Au PSI, les tumeurs sont traitées avec des jets de protons. Cette radiothérapie particulièrement douce pour les tissus sains s’avère en effet idéale pour les 370 enfants et adolescents de moins de 18 ans qui figurent parmi les patients. C’est grâce aux recherches menées par le PSI depuis 40 ans sur les accélérateurs de protons que cette installation, uni que en Suisse, destinée au traitement du cancer a pu être construite.

Le patient est accompagné dans la salle de traitement et se couche sur la table de traitement. Une fois qu’il est correctement installé et fixé, la table adopte alors la position de traitement de la station de thérapie Gantry 2, la dernière génération de système d’irradiation par flux de protons. La table reste immobile, mais Gantry 2 se met à tourner autour du patient. Une fois la position correcte atteinte, l’assistant en radiologie dans la pièce voisine commence l’irradiation avec des protons, les particules chargées positivement contenues dans chaque noyau atomique. La patiente souffre d’une tumeur au cerveau non opérable située à la base du crâne. Il faut donc arrêter la croissance de cette tumeur par la radiothérapie. Les rayons de protons palpent la tumeur au millimètre près. Pour ce faire, des aimants guident les rayons, comme dans un vieux téléviseur à tube cathodique. La radiothérapie ciblée épargne les tissus sains environnants.

Gantry 2 se trouve au Centre de protonthérapie sur le site du PSI à Villigen. «Cette installation est unique», révèle David Meer, physicien des hautes énergies impliqué depuis 2004 dans son développement. Il n’existe rien de mieux dans le monde entier. En effet, le faisceau de protons peut balayer les tissus malades de manière particulièrement rapide et précise. Les patients atteints du cancer sont traités avec Gantry 2 depuis novembre 2013. Mais son prédécesseur était déjà à la pointe au niveau mondial: lorsque Gantry 1 est entré en service en 1996, ce procédé de balayage point par point, appelé «spot scanning» par les spécialistes, a été utilisé pour la première fois pour l’irradiation des patients atteints du cancer. «Cela a été un immense succès, même selon les critères d’aujourd’hui», ajoute David Meer. Depuis lors, 900 patients ont été traités avec Gantry 1, qui continue de fonctionner à côté de Gantry 2.

Un projet osé qui finit par payer

Les protons pour la radiothérapie sont produits depuis 2007 par un accélérateur dont le concept a été développé aux Etats-Unis par l’université de l’Etat du Michigan et réalisé l’entreprise allemande Accel (qui fait aujourd’hui partie de Varian Medical Systems). Ils ont pu compter entre autres sur les experts et les dizaines d’années d’expérience du PSI. En effet, le premier grand accélérateur de protons a vu le jour il y a quarante ans à Villigen, et des scientifiques du monde entier l’utilisent encore aujourd’hui pour leurs expériences dans la recherche, et non plus à des fins médicales. «Sans cette connaissance et cette expérience, nous n’aurions pas pu construire les installations pour le traitement du cancer au PSI», explique David Meer. Cela paraît évident aujourd’hui, mais la construction de cet accélérateur d’une valeur de 100 mio CHF à l’époque avait été controversée. «C’était risqué, car il n’y avait encore aucun précédent dans le monde», avait écrit la Neue Zürcher Zeitung lors de la mise en service de l’installation en 1974. Le projet avait toutefois été développé avec le plus grand soin sur des années de travail.

Pour jeter un coup d’œil à cet imposant accélérateur vétéran, il faut se rendre dans la salle d’expérimentation et atteindre la galerie en grimpant sur un échafaudage métallique. Cachés sous une dalle en béton, huit gros aimants de 250 tonnes chacun sont disposés en cercle. Entre eux se trouvent quatre cavités dans lesquelles les protons peuvent être accélérés au moyen d’une tension alternative. Les aimants maintiennent les particules dans leur orbite. Les protons sont accélérés sur un cercle de 15 mètres de diamètre au point d’atteindre environ 80 % de la vitesse de la lumière. Ils entrent ensuite en collision avec des pièces spéciales de carbone, ce qui produit des muons – des particules semblables à des électrons, mais beaucoup plus lourdes. Ou bien ils cré ent des neutrons, les composants non chargés des noyaux atomiques, lorsqu’ils entrent en collision avec les cibles de plomb.

