(French version below)
The Joliot-Curie School (EJC) is active since 1981, annually training young doctoral students, post-doctoral fellows and researchers, in the scientific advancements achieved in the fields of nuclear physics, particle physics, and astrophysics.
The 2024 edition of the School will be an opportunity to explore the theme of healthcare applications of subatomic physics, 20 years after the 2004 edition "Radiation and Life". Within the CNRS, these research efforts are led by the GDR (groupement de recherche) MI2B, which gathers researchers from IN2P3, INSB, and other CNRS institutes, as well as some teams from Inserm, IRSN, and CEA. Another important challenge of the EJC is a broader multidisciplinary opening to the nuclear physics, high-energy, and astroparticle physics communities, aiming to spark or motivate scientific interest in societal fields. Generating this interest among a pool of young researchers is essential for fostering ambitious common projects in a collaborative framework afterward.
We are currently experiencing a paradigm shift in radiotherapy with the emergence of innovative approaches such as hadron therapy, alpha vectorized internal radiotherapy, Boron Neutron Capture Therapy based on accelerators, the use of mini- and micro-beams for spatial dose fractionation with electrons, protons, or photons, and high-dose-rate delivery modalities (FLASH therapy). New challenges are arising in nuclear and X-ray imaging to improve image quality (sensitivity, efficiency, resolution, specificity, quantification). To address these methodological and instrumental challenges, physicists are adapting detection techniques used in other areas of IN2P3 or CEA-IRFU to enhance spatial, energy, and temporal resolution of detectors as well as their counting capability, data acquisition, and processing, particularly through artificial intelligence.
The development of new radioisotopes motivates intense efforts with applications on diagnostic imaging and therapy, or both (theranostics), involving specialties in accelerator physics, nuclear physics, and radiochemistry. This research is closely linked to fundamental research in radiobiology, both for understanding and improving the efficacy of radiotherapies, and for enhancing molecular imaging (identification and quantification of specific markers). All these themes rely on significant multi-scale simulation and modeling work, involving state-of-the-art computing tools at IN2P3.
Addressing the aforementioned challenges must be done through an integrated and multidisciplinary approach, combining a general understanding of innovative radiotherapy modalities, radiobiology, imaging, radiochemistry, knowledge of accelerators for therapy and radioisotope production, appropriate irradiation and detection techniques, and simulation tools such as Geant4-DNA and GATE covering the entire spectrum of these thematics. The main objective of such a multidisciplinary approach is to enable physicists to better understand the needs and methodologies of clinicians, medical physicists, and biologists, so that they can undertake collaborative research programs. Indeed, physical concepts such as dose, taken alone, do not predict the therapeutic efficacy of innovative radiotherapy, for which a multidisciplinary and multi-scale approach is necessary. Similarly, physicists' contribution to imaging techniques must incorporate clinical constraints and integrate the chemical and biological components of radiopharmaceuticals. Finally, modeling, and its application in simulation tools, reflects the level of understanding of the effects of the physical, chemical, and biological processes involved.
L’école Joliot-Curie est une école récurrente depuis 1981 qui forme chaque année des jeunes doctorants, post-doctorants et chercheurs sur les avancées scientifiques réalisées dans une des thématiques soutenues par l’école : la physique nucléaire, la physique des particules et l’astrophysique.
L’édition 2024 de l’école sera l’occasion de faire un bilan sur le thème des applications en santé de la physique subatomique 20 ans après l’édition 2004 «Les rayonnements et le vivant» de l’École. Ces recherches sont structurées au sein du CNRS par le GDR MI2B qui rassemble des chercheurs de l’IN2P3, de l’INSB et d’autres instituts, ainsi que quelques équipes de l’Inserm, de l’IRSN et du CEA. Cependant, un enjeu important de cette école est une plus large ouverture pluridisciplinaire auprès de la communauté de physique nucléaire, des hautes énergies et des astroparticules, afin de susciter ou motiver un intérêt scientifique sur une problématique sociétale phare de leur domaine. Susciter cet intérêt
au sein d’un vivier de jeunes chercheurs est essentiel pour espérer fonder ensuite des projets communs ambitieux dans un cadre collaboratif.
Nous vivons actuellement une évolution des paradigmes en radiothérapie avec l’avènement d'approches innovantes telles que par exemple l’hadronthérapie, la radiothérapie interne vectorisée alpha, la Boron Neutron Capture Therapy basée sur accélérateurs, l’utilisation de mini- et micro-faisceaux pour un fractionnement spatial de la dose avec des électrons, des protons ou des photons, et des modalités de délivrance de dose à très haut débit (thérapie FLASH). De nouveaux challenges se posent actuellement en imagerie nucléaire et X afin d’améliorer la qualité des images (sensibilité, efficacité, résolution, spécificité, quantification). Pour répondre à ces défis méthodologies et instrumentaux, les physiciens adaptent les techniques de détection employées dans les autres thématiques de l’IN2P3 ou du CEA-IRFU afin d’améliorer la résolution spatiale, énergétique et temporelle des détecteurs ainsi que leur capacité de comptage, d’acquisition de données et de leur traitement, notamment au moyen de l’intelligence artificielle.
Le développement de nouveaux radio-isotopes fait l’objet d’une recherche soutenue pour l’imagerie diagnostique et la thérapie, voire les deux (théranostique), et font intervenir des spécialités de physique des accélérateurs, de physique nucléaire et de radiochimie. Ces recherches sont étroitement couplées à une recherche fondamentale en radiobiologie, à la fois pour la compréhension et l’amélioration de l’efficacité des radiothérapies, et pour l’amélioration de l’imagerie moléculaire (identification et quantification de marqueurs spécifiques). Toutes ces thématiques reposent sur un important travail de simulation et de modélisation multi-échelle, et font intervenir les outils de calcul à l’état de l’art à l’IN2P3.
Répondre aux enjeux mentionnés plus haut doit se faire par une approche intégrée et pluridisciplinaire, alliant une compréhension générale des modalités de radiothérapies innovantes, de radiobiologie, d’imagerie, de radiochimie, des notions sur les accélérateurs pour la thérapie et la production de radioéléments, les techniques d’irradiations et de détection adaptées, et les outils de simulation tels que Geant4 -DNA et GATE qui recouvrent l’ensemble de cette problématique. L’objectif principal est de permettre aux participants physiciens de mieux appréhender les besoins et les méthodologies des cliniciens, des physiciens médicaux et des biologistes, afin qu’ils puissent entreprendre des programmes de recherche collaboratifs. Des concepts physiques tels que la dose ne permettent pas de prédire l’efficacité thérapeutique d’une radiothérapie innovante, pour laquelle une approche pluridisciplinaire et multi-échelle est nécessaire. De même, l’apport des physiciens sur les techniques d’imagerie doit associer les contraintes cliniques et intégrer la composante chimique et biologique sur les radiopharmaceutiques. Enfin la modélisation, et son application dans les outils de simulation, reflète le niveau de compréhension des effets des processus physiques, chimiques et biologiques mis en jeu.
