Récemment, des chercheurs de l'Université du Québec ont mené avec succès une expérience au Laboratoire de sources de lumière laser avancées du Conseil national de recherches du Canada (INRS), démontrant l'utilisation prometteuse de la technologie laser ultrarapide pour la radiothérapie du cancer.
"Nous avons démontré pour la première fois que dans certaines conditions, un faisceau laser étroitement focalisé sur l'air ambiant peut accélérer les électrons jusqu'à la gamme d'énergie MeV (méga-électron-volt), qui est la même énergie que certains des radiateurs utilisés dans les radiations cancéreuses. thérapie." a déclaré François Légaré, professeur à l'INRS et responsable scientifique du Laboratoire des sources lumineuses avancées (ALLS).
En focalisant étroitement plusieurs cycles d'un laser infrarouge (IR) femtoseconde (fs) de niveau millijoule (mJ), les chercheurs génèrent des faisceaux d'électrons relativistes dans l'air ambiant et atteignent des débits de dose élevés allant jusqu'à 0.15 Gray par seconde (Gy/s). À pression atmosphérique, leur intensité laser atteignait 1 × 1019 watts par centimètre carré (W/cm-2). L’équipe a mesuré le faisceau d’électrons résultant et a constaté qu’il avait une énergie maximale allant jusqu’à 1,4 MeV.
L'équipe a montré comment la focalisation étroite, la longue longueur d'onde et la durée d'impulsion à cycle court du laser se combinent pour limiter l'effet de l'intégration b sur le faisceau laser focalisé. La haute densité de molécules d'air dans le volume focal ionisable est suffisante pour former un plasma proche de la densité critique, ce qui offre une efficacité de conversion élevée des lasers en électrons. Grâce à des simulations tridimensionnelles de particules dans la cellule, les chercheurs ont confirmé que le mécanisme d'accélération est basé sur le relativisme, qu'il possède un potentiel de mouvement de masse et qu'il est théoriquement cohérent avec les énergies et la diffusion des électrons mesurées.
Schéma du dispositif expérimental : les impulsions de lumière laser infrarouge ultracourte sont étroitement focalisées sur l'air ambiant, produisant une forte dose de rayonnement ionisant.
Les chercheurs pensent que la force de cette source d’électrons pilotée par laser vient de sa simplicité. Une seule optique focalisée dans l'air ambiant peut produire un faisceau d'électrons qui délivre l'équivalent d'un an de dose de rayonnement à une personne se tenant à un mètre de distance en moins d'une seconde. Aucune configuration compliquée ni chambre à vide n'est requise, ce qui rend cette méthode adaptée à de nombreuses applications d'irradiation en réduisant les exigences de production de sources d'électrons MeV ultrarapides.
Les progrès de la technologie laser ont permis à l'accélération du champ de sillage laser - un processus qui accélère les électrons à des énergies élevées en très peu de temps en générant du plasma - de fonctionner dans l'infrarouge moyen avec des systèmes de classe mJ pour produire des flux de particules élevés d'électrons MeV. qui peut être utilisé dans la recherche en radiobiologie. Cependant, ces sources d’électrons laser de haute énergie nécessitent des installations complexes et volumineuses dans des chambres à vide, qui limitent l’accès au faisceau.
Les sources d'électrons MeV pilotées par laser pourraient fournir de nouvelles approches de traitement du cancer, telles que la radiothérapie FLASH, une méthode de traitement des tumeurs résistantes à la radiothérapie conventionnelle. Avec la thérapie FLASH, de fortes doses de rayonnement peuvent être délivrées en microsecondes au lieu de quelques minutes. Cette rapidité d’administration contribue à protéger les tissus sains entourant la tumeur des effets des radiations. Bien que les effets du FLASH ne soient pas entièrement compris, les scientifiques pensent que le FLASH peut provoquer une désoxygénation rapide des tissus sains, réduisant ainsi la sensibilité des tissus aux radiations.
Débit de dose de rayonnement mesuré (échelle logarithmique) en fonction de la distance du point focal pour trois énergies d'impulsion laser différentes.
"Aucune étude n'a encore pu expliquer la nature de l'effet flash", précise le chercheur Simon Vallières. "Cependant, la source d'électrons utilisée en radiothérapie FLASH présente des caractéristiques similaires à celle que l'on génère en focalisant intensément le laser sur l'air ambiant. Une fois que les sources de rayonnement seront mieux contrôlées, d’autres études nous permettront d’étudier les causes de l’effet flash et, à terme, de fournir une meilleure radiothérapie aux patients atteints de cancer. »
Les chercheurs pensent que l’évolutivité de leur approche augmentera avec le développement continu de lasers de puissance moyenne élevée dans la classe mJ. Le développement rapide des sources laser, ciblant l’augmentation des énergies d’impulsions disponibles et des taux de répétition, pourrait permettre d’étendre la technique de l’INRS à des énergies électroniques plus élevées et à des débits de dose plus élevés.
Les chercheurs ont également souligné l’importance de la sécurité lorsqu’il s’agit de faisceaux laser étroitement concentrés sur l’air ambiant. Lorsque des mesures ont été prises à proximité de la source de rayonnement, l’équipe a observé des débits de dose de rayonnement provenant d’électrons trois à quatre fois supérieurs à ceux utilisés en radiothérapie conventionnelle.
"L'énergie observée des électrons (MeV) leur permet de se déplacer à plus de 3 mètres dans l'air ou à quelques millimètres sous la peau", a expliqué Vallières, "ce qui présente un risque d'exposition aux rayonnements pour les utilisateurs de la source de lumière laser. ce risque radiologique est une opportunité de mettre en œuvre des pratiques plus sûres en laboratoire.
