Installations et moyens expérimentaux​​

Le microfaisceau Mircom
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Le microfaisceau

MIRCOM

MIRCOM, pour Microfaisceau d’ions dédiés à la radiobiologie des communications intra et inter cellulaire, est une plateforme d’irradiation équipée d’un microfaisceau d’ions capable de cibler, avec une précision micrométrique, des éléments cellulaires ou subcellulaires avec un nombre défini de particules chargées. Elle constitue un outil indispensable pour les recherches de l’Institut en radiobiologie. Ces recherches trouvent entre autres des retombées dans les domaines de l’utilisation des rayonnements ionisants à des fins diagnostique et thérapeutique ou dans le contexte des vols habités dans l’espace.

MIRCOM

Le microfaisceau

MIRCOM

MIRCOM, pour Microfaisceau d’ions dédiés à la radiobiologie des communications intra et inter cellulaire, est une plateforme d’irradiation équipée d’un microfaisceau d’ions capable de cibler, avec une précision micrométrique, des éléments cellulaires ou subcellulaires avec un nombre défini de particules chargées. Elle constitue un outil indispensable pour les recherches de l’Institut en radiobiologie. Ces recherches trouvent entre autres des retombées dans les domaines de l’utilisation des rayonnements ionisants à des fins diagnostique et thérapeutique ou dans le contexte des vols habités dans l’espace.

Contexte des recherches

Dans le domaine de la cancérologie, les progrès réalisés dans le diagnostic et les traitements ont permis d’accroitre les chances de guérison pour nombre de patients. Ils n’ont pas encore pu cependant éliminer, pour les patients ayant été atteints, les séquelles liées à la maladie et aux traitements. Des efforts sont en cours pour réduire la toxicité des traitements grâce à la recherche et au développement de la médecine personnalisée.  L’IRSN participe à cet effort en développant des recherches sur les mécanismes biologiques d’initiation et de progression de ces effets secondaires afin de pouvoir quantifier leur risque d’occurrence et de proposer de nouvelles prises en charge thérapeutiques. Parmi l’arsenal technologique disponible mettant en jeu l’utilisation de rayonnements ionisants, l’hadronthérapie (radiothérapie utilisant des faisceaux de protons ou de carbone) constitue une avancée prometteuse. Elle nécessite d’établir de nouveaux concepts de dosimétrie plus spécifiques, adaptés à l’efficacité biologique des particules, cette dernière étant différente de celle des photons utilisés en radiothérapie classique. Pour ce faire, il est important d’approfondir les connaissances sur les liens entre les évènements initiaux liés au transfert de l’énergie du rayonnement ionisant à l’échelle cellulaire et leurs effets biologiques précoces et plus tardifs.

​Vue d'ensemble de la ligne de microfaisceau de l'installation Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Contexte des recherches

Contexte des recherches
​Vue d'ensemble de la ligne de microfaisceau de l'installation Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Dans le domaine de la cancérologie, les progrès réalisés dans le diagnostic et les traitements ont permis d’accroitre les chances de guérison pour nombre de patients. Ils n’ont pas encore pu cependant éliminer, pour les patients ayant été atteints, les séquelles liées à la maladie et aux traitements. Des efforts sont en cours pour réduire la toxicité des traitements grâce à la recherche et au développement de la médecine personnalisée.  L’IRSN participe à cet effort en développant des recherches sur les mécanismes biologiques d’initiation et de progression de ces effets secondaires afin de pouvoir quantifier leur risque d’occurrence et de proposer de nouvelles prises en charge thérapeutiques. Parmi l’arsenal technologique disponible mettant en jeu l’utilisation de rayonnements ionisants, l’hadronthérapie (radiothérapie utilisant des faisceaux de protons ou de carbone) constitue une avancée prometteuse. Elle nécessite d’établir de nouveaux concepts de dosimétrie plus spécifiques, adaptés à l’efficacité biologique des particules, cette dernière étant différente de celle des photons utilisés en radiothérapie classique. Pour ce faire, il est important d’approfondir les connaissances sur les liens entre les évènements initiaux liés au transfert de l’énergie du rayonnement ionisant à l’échelle cellulaire et leurs effets biologiques précoces et plus tardifs.

