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Les isotopes sont des atomes du même élément qui diffèrent uniquement par le nombre de neutrons dans leur noyau. Lorsqu’ils sont introduits dans le corps humain, ils peuvent être détectés par rayonnement ou par des techniques analytiques avancées, offrant ainsi aux cliniciens et aux chercheurs une fenêtre puissante et non invasive sur les systèmes biologiques. Cette technologie permet un diagnostic précis des maladies, une étude détaillée des voies métaboliques et un suivi en temps réel de la distribution des médicaments chez les patients vivants.
Les isotopes se répartissent en deux catégories :stables et instables (radioactifs). Les isotopes stables, comme le carbone‑12, constituent la majorité des éléments naturels et n’émettent pas de rayonnement. Les isotopes instables, comme le carbone 14, se désintègrent avec le temps et libèrent des rayonnements détectables. Chimiquement, les deux se comportent de manière identique, ce qui permet aux cliniciens de remplacer un atome stable dans une molécule thérapeutique par son homologue radioactif pour retracer son parcours dans l’organisme. Les isotopes stables sont mesurés par spectrométrie de masse, tandis que les isotopes radioactifs sont surveillés avec des détecteurs gamma ou des scanners TEP.
Les isotopes stables sont devenus des outils indispensables en science nutritionnelle. Par exemple, le fer‑56 constitue environ 92 % du fer présent dans l’organisme, tandis que le rare fer‑58 n’en représente que 0,3 %. En administrant une dose contrôlée de fer-58 à un sujet, les chercheurs peuvent suivre l’apparition de l’isotope dans le sang, les tissus et les excréments au fil du temps. La différence de masse entre le fer-56 et le fer-58 permet à un spectromètre de masse de les distinguer, révélant ainsi comment l'organisme absorbe, stocke et mobilise le fer :un élément essentiel pour gérer l'anémie et les troubles associés.
La tomographie par émission de positons (TEP) utilise des isotopes radioactifs à courte durée de vie, notamment le fluor 18, pour générer des images tridimensionnelles de l'activité métabolique. Le fluor‑18, lié à un analogue du glucose, s'accumule préférentiellement dans les tissus à forte absorption de glucose, comme les régions actives du cerveau ou les tumeurs malignes. Les positons émis s'annihilent avec les électrons, produisant des photons gamma qui sont capturés par le scanner TEP. En quantifiant le signal, les médecins peuvent détecter les premiers signes de cancer, évaluer l’agressivité de la tumeur et surveiller les réponses au traitement. L'imagerie TEP aide également à diagnostiquer les maladies neurodégénératives en mettant en évidence les zones d'activité métabolique réduite.
L'imagerie de perfusion myocardique (MPI) est une modalité d'imagerie cardiaque qui utilise des traceurs radioactifs (technétium-99m ou thallium-201) pour évaluer le flux sanguin vers le muscle cardiaque. Après injection intraveineuse, l’isotope circule jusqu’au myocarde, où une gamma-caméra spécialisée enregistre la distribution du rayonnement. Les images sont acquises au repos et pendant le stress (exercice ou pharmacologique), révélant des régions de perfusion réduite pouvant indiquer une maladie coronarienne. MPI fournit aux cliniciens des données quantitatives sur la fonction et la viabilité cardiaques, guidant les décisions sur les interventions telles que la pose de stent ou le pontage.