Lydia Maigne : « L'Année de la santé mettra en lumière notre capacité à faire émerger des innovations scientifiques et technologiques de rupture »

Le mariage entre physique des deux infinis et santé n'est pas évident. Historiquement, comment l'institut en est-il venu à s'intéresser à la recherche en matière de santé ? 

La possibilité d’utiliser des faisceaux de particules dans le cadre de l’imagerie médicale et de l’oncologie est connue de longue date, et c’est dès les années 1980 que nos laboratoires commencent à exploiter leurs accélérateurs et leurs technologies de détection à cette fin. En 1986, l'IPNL à Lyon et l'ISN à Grenoble exploitent leurs synchrocyclotron et cyclotron pour produire des radioisotopes tels que le carbone 11, le krypton 81m et l'oxygène 15, utilisés en cardiologie, pneumologie et neurologie.

En 1991, le synchrocyclotron de 200 MeV de l'IPN d'Orsay est reconverti pour traiter des patients par faisceaux de protons. Au CENBG de Bordeaux, les microfaisceaux de protons et de particules alpha, focalisés à l'échelle micrométrique, permettent dès 1993, de cartographier des médicaments anticancéreux dans les cellules tumorales, puis, en 1998, de réaliser une tomographie tridimensionnelle d'une cellule humaine. Parallèlement, les outils de simulation Monte Carlo issus de la physique des particules, notamment Geant4 dès 1998, ouvrent de nouvelles perspectives pour l'imagerie et la dosimétrie médicale.

Ces avancées conduisent à une structuration nationale avec la création, en 2004, du GDR MI2B (Modélisation et Instrumentation pour l'Imagerie Biomédicale), aujourd'hui consacré aux « Outils et méthodes nucléaires pour la lutte contre le cancer ». Il fédère 12 laboratoires de l'institut et de nombreuses équipes partenaires (faisant partie du CEA, de l’INSERM ou de CNRS Biologie), au sein d'une communauté interdisciplinaire représentant une centaine de personnes. 

L'engagement de l'institut en santé n'est donc pas opportuniste, il s’inscrit dans une dynamique scientifique précoce et pionnière, portée par une capacité constante d’innovation.

Quel est le panorama de la recherche en matière de santé à l'institut aujourd'hui ? 

Nos recherches en santé s'articulent autour de trois axes complémentaires. Le premier concerne l'hadronthérapie et les nouvelles modalités d'irradiation dans le cadre du traitement de tumeurs cancéreuses, notamment la radiothérapie FLASH à ultra-haut débit de dose, dont nous cherchons à comprendre les mécanismes physiques, chimiques et biologiques pour mieux préserver les tissus sains.

Le deuxième porte sur les radiothérapies innovantes, en particulier les radiothérapies internes vectorisées, qui visent à cibler les cellules tumorales à l'aide de molécules marquées par des radionucléides thérapeutiques.

Enfin, la production de radioisotopes médicaux constitue un axe stratégique, depuis le développement de nouvelles voies de production jusqu'aux procédés de séparation, purification et radiomarquage.

Notre singularité réside dans la complémentarité des expertises réunies au sein de l'institut : physique des accélérateurs, instrumentation, métrologie, simulation, radiochimie, radiobiologie et biologie fondamentale. Cette diversité permet d'étudier l'ensemble des processus, de la production des rayonnements à leurs effets sur le vivant, et de concevoir les innovations médicales de demain.

Comment les faisceaux de particules ouvrent-ils la voie à de nouvelles radiothérapies ?

Nos équipes explorent l'hadronthérapie à très haut, voir ultra haut débit de dose, permettant de délivrer une très forte dose de rayonnement en un temps extrêmement court (jusqu’à 60 kGy/s). Cette thérapie, dite FLASH, vise à préserver davantage les tissus sains tout en maintenant l’efficacité antitumorale, grâce à des mécanismes physico-chimiques et biologiques encore largement à élucider.