Le grand cyclotron est entouré de plusieurs de emplacements de mesure, où les chercheurs procèdent avec les particules fraîchement fabriquées à des expériences dont certaines ne sont réalisables qu’au PSI. Même si cet équipement a surtout permis des recherches fondamentales en physique des particules il y a 40 ans, des expériences dans d’autres domaines de recherche sont venues s’y ajouter au fil du temps, notamment en science des matériaux, en biologie structurale et même en archéologie. C’est ainsi que les chercheurs étudient aujourd’hui les couches les plus fines de matériaux innovants avec des muons, ou qu’ils examinent des œuvres d’art préhistoriques avec des neutrons. Grâce à des mises à niveau constantes, le PSI détient même un record du monde depuis 1994: «Notre faisceau de protons est le plus puissant au monde», affirme le prof. Leonid Rivkin, directeur du département des grands instruments de recherche au PSI et du laboratoire de physique des accélérateurs de particules (LPAP) à l’EPFL.

Guérir des patients atteints de tumeurs de l’œil

Il y a trente ans, le PSI utilisait déjà les faisceaux de protons non seulement pour la recherche, mais aussi pour le traitement du cancer. Cela a commencé avec l’irradiation de tumeurs oculaires. Depuis lors, plus de 6 300 patients ont été traités avec succès au PSI pour de telles tumeurs. On peut signaler un fait particulièrement réjouissant: après cinq ans, le taux de contrôle local des tumeurs oculaires des patients atteint les 98 %. Lorsque Gantry 1 a débuté ses activités, il a permis de traiter des tumeurs situées en profondeur, notamment dans la tête.

Comme l’accélérateur de protons mis en service en 1974 n’était pas optimal pour les opérations médicales, un nouvel accélérateur a été développé. «A l’image de Gantry 1 et 2, cet accélérateur de protons a lui aussi joué un rôle de pionnier», raconte David Meer. Grâce à des aimants supraconducteurs capables de générer des champs particulièrement forts, le nouvel accélérateur inauguré en 2007 a un diamètre de seulement trois mètres. Le PSI a osé un pari audacieux en participant au développement de cette nouvelle installation, mais cela en a valu la peine, affirme l’expert. Le fabricant a déjà livré trois autres accélérateurs et en assemble actuellement plusieurs nouveaux.

Le PSI a en outre joué un rôle précurseur dans la sélection des patients: depuis 2004, le centre traite non seulement des adolescents et des adultes de toute l’Europe, mais aussi des enfants atteints de tumeurs à la tête ou au thorax. Alors que les rayons X conventionnels traversent le corps, les protons s’arrêtent après avoir parcouru une certaine distance dans le corps. C’est pourquoi les tissus situés derrière la tumeur ne reçoivent pas, ou très peu de rayons, ce qui les ménage. «C’est extrêmement important pour les enfants», souligne David Meer. La croissance de la tumeur pourrait aussi être neutralisée par radiothérapie classique, mais celle-ci risquerait d’endommager également les tissus sains. «Nous ne pouvons peut-être pas mieux administrer les rayons, mais nous pouvons le faire plus en douceur», résume l’expert.

Les enfants et les adolescents représentent environ 50 % des patients traités

Même si les données sur le long terme sont encore insuffisantes, les experts sont convaincus que l’irradiation par protons augmente la qualité de vie des enfants traités. Afin de maintenir ces petits patients immobiles pendant la radiothérapie, ils reçoivent une anesthésie. C’est l’équipe d’anesthésie de l’Hôpital pédiatrique de Zurich qui s’en occupe. Ainsi, 220 enfants, la plupart âgés de moins de sept ans, ont-ils déjà été traités ces dix dernières années. Les enfants et les adolescents de moins de 18 ans représentent maintenant près de la moitié des patients cancéreux traités au PSI.

Grâce à Gantry 2, le nombre de patients atteints du cancer pouvant bénéficier de cette technologie moderne va encore augmenter à l’avenir. En effet, ce nouvel équipement devrait permettre aux médecins de ne plus seulement traiter des tumeurs rares situées dans la tête ou dans la colonne vertébrale, mais de pouvoir traiter aussi des cancers plus répandus tels que celui du poumon. Une difficulté majeure se pose toutefois: la respiration du patient fait bouger la tumeur. Pour déterminer l’emplacement exact du tissu malade, un tomographe informatisé se trouve à côté de Gantry 2 dans la salle de traitement afin de fournir des images en temps réel du volume cible en mouvement. Gantry 2 est également pourvu d’un système à rayons X intégré. «Cela représente une grande innovation», explique David Meer, «en permettant d’obtenir des radiographies dans le sens des rayons et de connaître ainsi le déplacement de la tumeur pendant l’irradiation.»

Les premiers traitements de tumeurs en mouvement à l’aide de Gantry 2 devraient débuter fin 2015. En outre, une nouvelle installation Gantry 3 se trouve déjà en construction. Elle sera le fruit d’une collaboration de recherche avec le fabricant Varian Medical Systems, cofinancée par le Fonds de la loterie du canton de Zurich et exploitée avec l’Hôpital universitaire de Zurich à partir de 2016.