Description du sujet de thèse

L'accélération d'électrons par laser permet l'obtention de paquets de charge courts, énergétiques et intenses; cette stratégie, développée au tout début des années 2000s 1 a grandement évolué. Les électrons sont extraits, sélectionnés et accélérés par une unique impulsion laser à très haute puissance se propageant dans une cible gazeuse, où tous les paramètres de l'interaction (entre autres la nature et le profile de densité du gaz, la durée du laser, son intensité et sa focalisation) jouent un rôle sur les caractéristiques du rayonnement produit. Par conséquence aux très forts gradients accélérateurs et à structure temporelle des impulsions lasers, l'émission de particules a lieu en un temps extrêmement bref, conduisant à la production de paquet d’électrons très court à très haute courant de instantanée. Le courant moyen produit par une telle machine est, quant à lui, limité par la cadence et la puissance moyenne du laser accélérateur.
L’intérêt grandissant pour le développement de thérapies en radio-oncologie en utilisant des électrons à haute énergie (VHEE : Very-High Energy Electrons)2 et l’observation des effets liés à la modalité temporelle de délivrance de la dose (effet FLASH3 entre autres) confirment le potentiel d’application en radiothérapie des sources d’électrons accélérées par laser (LAE : Laser Accelerated Electrons). Ces sources permettent en fait d’obtenir des énergies hautement pénétrantes, qui peuvent être utilisées pour des traitements profonds chez l’humain, dans une longueur d’accélération très réduite, donc plus facile à transposer vers le milieu hospitalier. La modalité temporelle de dépôt de dose qui est propre au sources de rayonnement ionisants par laser (dite de « fractionnement rapide »4). Parallèlement au développement technologique, la recherche pré-clinique avec ces faisceaux LAE permet l’exploration des différents mécanismes de toxicité de rayonnements ionisants à temps très court et à débit de dose très élevés, qui sont à la base des thérapies FLASH, potentiellement novatrices.
La proposition de thèse se situe dans le cadre de la collaboration existente entre le LOA et l’Institut Curie (IC), autour des effets biologiques des VHEEs et des débits de dose élevés. Une station d’irradiation expérimentale, pouvant appliquer de manière contrôlée des électrons VHEE, a été mise à point au LOA (projet Sésame IDRA), utilisant le laser « Salle Jaune » avec un taux de répétition de 1 Hz. L’utilisation de cette irradiateur a permis (projet MITI/80Prime BioRapidE) une vaste campagne d’exploration des effets des LAE sur le vivant, allant dès cultures cellulaires (in vitro) au organes des souris (ex vivo, selon la technique et en comparaison avec M. Dubail et al.5), jusqu’à l’exploration des effets secondaires in vivo, suivant le protocole défini par V. Favaudon et al.6, qui marque notamment la découverte de l’effet FLASH.
D’après l’évidence expérimentale à présent, un effet de toxicité différentiel semble exister selon la cadence d’irradiation, alors que tout les autres indicateurs semblent confirmer les résultats des études similaires utilisant des accélérateurs conventionnels. Dans la perspective de définir la pertinence médicale des conditions d’irradiation accessibles par LAE, une évolution des limitations à présent (contrôle, uniformité) se rend nécessaire, ainsi qu’un étendu de l’espace des paramètres possibles, notamment en termes de surface irradiée, débit de dose moyen et cadence. Toutes ces améliorations seront possibles avec le nouveau système laser « Laplace/Haute-Cadence » (LaHC) au LOA, pouvant fonctionner avec une cadence de 100 Hz et une puissance moyenne jusqu’à cinquante fois supérieure à la Salle Jaune.
Cette thèse vise la mise en œuvre, la caractérisation et l’utilisation du faisceau LAE sur LaHC, ainsi que la réalisation des expériences en physique médicale et en radiobiologie. Ces activités passent notamment par la structuration du faisceau LAE (LOA), la mise à point des protocoles d’irradiation et de dosimétrie (LOA, IC), la qualification du faisceau (LOA, IC) et la réalisation des expériences de radiobiologie qui permettront la transposition et l’extension des résultats existants à faible cadence (IC).
Ces activités se situent dans des domaines à haut potentiel pour la recherche fondamentale et appliquée dans les plasmas générés par laser, l'accélération et la détection de particules, la dosimétrie physique et biologique, la conception et la construction de systèmes expérimentaux pour les applications. Le système LaHC, par conséquence à sa très haute puissance moyenne, pourra fournir des conditions d’irradiations très proches à ce qui est visé en milieu hospitalier, ouvrant donc des vastes perspectives dans le domaine scientifique et industriel.

