En 1896, Henri Becquerel découvrit un nouveau rayonnement mystérieux. Contrairement aux rayons X , qui disparaissaient lorsqu'on éteignait le tube à rayons X, ce nouveau rayonnement observé à partir de l'uranium était émis en permanence. Des études ultérieures de Pierre et Marie Curie révélèrent que d'autres éléments possédaient la même propriété. Ils trouvèrent en particulier ces propriétés dans le polonium et le radium en 1898.

Pierre et Marie Curie trouvèrent rapidement une utilité à cette propriété, et le radium était employé dans les hôpitaux dès 1901. On reconnut que le rayonnement du radium a des effets bénéfiques sur de nombreuses maladies de peau, y compris le cancer.

Pierre et Marie Curie dans leur laboratoire, Paris 1898.

Le nouveau rayonnement était d'origine nucléaire. Certains noyaux émettent spontanément des particules α (noyaux d'hélium), des particules β – ce peuvent être des électrons (β^-) ou des positons (β⁺) – et/ou des rayons γ (gamma) (c'est-à-dire des photons de haute énergie). Un tel atome, doté d'un noyau instable caractérisé par un excès d'énergie, est appelé radionucléide ou nucléide radioactif, et également désigné comme radio-isotope ou isotope radioactif.

Les radio-isotopes naturels sont par exemple ²³⁸U (uranium), ⁴⁰K (potassium), ²³²Th (thorium) et leurs noyaux fils ²²⁶Ra (radium), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonium). Certains radio-isotopes sont produits en permanence par l'action des rayons cosmiques sur les couches supérieures de notre atmosphère, comme par exemple ¹⁴C (carbone), ³H (tritium) ou ⁷Be (béryllium).

Irène et Frédéric Joliot-Curie furent les premiers à produire des radio-isotopes artificiels , en 1933, en utilisant une source α naturelle pour bombarder l'aluminium-27 et produire le radioélément phosphore-30 qui subit une désintégration β vers le silicium-30. Cela résultait du fait que les noyaux des atomes d'aluminium acquéraient des protons supplémentaires provenant des noyaux d'hélium (particules α).

Depuis lors, de nombreux nouveaux radio-isotopes ont été produits, ouvrant la voie à quantité d'applications nouvelles et conduisant à une meilleure compréhension de la matière nucléaire et des forces nucléaires. En 1936, quelque 200 radionucléides avaient été produits. On connaît aujourd'hui environ 250 nucléides stables. Ils sont produits au moyen de faisceaux de particules allant des protons à ²³⁸U, accélérés dans des cyclotrons ou des accélérateurs linéaires.

Le premier accélérateur (cyclotron) fut construit à Berkeley, aux États-Unis, en 1932 par Ernest O. Lawrence. Lui et son frère John Lawrence, médecin, reconnurent rapidement des applications médicales très importantes et produisirent des isotopes radioactifs pour la recherche biologique et médicale ainsi que pour le traitement des cancers. Le premier cyclotron européen fut construit par Frédéric Joliot (1939) au Collège de France, à Paris.

Carte du paysage nucléaire. Les lignes d'égouttement (drip lines) marquent la limite de stabilité nucléaire vis-à-vis de l'émission de n ou de p .

Les physiciens ont produit de nombreux isotopes nouveaux, de plus en plus éloignés de la vallée naturelle de stabilité nucléaire. Il existe actuellement de nombreuses installations utilisant des faisceaux d'ions radioactifs. La demande de radio-isotopes médicaux est un phénomène mondial et, dans les pays développés, elle croît de façon exponentielle depuis 1995.

Le prix Nobel de chimie 1943 fut décerné à G. de Hevesy pour avoir été le premier à utiliser des éléments radioactifs naturels (puis artificiels) comme traceurs afin d'étudier les éléments stables dans les systèmes biologiques. Une très petite quantité d'un élément radioactif peut être suivie facilement dans le corps humain. On peut aussi y parvenir avec des traceurs chimiques, mais il faudrait des quantités bien plus importantes de produits chimiques, ce qui rendrait la procédure bien plus risquée pour le patient.

