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Ceci est un texte de l'archive des communiqués de presse du PSI. Le contenu peut être obsolète.Nucléide spécialement conçu pour des applications médicales
Les nucléides radioactifs sont des atomes instables qui émettent un rayonnement lors de leur désintégration, pour ensuite retrouver la stabilité. Cette particularité, les médecins l’exploitent depuis des années pour examiner leurs patients. Ils injectent le radionucléide dans la circulation sanguine, de manière à ce qu’il puisse émettre son rayonnement directement depuis l’intérieur du corps. Ce rayonnement s’échappe vers l’extérieur à travers la peau, où il est capté par des caméras spéciales. Comme le radionucléide s’enrichit de manière ciblée au contact de cellules cancéreuses ou dans les organes dont le métabolisme est perturbé, son rayonnement permet à la caméra de localiser précisément ces derniers. Les propriétés physiques du radionucléide jouent un rôle important lors de ce processus. Elles sont décisives pour la qualité et la précision des images prises. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI travaillent avec différents radionucléides, afin d’identifier ceux qui se prêtent le mieux à l’application médicale. Ils ont maintenant mis la main sur un candidat très prometteur.
Plus de 10 000 cliniques dans le monde utilisent des nucléides radioactifs dans le domaine de la médecine et plus de 90% de ces interventions ont des objectifs diagnostiques: détection précoce ou localisation précise d’un cancer, ou encore examen fonctionnel d’organes. Le radionucléide le plus souvent utilisé est le technétium 99m, qui émet des rayons gamma lors de sa désintégration. Les médecins y recourent chaque année dans le cadre de quelque 35 millions d’investigations. Mais certains appareils diagnostiques modernes captent un autre type de rayonnement que les rayons gamma et ont donc besoin d’autres sources de rayonnement. Parmi eux, le scanner TEP (pour tomographie par émission de positrons ou PET-scan), une caméra spéciale qui réalise des coupes en couleurs de haute qualité du corps humain et permet même de suivre en temps réel le travail du cœur, des reins ou du cerveau. Mais un scanner TEP nécessite un type bien particulier de radionucléides. Ces derniers doivent émettre des positrons lors de leur désintégration. Les positrons sont des particules qui ont pratiquement les mêmes propriétés que les électrons, mais une charge électrique positive. Les radionucléides appropriés émettant des positrons sont rares et jusqu’ici, seules une dizaine de radionucléides entrent en ligne de compte pour l’investigation médicale des patients. Aucun d’eux n’est parfait. Raison pour laquelle des chercheurs du PSI cherchent, à l’aide de l’accélérateur de protons que possède l’institut, de nouveaux radionucléides qui conviendraient pour les investigations avec le scanner TEP.
Quête difficile
Mais comment découvre-t-on un radionucléide de ce genre? Chaque radionucléide a ses propres caractéristiques typiques de désintégration: le type de rayonnement, le demi-vie et l’énergie de rayonnement. D’abord, il faut savoir quels sont les nucléides qui émettent des positrons, car ce sont les seuls qui entrent en ligne de compte pour un examen TEP, explique Nick van der Meulen, chercheur au PSI et qui travaille au Laboratoire de radiochimie et au Centre des sciences radiopharmaceutiques. Pour ce faire, il faut calculer la réaction nucléaire possible pour un atome et savoir quelle est la matière première nécessaire pour obtenir précisément cette réaction nucléaire.
Ensuite, une question décisive se pose: le nucléide obtenu à partir de la réaction nucléaire émet-il encore d’autres types de rayonnement? Les rayons gamma, par exemple, sont indésirables dans le cas des examens TEP: ils n’ont aucune utilité pour l’investigation et augmentent la radioexposition générale du patient. Or, dans la perspective d’une application ultérieure sur les patients, cette radioexposition devrait être aussi faible que possible.
Nick van der Meulen doit aussi prendre en compte la demi-vie. C’est l’une des propriétés importantes des radionucléides qui indique le laps de temps au terme duquel la moitié du nucléide est désintégrée. Lorsque les radionucléides utilisés pour des examens médicaux ont une longue demi-vie de plusieurs semaines ou plusieurs mois, le patient est exposé à une radiation trop importante
, explique le chercheur. A l’inverse, avec une demi-vie trop courte de quelques minutes, le temps vient parfois à manquer entre la fabrication et l’application. Le radionucléide se désintègre avant même de pouvoir être utilisé. Ceux qui conviennent le mieux sont donc les radionucléides avec une demi-vie de quelques heures.
Par ailleurs, les radionucléides doivent avoir la bonne énergie de rayonnement pour que le scanner TEP puisse ensuite livrer des images nettes.
Candidat prometteur
Au cours des dernières années, Nick van der Meulen a testé sept radionucléides différents au PSI. Il considère l’un d’eux, le scandium 44, comme particulièrement prometteur. Sa demi-vie est de quatre heures, donc relativement courte, et il émet les positrons désirés. A cela s’ajoute qu’il peut être facilement couplé à différentes molécules, par exemple à des peptides. Cette propriété est importante s’il doit être utilisé par la suite pour une recherche ciblée de tumeurs. Car un radionucléide n’est pas en mesure de trouver par lui-même des cellules cancéreuses ou des organes dans le corps. Seule la molécule à laquelle le radionucléide est lié en est capable. Soit ladite molécule est si spécifique qu’elle identifie les structures à la surface de la cellule cible et peut s’y amarrer suivant le principe clé-serrure. Soit elle est partie intégrante du métabolisme naturel de l’organisme, à l’instar du glucose. Elle emprunte alors la voie normale d’élimination comme les métabolites produits par l’organisme. Pendant ce temps, son traceur radioactif émet le rayonnement qu’enregistre une caméra spéciale comme le scanner TEP.