L'instrumentation et la métrologie sont essentielles à la maîtrise des irradiations. C’est pourquoi le LLR a développé un détecteur ultramince à couches d'or exploitant l'émission d'électrons secondaires. Dans la même veine, le LPSC a conçu des capteurs en diamant synthétique permettant la caractérisation spatiale et temporelle des faisceaux ou des détecteurs Cherenkov ultrarapides pour le contrôle en ligne du parcours des protons par détection des photons gamma prompts. 

Ces développements s’accompagnent de recherches en physique nucléaire, dosimétrie et radioprotection, notamment à l’IPHC, où l’on étudie les processus de fragmentation nucléaire et la production de particules secondaires afin d’améliorer les modèles de simulation, la précision des calculs de dose et la maîtrise des irradiations en hadronthérapie.

Les simulations Monte Carlo multi-échelles jouent un rôle clé dans le développement des radiothérapies innovantes. La plateforme GATE, développée par une collaboration scientifique internationale à laquelle contribue activement le LPCA, repose sur la bibliothèque Geant4 et dispose d’une interface utilisateur en Python offrant une grande flexibilité pour modéliser des dispositifs expérimentaux complexes, reproduire fidèlement les conditions d’irradiation et prédire les distributions de doses physiques et biologiques. Au LP2IB, les développements autour de Geant4-DNA, composante de Geant4, permet quant à elle d’explorer à l’échelle moléculaire les interactions des rayonnements avec la matière et les processus physico-chimiques à l’origine des effets biologiques. Ces simulations s’appuient sur des approches expérimentales de pointe, associant les travaux de Subatech et de l’IPHC en radiolyse, consacrés notamment à la caractérisation des espèces chimiques réactives produites sous irradiation, et ceux de l’IP2I en radiobiologie, portant sur le stress oxydatif, les dommages à l’ADN et la survie cellulaire. 

Cette complémentarité, de la physique des faisceaux aux réponses biologiques, constitue une force majeure de l'institut pour développer les radiothérapies de demain.

Quels sont les enjeux des radiothérapies vectorisées et des radioisotopes médicaux ?

Les méthodes de radiothérapies vectorisées mobilisant des radioisotopes médicaux permettent aux professionnels de santé de mieux cibler les tumeurs pour améliorer la précision et la qualité du traitement. Nous développons de nouvelles voies de production de radionucléides d'intérêt médical, leurs procédés de séparation et de purification, ainsi que des approches de radiothérapie interne vectorisée.

Nos infrastructures jouent un rôle essentiel dans le développement de nouveaux radioisotopes : ARRONAX produit notamment du cuivre-64 pour l'imagerie, et explore le cuivre-67 et l'astate-211 pour les thérapies bêta et alpha ciblées. Au GANIL, SPIRAL2 permet d'optimiser les réactions de production de l'astate-211. À IJCLab, le séparateur SIDONIE contribue au développement des isotopes du terbium, prometteurs pour la théranostique associant diagnostic et traitement. À CYRCé (IPHC), la production de fluor-18, cuivre-64 et zirconium-89 s'accompagne de développements vers de nouveaux radionucléides thérapeutiques. 

Ces recherches alimentent les réflexions stratégiques de CNRS Nucléaire et Particules autour de l’initiative européenne ERVI (European Radioisotope Valley Initiative), portée par la Commission européenne pour renforcer la souveraineté de l’Europe dans la production de radioisotopes médicaux, sécuriser leur approvisionnement et accélérer l’innovation en médecine nucléaire. Notre ambition est de contribuer à cette dynamique en fédérant les compétences de nos laboratoires et en renforçant les complémentarités entre infrastructures de recherche, acteurs hospitaliers et industriels.

Au-delà de leur production, nos recherches associent radiochimie, instrumentation et simulations Monte Carlo multi-échelles pour quantifier les doses déposées, de l'organe jusqu'aux cellules et à leurs structures subcellulaires. 