Bayart, E., A. Flacco, O. Delmas, L. Pommarel, D. Levy, M. Cavallone, F. Megnin-Chanet, E. Deutsch, and V. Malka. “Fast Dose Fractionation Using Ultra-Short Laser Accelerated Proton Pulses Can Increase Cancer Cell Mortality, Which Relies on Functional PARP1 Protein.” Scientific Reports 9, no. 1 (December 2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-46512-1.
Dubail, Maxime, Sophie Heinrich, Lucie Portier, Jessica Bastian, Lucia Giuliano, Lilia Aggar, Nathalie Berthault, et al. “Lung Organotypic Slices Enable Rapid Quantification of Acute Radiotherapy Induced Toxicity.” Cells 12, no. 20 (October 11, 2023): 2435. https://doi.org/10.3390/cells12202435.
Faure, Jérôme, Yannick Glinec, A Pukhov, S Kiselev, S Gordienko, E Lefebvre, J-P Rousseau, F Burgy, and Victor Malka. “A Laser–Plasma Accelerator Producing Monoenergetic Electron Beams.” Nature 431, no. 7008 (2004): 541.
Favaudon, Vincent, Laura Caplier, Virginie Monceau, Frédéric Pouzoulet, Mano Sayarath, Charles Fouillade, Marie-France Poupon, et al. “Ultrahigh Dose-Rate FLASH Irradiation Increases the Differential Response between Normal and Tumor Tissue in Mice.” Science Translational Medicine 6, no. 245 (2014): 245ra93-245ra93. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3008973.
Malka, V. “Electron Acceleration by a Wake Field Forced by an Intense Ultrashort Laser Pulse.” Science 298, no. 5598 (November 22, 2002): 1596–1600. https://doi.org/10.1126/science.1076782.
Ronga, Maria Grazia, Marco Cavallone, Annalisa Patriarca, Amelia Maia Leite, Pierre Loap, Vincent Favaudon, Gilles Créhange, and Ludovic De Marzi. “Back to the Future: Very High-Energy Electrons (VHEEs) and Their Potential Application in Radiation Therapy.” Cancers 13, no. 19 (September 30, 2021): 4942. https://doi.org/10.3390/cancers13194942.
Wilson, Joseph D., Ester M. Hammond, Geoff S. Higgins, and Kristoffer Petersson. “Ultra-High Dose Rate (FLASH) Radiotherapy: Silver Bullet or Fool’s Gold?” Frontiers in Oncology 9 (January 17, 2020). https://doi.org/10.3389/fonc.2019.01563.

Contexte de travail

Ces activités s’insèrent dans le cadre d’un projet transdisciplinaire entre le Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) et l’Institut Curie (IC).
Les activités se dérouleront dans les locaux du Laboratoire d’Optique Appliquée (Palaiseau) et dans ceux de l’Institut Curie (campus Orsay). Le candidat sera mené à des activité expérimentales dans le cadre de l’utilisation des lasers intenses, la mise à point, conception, construction et utilisation d’un accélérateur d’électrons par interaction laser-plasma, de conception, mise à point et exploitation des diagnostiques sur le faisceau.
Des activités d’exploitation du faisceau d’électrons, notamment dans le cadre de caractérisation dosimétrique et d’application en physique médicale ainsi que préparation, manipulation et analyse des cibles biologiques se fera en collaboration avec l’équipe de l’Institut Curie, sous la direction de M. C. Fouillade.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

RAS