Ferenc Krausz, prix Nobel de physique : « Chaque cancer a une signature lumineuse infrarouge différente » | Science

Comme l’astronaute Neil Armstrong lorsqu’il posa son pied gauche sur la Lune, le physicien hongrois Ferenc Krausz Il fut le premier à scruter un monde inconnu : celui des électrons, ces particules insaisissables qui servent de colle à toute la matière connue. Dans la nuit du 10 au 11 septembre 2001, vers cinq heures du matin, l’équipe de Krausz a réussi à produire des impulsions lumineuses laser ultracourtes de 650 attosecondes : des billionièmes de seconde. Pour la première fois, l’humanité a eu un éclair si fugace qu’il a permis photographier le mouvement des électrons, mais le physicien n’a pas eu le temps de savourer sa réussite. « Lorsque je suis revenu au bureau le lendemain, j’ai été confronté aux images terribles du World Trade Center détruit par les attentats terroristes », se souvient-il par visioconférence.

Le scientifique hongrois, né il y a 61 ans dans la ville viticole de Mór, a remporté le prix Nobel de physique il y a un mois. Krausz est l’un des quatre directeurs du prestigieux Institut Max Planck d’optique quantique, à Garching, en Allemagne. Là-bas, son groupe recherche des applications pour cette caméra attoseconde. En février, après avoir remporté le prix Frontiers de la Fondation BBVA, il a prédit quelle serait la première application dans le monde réel : détecter le cancer à un stade si précoce qu’il sera facile de le guérir.

Demander. Comment comptent-ils détecter le cancer si tôt ?

Répondre. La technologie attoseconde a été créée pour capturer le mouvement des électrons à cette échelle de temps, mais, en parallèle, elle s’est également révélée très utile pour capturer un autre phénomène : les oscillations du champ électrique de la lumière. Fondamentalement, nous prenons une très courte impulsion de lumière infrarouge et la concentrons sur un échantillon de sang humain. Ou plutôt, du plasma sanguin, les cellules ayant été retirées, il ne reste que des molécules. Ce n’est même pas rouge, car les globules rouges ont été retirés en premier. Il a une couleur jaunâtre et contient des centaines de milliers de molécules différentes. En médecine, on sait que, dans un organisme sain, la concentration de ces molécules se situe dans une fourchette très étroite. Certains d’entre eux sont déjà utilisés dans les analyses de routine en laboratoire : ils mesurent leur concentration et la comparent aux plages de référence chez des personnes en bonne santé. C’est très utile, mais ne parvient pas à fournir une image complète de votre état de santé. De nombreuses maladies n’ont pas de biomarqueur, ou du moins n’ont pas été découvertes.

P. Toujours.

R. C’est pourquoi il existe une gigantesque industrie de recherche sur les biomarqueurs. Les sociétés pharmaceutiques dépensent chaque année des milliards d’euros à la recherche de nouveaux biomarqueurs, permettant de reconnaître les maladies le plus rapidement possible et de pouvoir les guérir ou, du moins, les arrêter. L’exemple typique est le cancer : vous souhaitez le détecter le plus tôt possible, car vous aurez alors de meilleures chances de le guérir. Il existe une pression énorme pour trouver de nouveaux biomarqueurs permettant un diagnostic précoce, mais c’est comme chercher une aiguille dans une botte de foin. Regardons l’exemple d’un biomarqueur existant, antigène spécifique de la prostate (PSA), qui est utilisé pour détecter le cancer de la prostate. Sa concentration augmente également beaucoup avec une simple inflammation de votre corps, ce qui montre qu’il s’agit d’un problème. Nous avons choisi une approche complètement différente. Nous ne souhaitons pas sélectionner des molécules individuelles, mais recherchons plutôt une méthode capable de traiter toutes les molécules. C’est comme le musicien qui frappe un diapason pour accorder son instrument. Nous prenons de courtes impulsions de lumière infrarouge, qui jouent le rôle d’un maillet. La molécule est le diapason. On le frappe très brièvement et il se met à vibrer. La molécule excitée ne génère pas d’ondes sonores, mais de la lumière infrarouge. Et la fréquence de ces ondes infrarouges est propre à chaque molécule. C’est l’idée. Nous obtenons des échantillons de sang de personnes en bonne santé et de patients atteints d’une certaine maladie, par exemple le cancer du poumon. Nous mesurons et essayons de découvrir si le cancer du poumon crée un motif spécifique dans cette empreinte moléculaire infrarouge de l’échantillon de sang. Et la réponse est oui.

