Dans le domaine médical 

Les rayonnements ionisants sont à ce jour un outil incontournable de l’arsenal thérapeutique de la cancérologie. Or, la radiothérapie s’accompagne souvent d’effets secondaires en raison de la présence de tissus sains dans le champ de l’irradiation. Ce problème des complications est un enjeu de santé publique majeur qui nécessite le développement de programmes de recherche sur les mécanismes d’apparition de ces complications afin de pouvoir quantifier leur risque d’occurrence et de proposer de nouvelles prises en charge thérapeutiques. Ces mécanismes sont très mal connus pour plusieurs raisons, notamment car le concept de dose, indispensable pour traiter efficacement la tumeur, est insuffisant pour rendre compte du lien entre les évènements physiques initiaux et leurs conséquences biologiques. Le défi que vise à relever le programme Rosiris de l’IRSN à l’aide de la plateforme Mircom est d’établir des corrélations entre la topologie des dépôts d’énergie des rayonnements ionisants à l’échelle nanométrique et celle des événements biologiques initiaux radio-induits et d’identifier les mécanismes d’apparition des complications des radiothérapies.

Afin d’étudier les mécanismes biologiques de ces effets radio-induits, il est indispensable de pouvoir reproduire, en laboratoire, des irradiations d’échantillons biologiques vivants aux doses correspondantes. Les outils d’irradiation classiques par des sources radioactives ou des générateurs de rayonnements X ne permettent ni de s’assurer que chaque cellule de l’échantillon est irradiée, ni de viser une cible à l’intérieur de la cellule. C’est ce que permettent les microfaisceaux d’ions, avec le contrôle précis du nombre de particules (de une à plusieurs) envoyées dans des cellules ciblées, et donc de la dose délivrée au sein de chaque cellule. En outre, il est possible avec ce type d’équipement de cibler avec précision un compartiment cellulaire donné, afin d’étudier la radiosensibilité des différents compartiments cellulaires (noyau / cytoplasme), ou d’irradier spécifiquement une cellule donnée pour observer les effets de cette irradiation sur les cellules environnantes. Ceci est un élément important dans l’étude des communications inter- et intracellulaires pour caractériser les effets non ciblés comme l’effet de proximité.​​​

Le microfaisceau Mircom ouvre des champs de recherche à l’interface entre la physique et la biologie en permettant de cibler un nombre de particules ionisantes prédéterminé sur des cellules isolées ou des compartiments cellulaires spécifiques avec une précision de tir de l’ordre du micromètre. Elle s’inscrit dans une logique de recherche, d’une part des mécanismes des complications à long terme des radiothérapies qui apparaissent au niveau des tissus sains, d’autre part des effets sanitaires des faibles doses.

Les mécanismes physiopathologiques associés sont très mal connus, notamment sur l’existence ou non d’une relation causale avec les premiers évènements physiques et biologiques radio-induits et sur le rôle joué par les dysfonctionnements des communications inter et intracellulaires. D’où un double enjeu :
• répondre à un défi scientifique majeur en tentant de combler, par une approche expérimentale, le fossé de connaissances existant encore entre la physique des rayonnements ionisants et les premiers évènements induits à l’échelle cellulaire et tissulaire ;
• contribuer à étayer les nouveaux paradigmes de la radiobiologie qui, contrairement au dogme historique de la « cellule cible » et des seuls dommages à l’ADN, privilégieraient les communications inter et intra-cellulaires dans la genèse des réponses radio-induites à long terme.

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​Le microfaisceau de Mircom est greffé sur l’accélérateur de l’installation Amande​, installée sur le site IRSN de Cadarache (Bouches du Rhône) pour créer des champs de neutrons monoénergétiques dédiés à la métrologie et à la dosimétrie des neutrons. 