Lors d'un examen typique de médecine nucléaire, un traceur est administré au patient et les rayons γ émis par le nucléide traceur sont enregistrés par un ensemble de détecteurs de rayonnement. C'est ce qu'on appelle la tomographie par émission. Le traceur est habituellement choisi de manière à se déposer sélectivement dans un organe donné ; les rayons γ détectés fournissent alors une image détaillée de la région d'intérêt. Pour un œil exercé, les images peuvent révéler des anomalies structurelles ou métaboliques et conduire à de meilleurs diagnostics. En médecine nucléaire, on emploie une grande variété d'isotopes, chacun ciblant spécifiquement tel ou tel organe du corps humain.

Image ci-dessus : application de la TEP en neurophysiologie (mémoire de travail verbale dans le cerveau), hôpital San Raffaele, Milan.

Les tumeurs peuvent être localisées par des techniques comme la tomographie d'émission monophotonique (TEMP) ou la tomographie par émission de positons (TEP) (dans laquelle des noyaux émetteurs de positons (β+) servent à produire, par le processus d'annihilation, des rayons γ énergétiques). Les techniques TEMP et TEP sont classiques dans le diagnostic des tumeurs ainsi que dans les études fonctionnelles du cerveau sain.

Image issue d'une tomographie assistée par ordinateur utilisant des rayons X et un traceur iodé (Hôpital Erasme, Bruxelles).

Parmi les éléments radioactifs, l'iode (I) joue un rôle exceptionnel, car il se fixe au tissu thyroïdien avec une grande affinité et une grande sélectivité. À faibles doses, il peut servir à des fins de diagnostic ; inversement, le rayonnement émis par l'iode radioactif fixé exclusivement aux tissus thyroïdiens peut traiter le cancer de la thyroïde.

¹³¹I (radioactivité β et γ, avec une période de 8 jours) est utilisé depuis plus de 50 ans pour étudier l'activité thyroïdienne. Le Tc-99m (un état excité métastable du noyau technétium-99, de période 6 heures) est également un très bon traceur employé pour étudier des organes tels que le cerveau, le foie et les poumons. Le radium et le strontium servent à étudier les os et le squelette.

Les éléments chimiques les plus intéressants sur le plan physiologique, comme C (carbone), N (azote) et O (oxygène), possèdent des isotopes à vie courte émetteurs β⁺utilisés dans les techniques TEP. Les nucléides émetteurs bêta couramment utilisés sont ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O et ¹⁸F (fluor).

Image à droite : scintigraphie de l'activité thyroïdienne au technétium.

TEMP signifie tomographie d'émission monophotonique. Dans cette procédure, les organes sont imagés en mesurant la distribution d'un radiotraceur injecté au moyen d'une « caméra » gamma reliée à un ordinateur. L'imagerie TEMP suppose la rotation d'un ensemble de détecteurs gamma autour du patient afin d'acquérir des mesures sous de multiples angles. Avec cette technique, on recherche la position et la concentration de la distribution du radionucléide. La TEMP fait appel à des radio-isotopes tels que le ^99mTc ou l' ¹²³I, pour lesquels un seul γ (de 140 keV) est émis.

Image à gauche : une lésion cérébrale est nettement localisée par un examen TEMP (à gauche). Le gliome (un type de tumeur cérébrale) est mal défini sur la tomographie par rayons X (à droite) mais apparaît comme une tache sombre nette sur une image TEMP réalisée au Tc-99m.

La TEMP a de nombreuses applications, tant en diagnostic que comme aide à la thérapie. Des examens TEMP utilisant un radio-isotope qui n'est pas absorbé par les tissus mais circule dans le sang permettent de voir comment le sang irrigue certains tissus et organes. C'est particulièrement utile pour l'examen du cerveau et du cœur.