Le transfert vers la pratique
Pour Nick van der Meulen, d’ici quelques années, le scandium 44 pourrait remplacer les autres radionucléides. Grâce à ses propriétés de désintégration et surtout sa demi-vie, il est toujours possible de réaliser des images au scanner TEP plusieurs heures après sa fabrication. Par ailleurs, sa demi-vie rend possible son transport sur plusieurs centaines de kilomètres, sans qu’il arrive à la clinique déjà complètement désintégré. Il sera donc disponible aussi pour les établissements qui ne peuvent pas produire de radionucléides sur place et doivent en commander à des sites éloignés.
Nick van der Meulen et son groupe de travail ont démontré, comment à présent scandium peut être fabriqué à l’aide d’un cyclotron, en quantité et concentration suffisantes pour un usage médical ultérieur. Car les autres groupes de recherches qui avaient travaillé à une fabrication dans un cyclotron avaient seulement réussi à produire un radionucléide présentant une activité plus faible. D’autres avaient obtenu ce radionucléide dans un générateur de nucléides à partir de titane 44. Dans un générateur de nucléides, le nucléide parent, avec une demi-vie plus longue, se désintègre en nucléide de filiation, avec une demi-vie plus courte. Ensuite, le nucléide de filiation est isolé chimiquement pour l’utilisation suivante. Quant au titane 44, il est fabriqué dans un cyclotron. Il faut des semaines pour produire le titane 44 destiné au générateurs de nucléides, précise le chimiste. Ce que nous faisons, en revanche, est simple. Nous prenons notre matière première, le calcium 44, nous le plaçons dans le faisceau du cyclotron et nous le bombardons durant 90 minutes avec des protons.
Le spécialiste décrit ici de façon simplifiée une procédure qui, en réalité, est d’une extrême complexité. Car auparavant, il faut calculer précisément l’énergie avec laquelle on veut bombarder le calcium pour qu’au final, le scandium présente la radioactivité désirée et pour éviter l’apparition de trop de sous-produits de réaction. Ces derniers doivent en effet être éliminés au cours de plusieurs étapes de purification, car le scandium 44 doit être aussi pur que possible. Le reste du calcium est recyclé.
Lors de tout ce processus, un point est essentiel, aux yeux de Nick van der Meulen: Le cyclotron que nous utilisons au PSI est plus puissant que les autres, explique-t-il. Or si nous voulons que notre travail nous permette de réaliser un développement qui soit ensuite utile aux patients, nous devons déjà calculer maintenant l’ensemble des paramètres, de manière à ce que le procédé fonctionne aussi en clinique dans un petit cyclotron du commerce.
Pour l’instant, le chercheur et son groupe de travail sont sur la bonne voie. Leur objectif: avoir perfectionné d’ici cinq ans environ la fabrication du scandium 44 de manière à ce que la méthode soit reproductible et puisse continuer à être développée par des entreprises pour être ensuite commercialisée.
Texte: Sabine Goldhahn
Principe de la tomographie par émission de positrons (TEP)
La tomographie par émission de positrons (TEP) permet de visualiser certaines structures et certains processus à l’intérieur de l’organisme humain. Le procédé consiste à injecter dans l’organisme des atomes radioactifs (radionucléides) qui émettent des positrons lorsqu’ils se désintègrent. Les positrons sont en quelque sorte les pendants d’antimatière des électrons (leurs antiparticules). Les deux particules sont identiques au niveau de presque toutes leurs propriétés. Elles ont par exemple la même masse. Mais les positrons ont une charge électrique positive, alors que celle des électrons est négative. Lorsqu’un électron et un positron entrent en collision, ils se détruisent mutuellement (on dit qu’ils s’annihilent), tandis qu’apparaissent deux photons (particules lumineuses) de haute énergie qui partent dans des directions à peu près opposées. Ces deux photons peuvent être observés au moyen de détecteurs spéciaux et leur trajectoire permet de reconstituer l’emplacement où la collision entre le positron et l’électron s’est produite.Comme l’organisme abrite une énorme quantité d’électrons, ce processus appelé annihilation par les spécialistes ne tarde pas à se produire une fois le positron apparu. Cela permet de bien reconstituer la position du radionucléide dans le corps. Mais pour que le positron et l’électron puissent s’annihiler, il ne faut pas qu’ils soient trop rapides. Si le positron présente une énergie cinétique élevée au moment de son apparition, et donc une vitesse importante, il faut d’abord qu’il soit ralenti par les particules qui l’environnent. Mais ce faisant, il s’éloigne de son lieu d’origine, ce qui induit un flou au niveau de la localisation. L’énergie cinétique des positrons émis diffère d’un radionucléide à l’autre.
Le scandium 44 (44Sc) peut être fabriqué artificiellement de deux manières
1. Dans un générateur de nucléides, à partir de titane 44. Le noyau atomique du titane 44 a la capacité de capter un électron de la couche électronique et de se transformer ainsi en noyau de scandium 44. Le titane 44 peut être produit à l’aide d’un faisceau de protons à partir de scandium 45, un isotope stable. Le scandium 44 capte alors un proton, tout en émettant en même temps deux neutrons. La formule suivante permet de décrire la réaction: (45Sc(p,2n)44Ti->44Sc).2. Dans un cyclotron, à partir de calcium 44. Le noyau du calcium 44 capte alors un proton et émet un neutron. Formule: (44Ca(p,n)44Sc).