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Le faisceau d’ion, de l’ordre de quelques dizaines de µA est accéléré puis dévié à l’aide d’un aimant à 90° vers la ligne microfaisceau. Cet aimant permet de sélectionner les ions qui seront utilisés pour l’irradiation en fonction de leur masse, de leur état de charge, et de leur énergie. Ils passent alors dans une boîte dite « objet », constituée de deux étages successifs de lèvres (horizontales et verticales) en tungstène et un étage de collimateurs, dans laquelle la taille du faisceau et son intensité sont réduites afin de n’en garder que le cœur. En aval de la boîte-objet, le courant de faisceau n’est alors plus que de quelques nA. Le faisceau traverse ensuite un collimateur afin d’éliminer les particules diffusées loin de l’axe optique du faisceau et ainsi de limiter les aberrations induites par le système de focalisation : l’intensité finale est de 1000 à 15000 particules par seconde, selon le collimateur utilisé.
Après cette deuxième collimation, le faisceau passe un système de focalisation constitué de quatre lentilles quadrupolaires magnétiques, couplées entre-elles pour obtenir une focalisation symétrique du faisceau d’ions. Ce système est capable d’atteindre un facteur de grandissement théorique de l’ordre de 1/20, c’est-à-dire que le faisceau obtenu sous vide après focalisation est environ 20 fois plus petit que le collimateur-objet utilisé.
Un déflecteur électrostatique, placé en amont sur la ligne, permet de couper le faisceau en quelques microsecondes après un temps donné sur cible ou, couplé à un système de détection des ions, lorsque le nombre requis de particules a atteint la cible.
Juste avant son extraction à l’air, un système de déplacement électrostatique est utilisé pour positionner précisément le faisceau sur la cible. Ce système est capable de déplacer le faisceau d’ions d’un point à un autre en quelques microsecondes, et peut ainsi générer différents motifs d’irradiation (point unique, réseau, croix…).

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Le faisceau sort à l’air libre au travers d’une fenêtre d’extraction en Si₃N₄ de 150 nm d’épaisseur en face de laquelle sont positionnés un porte-échantillon motorisé et un microscope à épi-fluorescence. Ces différents systèmes sont gérés par un logiciel développé spécifiquement qui permet de réaliser l’automatisation des phases d’étalonnage et d’irradiation. L’une des spécificités de ce microfaisceau est la capacité, grâce à son système de microscopie, de réaliser de la vidéomicroscopie en ligne, ce qui permet de visualiser directement les effets radio-induits survenant dans les échantillons quelques secondes seulement après irradiation.
Pour s’affranchir autant que possible des vibrations mécaniques, les éléments-clés du dispositif (boîte-objet, système de focalisation, microscope) sont placés sur des blocs massifs en marbre isolés mécaniquement du reste du bâtiment.

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Performances

Faisceau de protons de 4 MeV d’un diamètre sous vide estimé à moins de 1 µm.​
 

Faisceau de particules alpha de 6 MeV sur détecteur de traces. 10±3 ions par point. Pas : 5x5 µm.
 

Faisceau de particules alpha de 6 MeV sur détecteur de traces - Ciblage avec 10±3 particules par point​.
 

Faisceau de particules alpha de 6 MeV sur détecteur de traces.​

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Recherches associées

Le microfaisceau Mircom contribue particulièrement au programme Rosiris​ de l’IRSN, dont l'objet est de mieux comprendre la relation causale entre les effets précoces et les effets tardifs des rayonnements ionisants sur l'organisme. La nature des dommages cellulaires radio-induits initiaux dépend de la manière dont l’énergie d’une particule ionisante se dépose au sein d’une cellule et donc des caractéristiques physiques de cette particule. L’objectif du programme ROSIRIS est d’établir des liens entre la modélisation biophysique des événements précoces radio-induits et leurs conséquences tardives au niveau moléculaire et cellulaire en étudiant la distribution, la signalisation et la réparation des dommages initiaux de l’ADN ainsi que la restauration de l’architecture de la chromatine en fonction du type de rayonnement ionisant.

Mircom – une plateforme ouverte à la communauté scientifique

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