Dans la technique de tomographie par émission de positons (TEP), les isotopes couramment utilisés sont ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C et ¹⁸F. Ceux-ci ont des périodes courtes, d'environ 2, 10, 20,4 et 110 minutes respectivement, si bien que les radio-isotopes doivent être produits près du lieu d'utilisation. Pour cette raison, de nombreux hôpitaux disposent d'un petit cyclotron à proximité, voire dans l'hôpital lui-même, spécialement construit pour produire ces isotopes. L'isotope est ensuite fixé à une substance naturelle telle que le glucose, l'eau ou l'ammoniac, qui est alors introduite dans le corps humain par injection ou éventuellement par inhalation sous forme de gaz. Le radio-isotope gagne la partie du corps qui utilise la substance à laquelle il a été fixé, ce qui explique l'emploi de nombreuses substances différentes.

Représentation schématique de la technique TEP. Un ensemble circulaire de détecteurs enregistre les deux rayons gamma provenant d'une annihilation e⁺ - e^- .

Les particules élémentaires possèdent des antiparticules correspondantes. L'antiparticule d'une particule est en fait la même particule mais de charge électrique opposée. Lorsqu'une particule et son antiparticule entrent en collision, elles s'annihilent avec émission d'énergie pure.

Les isotopes typiquement utilisés lors d'un examen TEP sont des émetteurs β⁺ . Lorsque l'isotope se désintègre dans le corps du patient, tout positon (β⁺) émis ne parcourt qu'une courte distance dans le tissu (typiquement moins de 1 mm, selon l'isotope) avant de s'annihiler avec un électron (β^-). L'énergie libérée lors de l'annihilation prend la forme d'une paire de photons gamma (γ) émis à 180° l'un de l'autre, avec une énergie de 511 keV chacun. La détection des deux rayons γ en coïncidence par deux détecteurs permet de localiser l'événement de désintégration sur la droite reliant les deux détecteurs.

Les examens TEP servent couramment à diagnostiquer des cancers, des affections cardiaques et certains troubles cérébraux comme l'épilepsie ou la maladie d'Alzheimer. La TEP est également employée pour évaluer la réponse à une thérapie anticancéreuse. De plus, les examens TEP sont utilisés en recherche, par exemple dans les études sur les effets de la toxicomanie ou du vieillissement.

Les risques associés à un examen TEP sont très faibles mais, comme pour la plupart des types d'examens, il ne convient pas toujours aux femmes enceintes ou allaitantes. En raison de la présence d'une substance radioactive dans leur corps, les hôpitaux conseillent aux patients d'éviter tout contact rapproché avec des femmes enceintes ou de jeunes enfants pendant au moins quelques heures après un examen TEP.

Image d'examen TEP montrant un cancer des os du squelette (Hôpital Erasme, Bruxelles).

Comparée à d'autres techniques d'imagerie diagnostique telles que la radiographie ou l'IRM, la TEP étudie la fonction du corps plutôt que son anatomie. À ce jour, aucune technique d'imagerie diagnostique ne peut rivaliser avec elle en matière d'interaction dynamique. Cette technique d'imagerie médicale permet de suivre, à divers instants, des informations quantitatives sur la pharmacocinétique et la pharmacodynamique d'une biomolécule marquée injectée (ou inhalée) chez un animal vivant ou un être humain. La TEP est utile pour étudier le métabolisme (absorption des sucres, incorporation des acides aminés dans les protéines, etc.), les réactions enzymatiques et les interactions moléculaires. La TEMP, comme la TEP, recueille des informations sur la concentration des radionucléides introduits dans le corps du patient.

L'imagerie TEMP est inférieure à la TEP en termes de résolution et de sensibilité atteignables. Pour la TEP, la meilleure résolution spatiale actuellement accessible est d'environ 6 mm, soit 2 à 3 fois meilleure qu'avec la TEMP. En raison de leur désintégration rapide, pratiquement tous les isotopes TEP doivent être produits sur place (à l'exception du ¹⁸F, de période 110 min). En revanche, les isotopes TEMP comme l' ¹²³I ont une période suffisamment longue (13,2 h) pour permettre une production centralisée sur des sites éloignés, avec livraison ensuite par courrier express.