Notre ambition est de dépasser la seule dose physique pour développer une dosimétrie biologique personnalisée, capable de mieux anticiper l'efficacité thérapeutique et la toxicité des traitements.

Comment les innovations en détection et en instrumentation développées dans nos laboratoires ouvrent-elles de nouvelles perspectives pour l’imagerie médicale ?

En imagerie médicale, nos laboratoires mobilisent leur expertise en physique des détecteurs, en instrumentation et en traitement des données pour développer des technologies innovantes au service du diagnostic et du soin. Au CPPM, le projet ClearMind explore une nouvelle génération de détecteurs ultrarapides pour améliorer les performances de la tomographie par émission de positons (TEP). À Subatech, le projet XEMIS développe une approche innovante d’imagerie médicale à trois photons, reposant sur une chambre à projection temporelle au xénon liquide, avec l’ambition d’améliorer la sensibilité de l’imagerie tout en réduisant les doses de radioactivité administrées aux patients. À IJCLab, le projet THIDOS développe une gamma-caméra ambulatoire pour la dosimétrie des traitements à l'iode radioactif, tandis que d'autres recherches portent sur des dispositifs miniaturisés d'imagerie fonctionnelle cérébrale. À l'IPHC, des instruments innovants sont conçus pour assister les chirurgiens dans le traitement du cancer du sein et développer l'imagerie multimodale préclinique. Enfin, au LPC Caen, les travaux associent traitement d'images médicales et nouvelles techniques de visualisation tridimensionnelle des distributions de dose.

En quoi cette Année de la Santé est-elle une opportunité pour l'institut ?

L'Année de la santé constitue une opportunité pour mettre en lumière notre capacité à faire émerger des innovations scientifiques et technologiques de rupture.

Nos recherches s'inscrivent au cœur des défis de la médecine de demain : développer des thérapies plus précises et personnalisées, comprendre les mécanismes fondamentaux des interactions entre rayonnements et vivant, et concevoir de nouvelles technologies de diagnostic et de traitement.

Cette initiative doit nous permettre de valoriser la richesse de nos expertises, la qualité de nos infrastructures et, surtout, la force de notre interdisciplinarité. Elle représente également une occasion privilégiée de renforcer les synergies avec les autres instituts du CNRS, les communautés médicales et biologiques, les établissements hospitaliers et les partenaires industriels.

Quelles actions seront engagées par l'institut dans le cadre de cette initiative ? 

Nous souhaitons faire de l'Année de la santé un temps fort de mobilisation de notre communauté scientifique, autour d'actions de valorisation, de partage des connaissances et de construction de nouvelles perspectives de recherche.

Nous encouragerons nos laboratoires à ouvrir leurs portes, à présenter leurs innovations et à aller à la rencontre du public, notamment des jeunes générations, pour illustrer la contribution de la physique nucléaire et des particules aux progrès de la médecine. Une attention particulière sera portée à la mise en valeur de nos infrastructures, de nos technologies et des femmes et des hommes qui les développent.

Nous souhaitons également favoriser des rencontres scientifiques interdisciplinaires associant physiciens, chimistes, biologistes, médecins et industriels, afin de faire émerger de nouvelles collaborations autour des grands défis de la santé. Dans cette perspective, CNRS Nucléaire et Particules s’appuiera notamment sur le GDR Mi2b pour organiser plusieurs événements scientifiques en partenariat notamment avec Unicancer, la Société française de physique médicale (SFPM), l’Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection (ASNR), les acteurs industriels et les autres instituts du CNRS. Ces rencontres viseront à renforcer les synergies entre recherche fondamentale, développements technologiques et applications cliniques, tout en favorisant l’émergence de projets collaboratifs ambitieux.

Enfin, au-delà de cette année de mobilisation, notre ambition est de renforcer la structuration de nos activités de recherche en santé, en identifiant des priorités scientifiques partagées et en favorisant l'émergence de projets fédérateurs à l'échelle nationale et européenne.