Le physicien médical Dr Aswin Hoffmann et son équipe de l'Institut de radio-oncologie-OncoRay du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont combiné l'imagerie par résonance magnétique (IRM) avec un faisceau de protons, démontrant ainsi pour la première fois qu'en principe, cette méthode d'imagerie couramment utilisée peut fonctionner avec les traitements du cancer par faisceau de particules. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour des thérapie contre le cancer en préservant les tissus sains. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Physique en médecine et biologie .

La radiothérapie fait depuis longtemps partie de la pratique de traitement oncologique standard. Une quantité spécifique d'énergie est déposée dans le tissu tumoral, où il endommage le matériel génétique des cellules cancéreuses, les empêchant de se diviser, et idéalement les détruire. La forme de radiothérapie la plus couramment utilisée aujourd'hui est appelée thérapie par photons, qui utilise des faisceaux de rayons X à haute énergie. Ici, une partie substantielle du faisceau pénètre dans le corps du patient, dépôt d'une dose nocive dans les tissus sains entourant la tumeur.

Les noyaux atomiques comme armes contre le cancer

Une alternative est la radiothérapie avec des noyaux atomiques chargés tels que des protons. La profondeur de pénétration de ces particules dépend de leur énergie initiale. Ils libèrent leur dose maximale à la fin de leur trajectoire. Aucune dose ne sera déposée au-delà de ce « pic de Bragg ». Le défi pour les médecins administrant ce type de thérapie est de contrôler le faisceau de protons exactement pour qu'il épouse la forme du tissu tumoral et ainsi épargner autant que possible le tissu normal environnant. Avant le traitement, ils effectuent une tomodensitométrie (TDM) basée sur les rayons X pour sélectionner leur volume cible.

"Cela présente divers inconvénients, " dit Hoffmann. " Tout d'abord, le contraste des tissus mous en tomodensitométrie est faible, et deuxièmement, la dose est déposée dans les tissus sains en dehors du volume cible. la protonthérapie est plus sensible au mouvement des organes et aux changements anatomiques que la radiothérapie avec des rayons X, ce qui nuit à la précision du ciblage lors du traitement des tumeurs mobiles. Maintenant, il n'y a aucun moyen direct de visualiser le mouvement de la tumeur pendant l'irradiation. C'est le plus gros obstacle à l'utilisation de la protonthérapie. "Nous ne savons pas exactement si le faisceau de protons frappera la tumeur comme prévu, " explique Hoffmann. Par conséquent, les médecins doivent aujourd'hui utiliser de grandes marges de sécurité autour de la tumeur. "Mais cela endommage davantage les tissus sains qu'il ne serait nécessaire si les radiations étaient plus ciblées. Cela signifie que nous n'exploitons pas encore tout le potentiel de la protonthérapie."

Premier prototype de thérapie par particules guidée par IRM

Hoffmann et son équipe veulent changer cela. En coopération avec le fabricant belge d'équipements de protonthérapie IBA (Ion Beam Applications SA), l'objectif de son groupe de recherche est d'intégrer la protonthérapie et l'imagerie par résonance magnétique en temps réel. Contrairement à la radiographie ou à la tomodensitométrie, L'IRM offre un excellent contraste des tissus mous et permet une imagerie continue pendant l'irradiation. "Il existe déjà deux de ces dispositifs hybrides à usage clinique dans la thérapie photonique guidée par IRM, mais aucun n'existe pour la thérapie par particules."

Ceci est principalement dû aux interactions électromagnétiques entre le scanner IRM et l'équipement de protonthérapie. D'un côté, Les scanners IRM ont besoin de champs magnétiques très homogènes afin de générer des images géométriquement précises. Le faisceau de protons, d'autre part, est généré dans un cyclotron, un accélérateur circulaire dans lequel les champs électromagnétiques forcent les particules chargées sur une trajectoire circulaire et les accélèrent. Le faisceau de protons est également dirigé et mis en forme par des aimants, dont les champs magnétiques peuvent interférer avec le champ magnétique homogène du scanner IRM.

« Lorsque nous avons lancé le projet il y a trois ans et demi, de nombreux collègues internationaux étaient sceptiques. Ils pensaient qu'il était impossible de faire fonctionner un scanner IRM dans un faisceau de protons à cause de toutes les perturbations électromagnétiques, " explique Hoffmann. " Pourtant, nous avons pu montrer dans nos expériences qu'un scanner IRM peut effectivement fonctionner dans un faisceau de protons. Les images en temps réel à contraste élevé et la direction précise du faisceau de protons ne s'excluent pas mutuellement. Les forces de Lorentz détourneront le faisceau de sa trajectoire rectiligne. Cependant, les chercheurs ont pu démontrer que cette déviation peut être anticipée et donc corrigée.

Pour explorer ces interactions mutuelles, Hoffmann et son équipe ont utilisé la salle expérimentale du National Center for Radiation Research in Oncology—OncoRay.

"Notre mission est d'individualiser biologiquement la protonthérapie et de l'optimiser technologiquement vers ses limites physiques, " dit Hoffmann, chef du groupe de recherche sur la radiothérapie guidée par IRM au HZDR. OncoRay dispose de son propre cyclotron pour délivrer le faisceau de protons dans la salle de thérapie ainsi que dans la salle d'expérimentation. Hoffmann et ses collègues ont utilisé ce dernier pour leurs activités de recherche. Avec le soutien d'IBA et de l'unité Paramed MRI d'ASG Superconductors SpA, ils ont installé un scanner IRM ouvert sur le trajet du faisceau de protons, réalisant le premier prototype au monde de thérapie par particules guidée par IRM. « Nous avons la chance d'avoir une salle d'expérimentation suffisamment grande pour accueillir un scanner IRM. C'est l'une des caractéristiques uniques d'OncoRay.

Genou fantôme, saucisse mixte et diversion prévisible

Pour leurs expérimentations sur ce premier prototype, ils ont d'abord utilisé ce qu'on appelle un fantôme de genou, un petit cylindre en plastique rempli d'un liquide de contraste aqueux et d'une variété de pièces en plastique de formes différentes. Hoffmann et son équipe l'ont utilisé pour effectuer des analyses quantitatives de la qualité de l'image. Dans une deuxième série d'expériences, les chercheurs ont utilisé un morceau de saucisse mélangée de Dresde. "Lorsque le groupe de recherche néerlandais a étudié l'imagerie pour son appareil de thérapie photonique guidée par IRM en 2009, ils ont utilisé des côtelettes de porc, " dit Hoffmann. " En 2016, Des chercheurs australiens ont fait la démonstration de leur appareil de thérapie par photons RM sur un steak de kangourou. Comme nous souhaitions également nous implanter en région pour notre prototype de thérapie par particules guidées par IRM, nous avons utilisé des saucisses mélangées de Dresde. » Les séries d'expériences avec le fantôme et avec la saucisse ont montré que les champs magnétiques de la protonthérapie ne déformaient pas l'image. Ils provoquaient simplement des changements mineurs dans l'image IRM, qui peut être corrigé.

Le projet entre actuellement dans sa prochaine phase. L'objectif est de développer le premier prototype au monde de thérapie par particules guidée par IRM qui soit applicable à une utilisation clinique.