Une autre technique utilisée pour le diagnostic médical est l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Les premiers appareils cliniques d'IRM (d'abord appelés RMN, pour résonance magnétique nucléaire) furent construits dans les années 1980.

Le principal avantage de l'IRM est qu'elle n'utilise aucune substance radioactive. Les IRM montrent la répartition de l'eau (H₂O) dans le corps et les organes où elle est stockée. L'IRM est essentiellement un grand tube contenant de puissants aimants. Cela tient au fait que les protons des noyaux d'hydrogène se comportent comme de minuscules aimants. Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué autour du patient (ce qui est sans danger), tous ces minuscules aimants présents dans l'eau sont orientés dans une même direction. Lorsque le proton revient brusquement à sa position initiale, il émet des ondes radio que le scanner IRM peut alors détecter et mesurer pour former une image 2D du corps. L'IRM est couramment utilisée pour les diagnostics cérébraux ou cardiaques, mais peut servir à examiner presque toutes les parties du corps.

La technologie de l'IRM continue d'être développée pour répondre à un éventail plus large de problèmes de diagnostic clinique. Par exemple, du Xe-129 ou de l'He-3 polarisés peuvent servir à imager les voies aériennes des poumons avec une haute résolution spatiale et temporelle. IRM des vaisseaux sanguins et des organes de la tête et du tronc.

Le prix Nobel de médecine 2003 fut décerné à Paul Lauterbur et à Sir Peter Mansfield pour leurs travaux et leur contribution à l'imagerie par résonance magnétique.

La plupart des hôpitaux modernes et universitaires emploient aujourd'hui l'IRM et la TEP, à côté d'autres techniques d'imagerie. Dans de nombreux instituts de physique nucléaire, des groupes consacrent leurs activités et leurs recherches à des applications médicales spécifiques ainsi qu'au traitement des patients, par exemple au GSI (Allemagne), au PSI (Suisse), au GANIL (France), au HMI (Allemagne) ou au LARN (Belgique).

La thérapie par particules consiste à diriger des particules ionisées sur la tumeur ciblée. L'ionisation endommage indistinctement l'ADN des cellules. Les cellules cancéreuses sont toutefois moins aptes à se réparer et sont davantage affectées par ces dommages.

Les particules utilisées comprennent les protons, les neutrons ou les ions chargés positivement. Chaque type de particule possède une énergie différente et peut donc pénétrer plus ou moins profondément dans le corps humain. C'est pourquoi différents types de particules sont utilisés pour différentes procédures. La forme la plus courante de thérapie par particules est la protonthérapie.

Un problème fondamental de la radiothérapie est la nécessité de maximiser la dose délivrée à la tumeur tout en minimisant les dommages au tissu sain qui l'entoure. Avec les rayonnements électromagnétiques (rayons X ou γ), une grande partie de la dose atteint le tissu sain le long du faisceau, en avant et en arrière de la tumeur.

Une amélioration de la radiothérapie est aujourd'hui obtenue grâce à des faisceaux de particules de haute énergie (p, ions lourds), car pour les faisceaux d'ions la dose augmente avec la profondeur de pénétration jusqu'à un maximum situé en fin de parcours de la particule. La thérapie par faisceau d'ions permet de déposer dans la tumeur une dose plus élevée et plus efficace que tout autre type de thérapie externe.

L'image en haut à droite montre une comparaison de deux procédures. La thérapie par photons (a) dépose une dose élevée de rayonnement dans le tissu sain situé devant la tumeur. Dans le cas d'un faisceau de particules (b), l'essentiel de la dose reste confiné à la tumeur.

L'image de gauche montre un examen d'un cancer du cerveau avant et six semaines après une radiothérapie par photons et ions carbone.

