Le quantique, allié indispensable de la médecine moderne

Cet article a été publié en exclu­si­vi­té dans notre maga­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
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La phy­sique quan­tique, qui décrit le com­por­te­ment d’atomes ou d’autres par­ti­cules plus petites encore, est la struc­ture de base qui per­met de déduire le com­por­te­ment phy­sique de la matière, non seule­ment à l’échelle micro­sco­pique, mais aus­si, en théo­rie, jusqu’à notre échelle. Après tout, ne sommes-nous pas un gros assem­blage (extrê­me­ment com­plexe, certes) d’atomes et de molé­cules qui obéissent toutes aux lois du monde de l’infiniment petit ?

Dans la réa­li­té, il en va autre­ment. De la même manière qu’il n’est pas néces­saire de connaître les sub­ti­li­tés de la méca­nique des fluides pour se ver­ser un verre d’eau, il n’est pas néces­saire de com­prendre fine­ment l’interaction des 10²⁸ atomes de notre corps pour com­men­cer à se soi­gner. Car la phy­sique quan­tique est très pré­sente dans la méde­cine moderne : voyons com­ment l’infiniment petit nous aide à nous main­te­nir en bonne san­té au quotidien.

Cela peut sem­bler sur­pre­nant, mais l’un des outils les plus pré­cis à dis­po­si­tion de la méde­cine moderne est… la lumière. Ou plus exac­te­ment un fais­ceau de lumière par­fai­te­ment cali­bré pour que tous les pho­tons aient la même éner­gie et que toutes les ondes lumi­neuses soient par­fai­te­ment cohé­rentes entre elles : le laser (de l’anglais Light Ampli­fi­ca­tion by Sti­mu­la­ted Emis­sion of Radia­tion).

Ce contrôle extrê­me­ment fin de l’émission de lumière vient du fait que, d’après la méca­nique quan­tique, les atomes ont des niveaux d’énergie dis­crets (quan­ti­fiés) et qu’en fai­sant sau­ter les élec­trons d’une orbite pré­cise à une autre, on n’émet plus que des pho­tons par­fai­te­ment identiques.

Pré­dit par Albert Ein­stein en 1917 et mis au point en 1960, le laser a tout de suite trou­vé des appli­ca­tions médi­cales en oph­tal­mo­lo­gie (Camp­bell, 1961) ou en der­ma­to­lo­gie (Gold­man, 1963). Aujourd’hui, on l’utilise aus­si bien pour trai­ter les décol­le­ments de rétine que pour coa­gu­ler des plaies, détruire des petites tumeurs can­cé­reuses, découper/abraser une cor­née de manière extrê­me­ment pré­cise ou, en chi­rur­gie den­taire, pour trai­ter des patho­lo­gies liées aux gen­cives. Mais outre ses appli­ca­tions en chi­rur­gie, cette tech­no­lo­gie per­met aus­si des trai­te­ments plus légers : effa­ce­ment d’un tatouage, trai­te­ment anti-rides ou encore épi­la­tion laser.

L’une des tech­niques d’imageries les plus répan­dues est l’IRM (Ima­ge­rie par Réso­nance Magné­tique nucléaire). Elle consiste à obser­ver le com­por­te­ment de noyaux des atomes d’hydrogène plon­gés dans un champ magné­tique intense. Pour­quoi l’hydrogène ? Parce qu’il est le com­po­sant prin­ci­pal de l’eau (H₂O) qui occupe envi­ron 60 % de la masse totale d’un être humain, et que rares sont les autres molé­cules bio­lo­giques qui ne contiennent pas du tout d’hydrogène.

Le prin­cipe de l’IRM est le sui­vant : le noyau d’hydrogène est com­po­sé d’un unique pro­ton qui, pour cette appli­ca­tion, peut être consi­dé­ré comme un minus­cule aimant. En situa­tion « natu­relle », un corps humain ne pos­sède pas d’aimantation par­ti­cu­lière, et chaque noyau d’hydrogène pointe dans une direc­tion aléatoire.

La pre­mière étape est de plon­ger le patient dans un champ magné­tique extrê­me­ment intense (envi­ron 30 000 fois l’aimantation natu­relle de la Terre) pour « ran­ger » tous les pro­tons dans le même sens, tous paral­lèles les uns aux autres. On modi­fie alors cet équi­libre en émet­tant une onde radio­fré­quence (RF) et on écoute l’onde RF émise en retour par ces pro­tons lorsqu’ils reviennent à leur état initial.

