Détection par velocity map IMAGing des Electrons émis par les Radiosensibilisants suite à la collision avec des Ions – IMAGERI

La thérapie par faisceau d'ions ou hadronthérapie, contrairement à la radiothérapie classique, permet une bonne localisation du dépôt d'énergie dans les tumeurs et épargne ainsi les organes sains environnants. Récemment, l'utilisation de radiosensibilisants, comme les nanoparticules métalliques (Ag, Au, Gd), a été proposé afin de renforcer les effets biologiques de ces rayonnements ionisants en augmentant localement la dose. Le mécanisme responsable de cette augmentation est la libération importante d’électrons par les nanoparticules (NPs) suite à l’interaction avec le faisceau d'ions primaires ou les particules chargées secondaires. Ces électrons peuvent alors interagir directement avec les molécules du milieu cellulaire. Même à basse énergie (en dessous du seuil d'ionisation), les électrons peuvent induire des lésions moléculaires via attachement électronique dissociatif (DEA). Ils peuvent aussi produire des espèces hautement réactives tels que les radicaux hydroxyles (OH) par radiolyse ou DEA des molécules d'eau du milieu cellulaire.

Dans le cadre du projet IMAGERI, nous proposons de mesurer les sections efficaces absolues doublement différentielles d’émission d’électrons par des NPs métalliques suite à l’interaction avec des ions. Cela permettra de quantifier les processus physiques responsables de l'augmentation de l’efficacité d’endommagement par ce type de radiosensibilisants.

Par conséquent nous proposons de construire un nouveau dispositif expérimental dédié à la mesure des sections efficaces absolues d'émission d'électrons. Le faisceau de NPs métalliques formé par une lentille aérodynamique croisera perpendiculairement le faisceau projectile d'ions fournis par les lignes du GANIL. Les électrons émis seront extraits et analysés en énergie et en angle par un spectromètre de type Velocity Map Imaging (VMI). En mesurant la densité du faisceau cible, l'intensité du faisceau projectile et le recouvrement géométrique des deux faisceaux avec l'utilisation d'une microbalance à cristal de quartz et d'un profileur de faisceau d'ions, on pourra estimer des sections efficaces absolues pour l'émission d'électrons. Ces sections efficaces seront mesurées et comparées pour différentes tailles (de quelques nm à quelques dizaines de nm) et différents éléments (Ag, Au, Pt et Gd) de NPs. En outre, nous utiliserons des faisceaux d'ions d’énergies cinétiques caractéristiques du pic de Bragg (MeV) mais aussi de plus basses énergies (keV) correspondants à des ions secondaires émis le long de la trace du faisceau primaire en hadronthérapie.

Ce projet vise à mieux comprendre les propriétés intrinsèques des NPs sous irradiation et les processus physiques conduisant à l’augmentation des dégâts d'irradiation. Il fournira des données dont bénéficier une large communauté scientifique: de la physique expérimentale et théorique à la chimie et la biologie. Les sections efficaces absolues seront utilisées comme mesures de référence pour la théorie et pour les modélisations Monte-Carlo du passage de particules chargées à travers la matière (comme GEANT4-DNA). Des études comparatives entre les différents radiosensibilisants pourront donner lieu à de nouvelles expériences dédiées en radiobiologie. À long terme, nos résultats scientifiques, qui permettront une meilleure compréhension des processus fondamentaux, pourront conduire à une optimisation du choix des radiosensibilisants pour rendre plus efficace la technique de thérapie par faisceau d'ions.