​Modélisation de l'ADN dans une cellule, réalisée dans le cadre du programme Rosiris.
(c) IRSN
​Modélisation de l'ADN dans une cellule, réalisée dans le cadre du programme Rosiris.
(c) IRSN

Les recherches autour de Mircom

Le programme ROSIRIS de l’IRSN vise à combler en partie, par une approche expérimentale, le fossé de connaissances existant encore entre la physique des rayonnements ionisants et les premiers évènements induits à l’échelle moléculaire, cellulaire et tissulaire à l’aide de la plateforme MIRCOM. Il s’agit d’établir des corrélations entre la topologie des dépôts d’énergie des rayonnements ionisants (de type protons, particules alpha, ions carbone, etc.) à l’échelle nanométrique et des évènements biologiques radio-induits.

Les outils d’irradiation conventionnels irradient les échantillons dans leur globalité, avec une distribution aléatoire et statistique des particules ionisantes, ce qui ne permet ni de s’assurer que chaque cellule de l’échantillon a été réellement irradiée, ni de cibler un sous-compartiment de la cellule. C’est en revanche ce que permet un microfaisceau qui offre la possibilité de délivrer un nombre prédéterminé de particules de caractéristique définie (type et énergie), à une zone spécifique des cellules, du noyau ou du cytoplasme, et avec une résolution spatiale de l’ordre du micromètre. La précision des microfaisceaux permet donc de maîtriser la fraction de cellules ciblées par les particules, leur nombre pour chaque cible, et leur localisation au niveau cellulaire ou subcellulaire.

​Cellules irradiées par un rayonnement gamma présentant des foci, points où sont identifiés des dommages à l'ADN par immunodétection sur les histones H2AX, phosphorylées à proximité de doubles cassures de l'ADN.
(c) Géraldine Gonon / IRSN

Les recherches autour de Mircom

Les recherches autour de Mircom
​Cellules irradiées par un rayonnement gamma présentant des foci, points où sont identifiés des dommages à l'ADN par immunodétection sur les histones H2AX, phosphorylées à proximité de doubles cassures de l'ADN.
(c) Géraldine Gonon / IRSN

Le programme ROSIRIS de l’IRSN vise à combler en partie, par une approche expérimentale, le fossé de connaissances existant encore entre la physique des rayonnements ionisants et les premiers évènements induits à l’échelle moléculaire, cellulaire et tissulaire à l’aide de la plateforme MIRCOM. Il s’agit d’établir des corrélations entre la topologie des dépôts d’énergie des rayonnements ionisants (de type protons, particules alpha, ions carbone, etc.) à l’échelle nanométrique et des évènements biologiques radio-induits.

Les outils d’irradiation conventionnels irradient les échantillons dans leur globalité, avec une distribution aléatoire et statistique des particules ionisantes, ce qui ne permet ni de s’assurer que chaque cellule de l’échantillon a été réellement irradiée, ni de cibler un sous-compartiment de la cellule. C’est en revanche ce que permet un microfaisceau qui offre la possibilité de délivrer un nombre prédéterminé de particules de caractéristique définie (type et énergie), à une zone spécifique des cellules, du noyau ou du cytoplasme, et avec une résolution spatiale de l’ordre du micromètre. La précision des microfaisceaux permet donc de maîtriser la fraction de cellules ciblées par les particules, leur nombre pour chaque cible, et leur localisation au niveau cellulaire ou subcellulaire.

Le microfaisceau Mircom

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

05danstxt-plan-mircom.jpg 

Vue des lignes de faisceaux de l'installation Amande-Mircom en sortie d'accélérateur. La ligne obliquant vers la droite alimente le microfaisceau Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Le microfaisceau Mircom

Le microfaisceau Mircom
Vue des lignes de faisceaux de l'installation Amande-Mircom en sortie d'accélérateur. La ligne obliquant vers la droite alimente le microfaisceau Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

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

05danstxt-plan-mircom.jpg 

​Sources d’ions

L’accélérateur des installations AMANDE et MIRCOM dispose au total de trois sources d’ions négatifs délivrant des faisceaux d'ions allant de quelques dizaines (ions hélium et plus lourds) à centaines de µA (pour l’hydrogène et le deutérium) :

Une source d'ions de type "multicusp", originellement installée pour les besoin de l’installation AMANDE, permettant de générer des ions hydrogène etdeutérium (Z = 1). Pour les besoins de MIRCOM, seuls les ions hydrogène sont utilisés. Une seconde source de type "multicusp" permettant de produire des ions hélium (Z = 2). Une troisième source, à pulvérisation de césium, permettant de produire des ions au-delà du bore
(Z = 5). Les principaux ions qui seront utilisés sont le bore (Z = 5), le carbone (Z = 6) et l’oxygène (Z = 8).

