutilation. La protonthérapie est utilisée sur les cancers qui ne se sont pas encore propagés[2]. La radiothérapie conventionnelle a fait de gros progrès ces dernières années grâce aux techniques de radiochirurgie. En conséquence, l’intérêt et l'usage de la protonthérapie se trouvent limités à certains cancers ou à certains patients tel que les enfants.

La protonthérapie, comme toutes les formes de radiothérapie, fonctionne en envoyant des particules énergétiques ionisantes (dans ce cas, des protons) dans la tumeur cible. Ces particules endommagent l'ADN des cellules jusqu'à finalement causer leur mort. Du fait de leur forte propension à la division cellulaire, et de leur aptitude réduite à la réparation des brins d'ADN endommagés, les cellules cancéreuses sont particulièrement vulnérables à cette attaque sur leur ADN.

Comme les protons se dispersent peu dans les tissus (il y a très peu de dispersion latérale), le faisceau de protons reste concentré sur la forme de la tumeur sans trop de dommages latéraux aux tissus environnants. Tous les protons d'une certaine énergie ont une certaine distance de pénétration; aucun proton n'accède au-delà de cette limite. De plus, la dose délivrée au tissu est maximale juste sur les derniers millimètres du parcours des protons, ce maximum est appelé pic de Bragg (voir pouvoir d'arrêt), du nom de William Henry Bragg qui découvrit le phénomène en 1903. Cette profondeur dépend de l'énergie à laquelle les particules ont été accélérées par l'accélérateur de proton, énergie qui peut être ajustée jusqu'au maximum des capacités de l'accélérateur. Il est de ce fait possible de concentrer la destruction des cellules par le faisceau de protons là où la tumeur est située. Les tissus situés sur le parcours des particules, en amont du pic de Bragg, recevront une dose modérée et les tissus situés après le pic de Bragg ne recevront rien.

La protonthérapie, cependant, nécessite de gros équipements. Par exemple, le centre de protonthérapie d'Orsay, en France, utilise un cyclotron de 240 tonnes. De tels équipements n'étaient à l'origine disponibles que dans les centres étudiant la physique des particules. Et dans le cas de l'installation d'Orsay, la machine de traitement fut convertie d'une utilisation de recherche en physique vers une utilisation médicale.

De nos jours, il y a plusieurs centres dédiés à la protonthérapie en fonctionnement ou en construction en Amérique du Nord, Europe, Asie et Afrique du Sud. La thérapie par faisceau de protons a eu de remarquables succès dans le traitement de plusieurs types de cancers, incluant les tumeurs du cerveau et celles de la colonne vertébrale, aussi bien que celles de la prostate. Certains chercheurs ont émis l'idée que les antiprotons pourraient être encore plus efficaces pour détruire les cellules cancéreuses que leurs opposés protons. Pour le moment, seuls des recherches préliminaires sur culture de cellules ont été menées[3]^,[4].

C'est avec l'émergence des premiers accélérateurs de particules dans les années 1920 qu'apparaît la possibilité de traiter des cellules cancéreuses grâce à des électrons mais également grâce à des particules plus lourdes telles que les protons ou les ions plus lourds. C'est en 1946 que Robert R. Wilson fut le premier à proposer l'usage de faisceaux de protons pour le traitement du cancer et c'est ainsi qu'en 1954, sous l'impulsion du physicien Ernest Orlando Lawrence et de son frère le médecin John H. Lawrence que le cyclotron du laboratoire de Berkeley fut utilisé pour traiter le premier patient par proton-thérapie. Le début de l’ère de proton-thérapie en oncologie a eu lieu en Russie en 1967 à Doubna à l'Institut de recherche nucléaire et à Moscou à l'Institut de Physiques théorique et expérimentale. Depuis 1975, à l’institut de Physique nucléaire à Leningrad en Union Soviétique les patients ont bénéficié le traitement des différents type d'adénomes hypophysaires et des malformations vasculaires cérébrales. Le traitement a été réalisé par l’énergie des protons MeV sur la base de synchrocyclotron. L'idée d'utiliser des ions plus lourds, aussi appelés hadrons, naît rapidement dans l'esprit des physiciens et en 1957 le laboratoire de Berkeley utilise des faisceaux d'ions hélium pour traiter des patients puis des faisceaux d'ions carbone dès 1975. Toutefois ces pionniers de l'hadronthérapie ne seront réellement suivis par une recherche plus approfondie que vingt années plus tard. En 2010, une cinquantaine de centres de proton-thérapie sont ouverts dans le monde, le plus grand nombre aux États-Unis, au Japon et en Europe.

Comme expliqué plus haut, la protonthérapie se différencie de la radiothérapie conventionnelle par sa capacité à administrer la dose souhaitée dans la tumeur en gardant une dose assez faible dans les organes et tissus sains qui l'entourent. Cela vient des propriétés des protons (particules directement ionisantes) aux énergies utilisées qui interagissent avec la matière différemment des photons (particules indirectement ionisantes).

Tout au long de leur vie, les organes et tissus de l'être humain ne peuvent être exposés qu'à une certaine dose de radiation, que l'on appelle la dose de tolérance des organes à risque. Pour chaque tumeur, il y a donc une certaine dose thérapeutique qui permet de contrôler cette tumeur sans dépasser cette dose de tolérance.

• La courbe rouge représente un traitement par radiothérapie conventionnelle, c’est-à-dire par exposition à un ou des faisceaux de photons (rayons X). Les rayons pénètrent les tissus et les traversent cédant leur énergie aux particules chargés (ionisation) qui vont induire un dépôt d'énergie, une dose, importante dès leur entrée dans le corps du patient. Mais, dans ce cas, les rayons continuent à irradier l’organisme après la tumeur (exit dose) ce qui endommage les tissus sains devant et derrière la tumeur ;
• la courbe bleue représente un traitement par protonthérapie, c’est-à-dire par exposition à un ou des faisceaux de protons. Ceux-ci pénètrent les tissus, interagissent et puis sont stoppés. Ils déposent une dose constante relativement réduite dès la pénétration du corps et libèrent une dose maximale pour une vitesse, donc une énergie cinétique, précise : l'énergie cinétique initiale des protons (avant pénétration) sera choisie de telle sorte que cette dose maximum se situe au niveau de la tumeur. Ce maximum est appelé « pic de Bragg ».

• Le Centre de Protonthérapie de l'Institut Curie, Orsay, France
• Le Centre de Radiothérapie de Haute Précision, Nice, France
• La page du Particle Therapy Co-operative Group (PTCOG), avec des informations sur la radiothérapie protons et ions lourds à travers le monde
• La protonthérapie au Paul Scherrer Institute, Suisse
• University of Florida Proton Therapy Institute, Floride, États-Unis
• Loma Linda University Medical Center - Protonthérapie et centre de traitements, Californie, États-Unis
• Midwest Proton Radiotherapy Institute Bloomington, Indiana, États-Unis
• Massachusetts General Hospital Proton Beam Neurosurgery, Massachusetts, États-Unis
• Le Proton Medical Research Center, Université de Tsukuba, Japon
• Protons pour la thérapie au Hahn-Meitner-Institut, Berlin, Germany

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