À ce jour, plus de 50 000 patients dans le monde ont été traités par faisceaux de protons. Le traitement des tumeurs oculaires par faisceaux de protons donne de loin les meilleurs résultats cliniques. La protonthérapie est également idéale lorsque la tumeur est proche d'un organe critique, car elle peut être dirigée avec une grande précision. Meilleure est la conformité du volume irradié au volume cible, meilleurs sont les résultats. Cela vaut aussi pour les faisceaux d'ions lourds, qui permettent d'atteindre une conformité supérieure à celle des protons. La thérapie par ions lourds fut inaugurée en 1974 au Lawrence Berkeley Laboratory. Les premiers traitements employèrent des ions Ar (argon) puis, plus tard, des ions Si (silicium) et Ne (néon). Les tumeurs irradiées se trouvaient près d'organes critiques du cerveau, de la tête ou du cou. Les résultats furent excellents et motivèrent la construction d'accélérateurs médicaux dédiés aux ions lourds.

La curiethérapie est une forme de radiothérapie dans laquelle un matériau radioactif est placé à l'intérieur du corps, près de la tumeur. Les avantages de cette procédure sont que le rayonnement n'a pas à traverser le tissu sain depuis l'extérieur du corps pour atteindre la tumeur et n'affecte donc qu'une zone localisée. Cela signifie que des doses relativement élevées peuvent être administrées avec un risque minimal. De plus, le patient reste mobile pendant toute la durée du traitement. Le traitement global est généralement achevé en moins de temps que d'autres procédures, laissant ainsi moins de temps aux cellules cancéreuses pour se multiplier entre les séances.

La curiethérapie est une technique standard pour certains cancers gynécologiques tels que le cancer du col de l'utérus ou de la prostate, ainsi que pour certains stades des carcinomes de la tête et du cou. Pour les affections de la prostate, diverses approches ont été utilisées, dictées principalement par l'isotope retenu. ¹²⁵I (de période 60 jours) et le ¹⁰³Pd (de période 17 jours) sont utilisés pour les implants permanents. Ces isotopes peuvent être produits par capture neutronique dans des réacteurs. ¹⁰³Pd peut être produit plus efficacement dans des cyclotrons (avec des faisceaux de protons de 14 MeV). Plus de 10 ans de données cliniques sur l'utilisation du ¹⁰³Pd en curiethérapie prostatique existent aux États-Unis. Ce succès clinique, joint à l'absence d'effets secondaires, en a fait un choix thérapeutique très répandu.

Le Soleil fournit l'énergie dont la Terre a besoin pour abriter la vie. L'énergie du Soleil est produite dans le cœur, où des réactions nucléaires se déroulent à des températures d'environ 15 millions de °C. L'énergie produite dans la chaîne p-p est emportée par des photons et par des neutrinos qui s'échappent sans être absorbés. Ces photons peuvent mettre 2 millions d'années pour aller du cœur du Soleil à sa surface, mais ils atteignent ensuite la Terre en 8 minutes environ.

Le Soleil émet de la lumière visible, un rayonnement infrarouge que nous ressentons comme de la chaleur, et un rayonnement ultraviolet qui, malheureusement, peut être dangereux. Le rayonnement ultraviolet peut provoquer un mélanome cutané (cancer de la peau). Le mélanome cutané est l'une des causes les plus fréquentes de cancer et, en 2008 par exemple, il a tué environ 46 000 personnes dans le monde.

Vue microscopique d'une peau saine (à gauche) et d'une peau endommagée par le rayonnement (à droite).

Le taux de diagnostics de mélanome malin a quadruplé au cours des 30 dernières années. On le rencontre le plus souvent chez les personnes ayant des antécédents familiaux de cancer de la peau, chez les personnes blondes et à peau claire et chez celles de plus de 40 ans. Toutefois, chacun peut développer un cancer, quelles que soient son origine, son âge ou sa génétique. La plupart des lésions cutanées surviennent avant l'âge de 20 ans mais n'apparaissent souvent qu'à 40 ans ; ainsi, même si vous ne vous voyez pas brûler, vous abîmez tout de même votre peau. C'est pourquoi il est si important d'utiliser une crème solaire et d'éviter le Soleil lorsqu'il est le plus intense (entre 11 h et 15 h).