06danstxt-MIRCOM_source-ions-lourds.jpg
Source d'ions lourds sur l'accélérateur de l'installation Amande-Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

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​Source de protons, deutons et d'hélium de l'installation Amande-Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN​
​Source de protons, deutons et d'hélium de l'installation Amande-Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN​

​Sources d’ions

L’accélérateur des installations AMANDE et MIRCOM dispose au total de trois sources d’ions négatifs délivrant des faisceaux d'ions allant de quelques dizaines (ions hélium et plus lourds) à centaines de µA (pour l’hydrogène et le deutérium) :

Une source d'ions de type "multicusp", originellement installée pour les besoin de l’installation AMANDE, permettant de générer des ions hydrogène etdeutérium (Z = 1). Pour les besoins de MIRCOM, seuls les ions hydrogène sont utilisés. Une seconde source de type "multicusp" permettant de produire des ions hélium (Z = 2). Une troisième source, à pulvérisation de césium, permettant de produire des ions au-delà du bore
(Z = 5). Les principaux ions qui seront utilisés sont le bore (Z = 5), le carbone (Z = 6) et l’oxygène (Z = 8).

06danstxt-MIRCOM_source-ions-lourds.jpg
Source d'ions lourds sur l'accélérateur de l'installation Amande-Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

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Fonctionnement

Le faisceau d’ion est accéléré dans un TandetronTM de 2MV. Les ions négatifs sont accélérés jusqu'à une énergie d'au plus 2 MeV au centre du Tandetron où ils sont « épluchés » pour devenir positifs et être accélérés une seconde fois jusqu'à une énergie dépendant de leur charge. Les faisceaux d'ions ainsi produits ont une énergie maximale de 4 MeV, 6 MeV ou 8-10 MeV pour respectivement les protons, les alphas ou les ions B, C, O. Le faisceau d'ions accélérés est ensuite 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, contre plusieurs µA en amont. 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 au travers d’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…).

​Vue d'ensemble de la ligne du microfaisceau de Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Fonctionnement

Fonctionnement
​Vue d'ensemble de la ligne du microfaisceau de Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Le faisceau d’ion est accéléré dans un TandetronTM de 2MV. Les ions négatifs sont accélérés jusqu'à une énergie d'au plus 2 MeV au centre du Tandetron où ils sont « épluchés » pour devenir positifs et être accélérés une seconde fois jusqu'à une énergie dépendant de leur charge. Les faisceaux d'ions ainsi produits ont une énergie maximale de 4 MeV, 6 MeV ou 8-10 MeV pour respectivement les protons, les alphas ou les ions B, C, O. Le faisceau d'ions accélérés est ensuite 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, contre plusieurs µA en amont. 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 au travers d’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…).

​​François Vianna, ingénieur-chercheur au LMDN, devant le poste de commande de l'accélérateur Amande dans la salle de commande de Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN
​​François Vianna, ingénieur-chercheur au LMDN, devant le poste de commande de l'accélérateur Amande dans la salle de commande de Mircom.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

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.

09danstxt-mircom-schema-principe.jpg
 

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​​Vue de la fin de la ligne du microfaisceau, avec au premier plan la fenêtre d'extraction du faisceau (où se trouve la lumière bleue) et à droite en blanc le microscope.
(c) Francesco Acerbis / IRSN
​​Vue de la fin de la ligne du microfaisceau, avec au premier plan la fenêtre d'extraction du faisceau (où se trouve la lumière bleue) et à droite en blanc le microscope.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

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.