Selon la nature du milieu, ces pro­tons ne retour­ne­ront pas à leur état ini­tial à la même vitesse. On peut ain­si recons­truire une image 3D du corps en dif­fé­ren­ciant chaque tis­su. Sans la phy­sique quan­tique et la com­pré­hen­sion fine du com­por­te­ment des noyaux d’atomes dans un champ élec­tro­ma­gné­tique, cette tech­nique d’imagerie de pointe non inva­sive ne pour­rait pas être utilisée.

Même les états les plus exo­tiques de la matière, sur les­quels des recherches fon­da­men­tales sont encore menées aujourd’hui dans tous les labo­ra­toires de recherche du monde, sont essen­tiels en ima­ge­rie médicale.

On l’a dit plus haut, l’IRM néces­site, pour fonc­tion­ner, de plon­ger le patient dans un champ magné­tique extrê­me­ment intense. Plus ce champ est éle­vé, plus le signal émis lors du retour à l’équilibre de l’aimantation est fort, et meilleure sera la qua­li­té de l’image.
Le pro­blème, c’est que ces champs magné­tiques sont si intenses que si l’on uti­li­sait un simple élec­tro-aimant clas­sique pour les géné­rer, la quan­ti­té de cha­leur pro­vo­quée par l’intense cou­rant élec­trique néces­saire les ferait fondre en quelques instants.

Pour pal­lier ce pro­blème, on uti­lise des aimants dits « supra­con­duc­teurs », qui ont la pro­prié­té d’avoir une résis­tance élec­trique rigou­reu­se­ment nulle. Avec de tels aimants, pas d’échauffement élec­trique. On peut poten­tiel­le­ment y faire par­cou­rir des cou­rants élec­triques aus­si intenses qu’on le sou­haite et aus­si long­temps qu’on le veut (sans dis­si­pa­tion du cou­rant, même lorsque l’alimentation est coupée).

La supra­con­duc­ti­vi­té est l’une des rares mani­fes­ta­tions à notre échelle d’un com­por­te­ment pure­ment quan­tique de la matière.

Cette supra­con­duc­ti­vi­té est l’une des rares mani­fes­ta­tions à notre échelle d’un com­por­te­ment pure­ment quan­tique de la matière. Les élec­trons s’y com­portent comme un seul et même super­fluide et s’écoulent sans aucune résistance. 

On uti­lise aus­si ces élé­ments supra­con­duc­teurs en magné­toen­cé­pha­lo­gra­phie pour enre­gis­trer, en temps réel et de manière non inva­sive, l’activité élec­trique du cerveau.

Com­ment savoir où se situent les zones can­cé­reuses dans le corps humain et com­ment elles évo­luent avec le temps ? Pour cela, on uti­lise l’hyperactivité des cel­lules can­cé­reuses. En effet, une cel­lule can­cé­reuse se divise en per­ma­nence, de manière anar­chique, et dépense donc beau­coup d’énergie. Son car­bu­rant : le sucre.

C’est pour cette rai­son que lors d’un exa­men par TEP (Tomo­gra­phie par Émis­sion de Posi­tons), on fait ava­ler au sujet du sucre dont on a légè­re­ment chan­gé la com­po­si­tion. On a atta­ché à chaque molé­cule de sucre un atome radio­ac­tif (du Fluor 18 par exemple) qui a la pro­prié­té, lorsqu’il se dés­in­tègre, d’émettre une par­ti­cule d’antimatière : un anti­élec­tron (aus­si appe­lé positon).

Le sucre va s’accumuler dans les endroits qui consomment beau­coup d’énergie (les zones tumo­rales), et émettre des anti­élec­trons qui, lorsqu’ils seront au contact des élec­trons « clas­siques » de la matière envi­ron­nante, vont s’annihiler et pro­duire des pho­tons gam­ma qui tra­versent le corps et sont détec­tés à l’extérieur. En recons­trui­sant la tra­jec­toire de ces rayons gam­ma, on retrouve l’endroit où ces réac­tions matière-anti­ma­tière ont eu lieu, et donc la posi­tion des tumeurs cancéreuses.

En retrou­vant l’endroit où des réac­tions matière-anti­ma­tière ont eu lieu, on retrouve la posi­tion des tumeurs cancéreuses.

Ingé­nieux et, une fois de plus, impos­sible à réa­li­ser sans com­prendre la phy­sique des par­ti­cules à la base de cette tech­nique d’imagerie médicale.

La phy­sique quan­tique fait par­tie inté­grante de notre vie quo­ti­dienne, et en tant que telle elle a aus­si inves­ti le domaine de la méde­cine, sans laquelle une large par­tie des trai­te­ments et des tech­niques d’imageries modernes ne pour­raient pas fonc­tion­ner. Loin d’être confi­née aux labo­ra­toires de recherche, la phy­sique quan­tique, la phy­sique des par­ti­cules et la phy­sique nucléaire sauvent chaque jour un grand nombre de vies.