P. Dans quelle mesure est-il fiable ?

R. Le signal est assez significatif. C’est pourquoi nous pensons avoir découvert une manière très prometteuse de détecter le cancer du poumon. et pas seulement au stade 4 de la tumeur, lorsqu’il n’y a plus de possibilité de vous sauver, c’est à ce moment-là qu’il est diagnostiqué maintenant dans la plupart des cas. Cette étape est fondamentalement une condamnation à mort. La moitié des diagnostics de cancer du poumon dans le monde sont au stade 4, de sorte que chaque année, un million de personnes apprennent qu’il ne leur reste plus qu’un an à vivre. Le but est de détecter la tumeur plus tôt, en phases 1 ou 2, ou au moins en phase 3, lorsqu’elle ne s’est pas encore propagée dans tout votre cerveau, vos os et dans tout votre corps. Avec notre méthode, nous pouvons détecter le cancer du poumon avec une efficacité de 90 % en phase 4, 75 % en phase 2 et 56 % en phase 1. Il y a encore place à l’amélioration, mais nous voyons des signes très clairs qui nous permettront d’optimiser la méthode. Nous avons également étudié sept autres types de cancer, comme celui du sein, de la prostate, de la vessie et du côlon. Dans chacun d’eux, nous avons pu détecter une signature lumineuse infrarouge très distinctive.

P. Quand de vraies applications pourraient-elles arriver ?

R. Il y a un long chemin à parcourir. Tout d’abord, il faut valider cette méthode. Jusqu’à présent, nous avons effectué des tests sur 500 échantillons provenant de patients et sur 1 000 autres échantillons provenant de personnes en bonne santé. La méthode semble efficace et prometteuse, mais pour atteindre des applications cliniques, vous devez la valider avec plusieurs milliers d’échantillons. Il nous faudra des années pour les obtenir, car la plupart des diagnostics sont posés en phase 4. Les gens ne vont pas chez le médecin avant car ils ne présentent pas de symptômes. Et s’il n’y a pas de diagnostic, il n’y a pas d’échantillons pour valider notre méthode. Nous formons une alliance avec les principaux centres hospitaliers d’Allemagne pour tenter d’obtenir des milliers d’échantillons de patients atteints d’un cancer du poumon. Il nous faudra encore environ cinq ans.

Nous avons la possibilité d’améliorer 100 000 fois la puissance des ordinateurs

P. Quand on parle d’électrons, tout le monde pense aux appareils électroniques, mais les êtres humains sont aussi en partie des électrons.

R. Oui, les électrons jouent un rôle absolument crucial dans nos vies, tant biologiques que technologiques. Les électrons agissent comme la colle qui permet aux atomes de former des molécules. Et les molécules, comme les protéines, sont les plus petites unités fonctionnelles de tout être vivant. Nous savons que tout changement dans la structure de ces éléments fondamentaux de la vie peut avoir des conséquences très graves, conduisant à des maladies dangereuses, comme le cancer. Et ces changements de structure impliquent toujours le mouvement des électrons. Pendant longtemps, les chimistes ont cru que les femtosecondes [milbillonésimas partes de un segundo, o sea mil veces más largos que un attosegundo] étaient les plus rapides des échelles de temps pertinentes pour les molécules. A cette échelle, d’autres personnes ont fait des expériences pionnières, comme Ahmed Zewail, qui a remporté le prix Nobel de chimie en 1999 pour avoir créé le domaine de la femtochimie. Les gens pensaient que des délais plus rapides n’étaient pas pertinents, mais cela a changé. Nous savons désormais que le mouvement des électrons à l’échelle ultrarapide de l’attoseconde peut prédéterminer les réactions qui se produiront ensuite et quelles liaisons chimiques seront rompues ou transformées pour donner naissance à une nouvelle structure. C’est ainsi qu’est né le domaine de l’atochimie.

P. Pensez-vous qu’il y aura des applications technologiques ?

R. Nous savons que nous dépendons des appareils que nous utilisons quotidiennement, comme les ordinateurs portables grâce auxquels nous tenons cette conversation. La vitesse à laquelle nous pouvons allumer et éteindre le courant électrique stagne depuis près de deux décennies. Cette vitesse est d’environ 10 gigahertz : c’est 10 milliards de fois par seconde que nous pouvons allumer et éteindre le courant électrique dans les puces actuelles intégrées à nos téléphones portables et ordinateurs. Il s’agit d’une puissance énorme, mais il existe une demande constante de capacité accrue pour exécuter des calculs toujours plus rapides. Par exemple, même les superordinateurs actuels sont incapables de prédire des phénomènes aussi complexes que les tremblements de terre. Il est évidemment nécessaire d’augmenter la puissance.

P. Comme?

R. Il existe deux possibilités pour y parvenir : l’une consiste à parvenir à une plus grande miniaturisation, pour pouvoir intégrer encore plus de transistors dans le même volume, mais cette possibilité atteint ses limites, car nous atteignons déjà des nanocircuits de l’ordre des 10 nanomètres. Ce n’est pas loin des dimensions atomiques, et il est difficile d’imaginer comment un seul atome pourrait former un transistor. La seule dimension qui reste est donc la quatrième dimension : le temps. Nous avons utilisé la technologie attoseconde pour explorer le potentiel disponible de cette manière. L’année dernière, nous avons publié que, dans des conditions de laboratoire, nous pouvons allumer ou éteindre le courant grâce au champ électrique de la lumière visible, qui oscille de haut en bas. environ 100 000 fois plus que les micro-ondes qui allument et éteignent le courant dans l’électronique d’aujourd’hui. Nous avons donc la possibilité de nous améliorer 100 000 fois.

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