09danstxt-mircom-schema-principe.jpg
 

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Caractéristiques

 

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

Estimation des performances sur cible :

 

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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​Pilotage du microfaisceau. Sur l'écran de gauche apparait le quadrillage de 16 points de faisceau de protons d'un diamètre sous vide estimé à moins de 1µm.​
(c) Francesco Acerbis / IRSN
​Pilotage du microfaisceau. Sur l'écran de gauche apparait le quadrillage de 16 points de faisceau de protons d'un diamètre sous vide estimé à moins de 1µm.​
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Caractéristiques

 

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

Estimation des performances sur cible :

 

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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Un laboratoire de biologie

Un laboratoire de biologie de 120 m², équipé de tous les éléments nécessaires à la culture cellulaire et à l'analyse de l'effet des rayonnements, est associé à MIRCOM.  Accolé à la pièce « microfaisceau », il permet de transférer aisément et rapidement les échantillons biologiques vers et depuis le microfaisceau. Il est composé de : 

2 salles de confinement L2 (avec PSM, incubateur thermostaté, centrifugeuse réfrigérée, microscope, réfrigérateur, etc.) ;1 salle de microscopie avec un microscope inversé motorisé à fluorescence Zeiss avec enceinte thermostatée et régulée en humidité et en gaz (CO2) permettant de réaliser des time lapses sur plus ou moins long terme ;Le module Definite focus permet le maintien du focus quelles que soient les conditions expérimentales et environnementales. Les sources d’illumination sont composées d’une source LED X-Cite 120 LED et filtres pour Dapi, GFP, TxRed et Cy5.
Les objectifs :
* LD Plan-NeoFluar 20x/0,4 Ph et 63x/0,75
* Plan-Apochromat 10x/0,45 Ph, 20x/0,8 Ph et 63x/1,4 Oil
Il est équipé d’une caméra Module d'imagerie structurée Apotome 2 et d’une caméra Hamamatsu Orca Flash 4.0 V2+.


MIRCOM – une plateforme ouverte à la communauté scientifique

La ligne microfaisceau de MIRCOM a été développée par le Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan (CENBG), établissement du CNRS/IN2P3 et de l’Université de Bordeaux, avec lequel l'IRSN a développé une collaboration étroite. Cette ligne est complémentaire de celle de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires de Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) du CENBG, qui est dotée d’un accélérateur Singletron de 3,5 MV produisant des faisceaux de protons, de deutons et de particules alpha.
MIRCOM est ouvert aux équipes de recherche de la communauté scientifique nationale et internationale, en particulier européenne, dans le cadre de programmes de recherche pour la radioprotection.

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​Dans le laboratoire attenant à la salle de commande de Mircom. Les salles de cultures attenantes à la salle de microscope sont classées P2.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Un laboratoire de biologie

Un laboratoire de biologie
​Dans le laboratoire attenant à la salle de commande de Mircom. Les salles de cultures attenantes à la salle de microscope sont classées P2.
(c) Francesco Acerbis / IRSN

Un laboratoire de biologie de 120 m², équipé de tous les éléments nécessaires à la culture cellulaire et à l'analyse de l'effet des rayonnements, est associé à MIRCOM.  Accolé à la pièce « microfaisceau », il permet de transférer aisément et rapidement les échantillons biologiques vers et depuis le microfaisceau. Il est composé de : 

2 salles de confinement L2 (avec PSM, incubateur thermostaté, centrifugeuse réfrigérée, microscope, réfrigérateur, etc.) ;1 salle de microscopie avec un microscope inversé motorisé à fluorescence Zeiss avec enceinte thermostatée et régulée en humidité et en gaz (CO2) permettant de réaliser des time lapses sur plus ou moins long terme ;Le module Definite focus permet le maintien du focus quelles que soient les conditions expérimentales et environnementales. Les sources d’illumination sont composées d’une source LED X-Cite 120 LED et filtres pour Dapi, GFP, TxRed et Cy5.
Les objectifs :
* LD Plan-NeoFluar 20x/0,4 Ph et 63x/0,75
* Plan-Apochromat 10x/0,45 Ph, 20x/0,8 Ph et 63x/1,4 Oil
Il est équipé d’une caméra Module d'imagerie structurée Apotome 2 et d’une caméra Hamamatsu Orca Flash 4.0 V2+.


MIRCOM – une plateforme ouverte à la communauté scientifique

La ligne microfaisceau de MIRCOM a été développée par le Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan (CENBG), établissement du CNRS/IN2P3 et de l’Université de Bordeaux, avec lequel l'IRSN a développé une collaboration étroite. Cette ligne est complémentaire de celle de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires de Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) du CENBG, qui est dotée d’un accélérateur Singletron de 3,5 MV produisant des faisceaux de protons, de deutons et de particules alpha.
MIRCOM est ouvert aux équipes de recherche de la communauté scientifique nationale et internationale, en particulier européenne, dans le cadre de programmes de recherche pour la radioprotection.

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