L’hadronthérapie regroupe l’utilisation de particules de la famille physique des hadrons : protons, neutrons, pions et par extension l’utilisation de noyaux atomiques chargés (puisque constitués de neutrons et de protons).

La masse élevée (par rapport aux photons et aux électrons) de ces particules, leur charge ou non, leur type d’interaction avec la matière leur confèrent des caractéristiques spécifiques (biologiques et balistiques) dont on peut tirer parti en radiothérapie.

Les protons

Les protons produisent des interactions avec les noyaux (interactions nucléaires) et surtout avec les électrons (interactions électroniques).

Au fur et à mesure du ralentissement d’un proton (dû aux pertes d’énergie dans les interactions), le dépôt d’énergie par unité de longueur (ou TEL) augmente et ce jusqu’à l’arrêt de la particule. Cela conduit à un dépôt d’énergie en profondeur en forme de pic (ou pic de Bragg), situé à une profondeur liée à l’énergie incidente de la particule. Le rapport dose à l’entrée sur dose au pic est d’environ un sur quatre.

Représentation schématique du dépôt d'énergie des électrons, des photons et des protons. On voit que toute l'énergie des protons se libère dans une étroite bande appelée pic de Bragg.

Outre ce caractère très précis de la libération d'énergie, l'effet biologique relatif est beaucoup plus important en raison du nombre d'interactions qui surviennent dans l'épaisseur moyenne de la molécule de DNA (c'est-à-dire environ 20 Å). Un irradiation photonique au Cobalt produit environ 0.01 collisions lors de la traversée de cette épaisseur ; les protons produisent environ 0.57 événements. Les particules lourdes (comme le Carbone) jusqu'à 3 événements, ce qui signifie un nombre beaucoup plus grand de lésions du DNA lors de l'irradiation.

Les protons sont produits par des cyclotrons : les protons sont injectés au centre d’une bobine magnétique, et subissent un champ magnétique vertical et un champ électrique qui les accélère. Les synchrotrons permettent de faire varier l'énergie des protons produits. Ceux-ci sont ensuite canalisés par différents aimants, et aboutissent sur la cible à irradier soit par un faisceau direct, soit par un bras isocentrique (comme en radiothérapie classique).

Les principales indications des protons sont :

• les mélanomes de la choroïde,
• les chordomes, chondrosarcomes de la base du crâne et du rachis cervical haut,
• les cancers de l'enfant,
• les méningiomes non accessibles à la neurochirurgie.

Les neutrons

Les neutrons sont des particules indirectement ionisantes. Ils interagissent avec les noyaux rencontrés (diffusions élastiques et inélastiques, réactions nucléaires, captures), ce qui provoque l’émission de particules chargées secondaires (protons, particules alpha et fragments nucléaires plus lourds de carbone, d’oxygène, d’azote et d’hydrogène) responsables de l’ionisation du milieu et de la dose délivrée aux tissus.

Interactions des neutrons avec la matière. En haut, diffusion élastique avec production d'un proton et d'un neutron. En bas, atteinte d'un noyau avec production de particules diverses chargées : protons, fragments nucléaires, électrons.

Le Transfert d'Energie Linéïque est environ 50 fois supérieur à celui d'un photon, mais le dépôt de l'énergie ressemble à celui des photons (pas de pic de Bragg).

La production de neutrons est basée sur des cyclotrons accélérant soit des deutérons (énergie maximum utilisée 50 MeV) soit des protons (énergie maximum utilisée 65 MeV), qui sont ensuite envoyés sur une cible en béryllium ce qui produit un spectre secondaire de neutrons.

Les indications de la neutronthérapie ne sont pas très nombreuses à l'heure actuelle :

• les tumeurs des glandes salivaires (carcinomes adénoïdes kystiques),
• les glioblastomes, radiorésistants en raison d'une composante cellulaire nécrotique,

Une technique prometteuse est à l'étude appelée thérapie par capture de neutrons par le bore (BNCT) : la tumeur est saturée d'atomes de ¹⁰B par administration au patient avant l'irradiation. Les neutrons sont alors freinés de façon élective par le bore, ce qui entraîne une fission nucléaire locale avec des atomes de ⁷Li et ⁴He.

Ce type de traitement est utilisé (de façon très expérimentale) pour les tumeurs très radio-résistantes (notamment les glioblastomes cérébraux)

Les ions

Ils combinent à la fois les propriétés balistiques des protons (dépôt d’énergie sous forme de pic de Bragg, faible dispersion latérale) et des propriétés biologiques analogues aux neutrons (TEL élevé, rôle de l'effet oxygène réduit) : c'est en général la thérapeutique par les ions qui est qualifiée d'hadronthérapie.

On distingue généralement les ions dits légers : carbone, oxygène jusqu’au néon et les ions dits lourds : argon, silicium

De nombreuses études se portent sur la production d'ions carbone et le plan cancer a décidé la réalisation d'un projet expérimental en France qui sera installé à Lyon.. D'autres pays possèdent des installations : le Japon et l'Allemagne (GSI - Heidelberg) ou sont en cours de fabrication Italie (Pavie) et Autriche (Wiener Neustadt). La ville de Caen est également candidate en raison de la présence de chercheurs expérimentés en faisceaux d'ions sur le Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), dans le cadre du réseau européen ENLIGHT (European Network for Research in Light Ion Therapy).

La production d'ions légers nécessite la présence de synchrotron qui permet généralement d’accélérer à énergie variable différents types d’ions légers ou lourds. Cependant, il faut construire des installations de grande taille (plusieurs dizaines de mètres de diamètre) avec une radioprotection importante. Il n'existe pas encore de bras isocentriques (comme dans la radiothérapie classique).

La délimitation du champ à traiter se fait par balayage actif ou raster-scanning : on traite chaque point d'une tranche, puis chaque tranche en faisant varier d'abord le diaphragme du faisceau, puis l'intensité du faisceau.

Explication du 'raster-scanning' : en [1], chaque tranche de tumeur est scannée par le pic de Bragg et reçoit donc une dose importante très localisée. Le déplacement latéral est provoqué par les modifications des champs électro-magnétiques. En [2], une fois une tranche traitée, on modifie l'intensité du faisceau pour traiter une nouvelle tranche.

Un intérêt de l'utilisation des ions carbone seraient la possibilité de faire une dosimétrie in vivo par la production de positons réalisée le long du pic de Bragg et de localiser le champ irradié par TEP-Scan.

Les indications actuelles seraient :

• les tumeurs de la base du crâne,
• les tumeurs des sinus de la face,
• les tumeurs méningées non opérables,
• les tumeurs paraspinales,
• les tumeurs sarcomateuses,
• et peut-être des formes radio-résistantes d'autres tumeurs.