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Sur cette image en fausses couleurs prises avec un microscope, les cellules cancéreuses vivantes (en vert) entourent des cellules cancéreuses mortes (en rouge) à la suite de l'irradiation au laser dans le carré blanc. C’est une illustration de l'efficacité de la thérapie photodynamique. © Université de Buffalo, 2014
Le 16 mai 1960, lorsque l'États-Unien Theodor Maiman a fait fonctionner le premier laser optique il était sans doute très loin de se douter de la versatilité de son invention. Il en était de même pour Albert EinsteinEinstein lorsqu'il a découvert en 1917 le principe de l'émission stimulée de la lumière à la base de l'effet laser. Il luttait alors pour mieux comprendre les rapports entre la théorie quantique du corps noir et celle des spectres des atomesatomes. Les lasers sont depuis devenus des outils puissants dans bon nombre de recherches en physiquephysique, et ils ont un impact grandissant sur notre technologie et même la vie de tous les jours. On peut se servir des lasers pour mesurer l'écartement des plaques tectoniquesplaques tectoniques, comme cela a été fait dans la dépression de l’Afar, ou pour partir à la chasse aux ondes gravitationnellesondes gravitationnelles prédites par la théorie de la relativité généralerelativité générale, comme on s'apprête à le faire avec eLisa.
Les lasers sont aussi utilisés pour faire de l'impression 3D, et même pour lutter contre le cancercancer. Une publication récente dans Nature Photonics par un groupe de chercheurs de l'université de Buffalo (État de New York, États-Unis) montre que les sources laser utilisées depuis des décennies pour faire de la thérapiethérapie photodynamique ou PDT (photodynamic therapy en anglais) ont un potentiel plus vaste que de fournir un traitement contre les mélanomes ou d'autres tumeurstumeurs superficielles.
Ce schéma indique la profondeur de pénétration dans la peau des ondes lumineuses. On voit qu'il faut aller dans le proche infrarouge, au-delà des longueurs d'onde de 0,7 micromètre, pour traiter des tumeurs sous la peau avec la PDT. © ULg
Rappelons que le principe de la PDT consiste à faire absorber sélectivement par des cellules cancéreuses un agent photosensibilisant. On éclaire ensuite la tumeur que l'on veut détruire avec une source lumineuse, par exemple à l'aide d'une fibre optiquefibre optique lorsqu'on travaille par fibroscopiefibroscopie. Sous l'action de cette lumière, l'agent photosensibilisant va réagir avec de l'oxygèneoxygène pour libérer des radicaux libresradicaux libres qui vont tuer les cellules cancéreuses.
Laser, optique non linéaire et protéines
Cette technique a cependant des limites, car la lumière visible ne pénètre pas en profondeur dans les tissus. On peut tenter d'utiliser de la lumière dans le proche infrarouge pour contourner ce problème : en effet, elle pénètre plus en profondeur. Mais les agents photosensibilisants connus sont alors moins efficaces et libèrent moins de radicaux libres. On travaille bien sûr à la mise au point d'autres moléculesmolécules n'ayant pas ces limites, mais leur synthèse reste difficile. Les membres de l'Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics (ILPB) de l'université de Buffalo ont exploré une autre voie. Ils ont mis en pratique une technique bien connue de l'optique non linéaire, la génération de seconde harmonique (GSH, ou encore doublage de fréquencefréquence).
La GSH fonctionne très bien avec une protéineprotéine naturelle, le collagène, lorsqu'on la soumet à des faisceaux laser dans le proche infrarougeinfrarouge. Comme son nom le laisse deviner, la GSH permet de produire une onde lumineuse avec une fréquence deux fois plus élevée (et donc une longueur d'ondelongueur d'onde deux fois plus courte) à partir d'une onde d'une fréquence donnée. Un faisceau laser dans l'infrarouge proche (0,7 μm à 1,6 μm) peut donc être transformé en une lumière laser dans le visible (0,4 μm à 0,7 μm). Il est possible d'utiliser aussi d'autres protéines naturelles et des lipideslipides dans les cellules pour faire de la PDT grâce à nouveau à un effet d'optique non linéaire appelé mélange à quatre ondes. Il consiste en une intermodulation entre trois ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques qui en génèrent ou amplifient une quatrième. À nouveau, on obtient de la lumière visible en profondeur dans les tissus à partir de la lumière infrarouge.
