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The SPES_MED project

Cet article expose les objectifs du projet SPES_MED (2025–2027) à l'INFN-LNL, qui vise à produire des radionucléides médicaux en utilisant à la fois l'activation directe et les techniques ISOL, tout en présentant les premiers résultats de sa première année concernant les mesures de sections efficaces nucléaires, la production et la modélisation.

Auteurs originaux : Gaia Pupillo, Alberto Andrighetto, Alberto Arzenton, Michele Ballan, Francesca Barbaro, Nicola Belcari, Francesco Broggi, Fiorella Maria Cagnetta, Luciano Canton, Sara Cisternino, Michele Colucci, Gia

Publié 2026-07-08

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Gaia Pupillo, Alberto Andrighetto, Alberto Arzenton, Michele Ballan, Francesca Barbaro, Nicola Belcari, Francesco Broggi, Fiorella Maria Cagnetta, Luciano Canton, Sara Cisternino, Michele Colucci, Giancarlo D'Agostino, Pasquale Delogu, Lucia De Dominicis, Laura De Nardo, Marco Di Luzio, Antonietta Donzella, Juan Esposito, Lorenzo Gaddi, Andrea Gandini, Flavia Maria Groppi Garlandini, Alisa Kotliarenko, Yuliia Lashko, Aurora Leso, Marcello Lunardon, Simone Manenti, Sandra Moretto, Liliana Mou, Elisa Persico, Daniele Scarpa, Davide Serafini, Omorjit Singh Khwairakpam, Giancarlo Sportelli, Giulia Saveria Valli, Giacomo Voltan, Lisa Zangrando, Emilio Mariotti

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez une cuisine massive et de haute technologie en Italie appelée SPES (Selective Production of Exotic Species). Sa fonction principale est habituellement de cuisiner des ingrédients rares et exotiques pour les scientifiques qui étudient les fondements mêmes de l'univers. Cependant, une nouvelle équipe appelée SPES_MED s'est installée dans cette cuisine avec une mission spécifique : cuisiner des « ingrédients » spéciaux (des atomes radioactifs) que les médecins pourront utiliser pour diagnostiquer et traiter des maladies.

Ce document est comme un rapport d'étape de la première année de leur nouveau projet. Voici ce qu'ils font, expliqué simplement :

Les deux méthodes de cuisine

L'équipe utilise deux manières différentes de fabriquer ces ingrédients médicaux :

La méthode du « Coup Direct » (LARAMED) : Imaginez tirer un boulet de canon (un faisceau de protons) directement sur une cible faite de métaux spécifiques. L'impact brise les atomes du métal et crée de nouveaux atomes radioactifs utiles. C'est comme fracasser une pastèque pour en extraire les graines.
La méthode du « Four » (ISOL) : Imaginez placer un bloc de matériau (comme une céramique spéciale) dans un four surchauffé (2000 °C). La chaleur fait « transpirer » les atomes à l'intérieur, qui s'échappent sous forme de gaz. Ces atomes gazeux sont ensuite capturés, triés et collectés. C'est comme chauffer un bloc de fromage jusqu'à ce que les huiles aromatiques fondent et puissent être collectées.

Ce qu'ils ont fait cette année (Les trois lots de travaux)

Le projet est divisé en trois tâches principales, ou « Lots de Travaux » (WP) :

1. Tester les recettes (WP1 : Mesures de section efficace)
Avant de pouvoir cuisiner un repas pour des milliers de personnes, vous devez savoir exactement quelle chaleur et combien de temps cuisiner pour obtenir le résultat parfait sans brûler.

L'expérience : L'équipe a tiré différents types de faisceaux de particules (comme des deutérons et des particules alpha) sur des cibles métalliques spécifiques (comme le Titane et l'Europium).
Le but : Ils voulaient mesurer exactement combien d'« atomes médicaux » étaient créés et combien d'« atomes de rebut » (impuretés) étaient fabriqués par effet secondaire.
La découverte : Ils ont trouvé une nouvelle façon efficace de fabriquer un atome spécifique appelé Scandium-47 (excellent pour la théranostique, ce qui signifie utiliser un seul atome pour l'imagerie et le traitement). Ils ont également étudié les isotopes du Terbium.
La surprise : Ils ont découvert que certains « livres de cuisine » existants (données scientifiques) contenaient les mauvais chiffres pour la désintégration de certains atomes. Ils ont mesuré un « rapport de branchement » spécifique (le chemin qu'un atome emprunte lorsqu'il se transforme) pour le Terbium-154 et ont trouvé qu'il était beaucoup plus bas que ce que tout le monde pensait. Cela signifie que les calculs précédents pourraient être erronés et qu'ils doivent réécrire la recette.

2. Installer la station de collecte (WP2 : Production ISOL)
Maintenant qu'ils connaissent les recettes, ils doivent construire la chaîne de montage pour attraper les atomes.

La nouvelle station : Ils ont installé une station de collecte spéciale appelée IRIS. Imaginez un aspirateur haute technologie qui aspire le gaz radioactif sortant du four chaud et le dépose sur de petites tablettes d'aspect comestible (faites de matériaux semblables au sucre) afin que les médecins puissent les ramasser facilement plus tard.
Le tuner laser : Ils ont également testé une Source d'ions laser. Imaginez utiliser une couleur très spécifique de lumière laser pour « marquer » uniquement les atomes que vous voulez, en ignorant ceux dont vous n'avez pas besoin. Ils ont testé cela avec succès avec des faisceaux d'Argent, prouvant qu'ils peuvent désormais capturer des atomes spécifiques avec une grande pureté.
Le chronomètre : Ils ont également mesuré à nouveau la « demi-vie » (combien de temps un atome dure avant de disparaître) de l'Argent-111. Ils ont trouvé qu'elle dure légèrement moins longtemps que le chiffre standard indique. Cela est crucial car si vous pensez qu'un médicament dure plus longtemps qu'il ne l'est réellement, le dosage pourrait être incorrect.

3. La cuisine de simulation (WP3 : Modélisation nucléaire)
Avant de brûler des matériaux coûteux, ils utilisent des ordinateurs pour simuler le processus de cuisson.

L'algorithme génétique : Ils ont utilisé un programme informatique qui agit comme l'évolution. Il essaie des milliers de « recettes » (paramètres) différentes pour voir laquelle produit les meilleurs résultats. Ils ont utilisé cela pour perfectionner la simulation de la fabrication du Scandium-47, trouvant que leur nouveau modèle informatique est beaucoup plus précis que les anciens modèles standards.
Le four virtuel : Ils ont utilisé des simulations 3D avancées (comme un moteur physique de jeu vidéo) pour concevoir la meilleure forme pour les cibles en céramique. Ils testent différentes formes pour voir comment la chaleur et les atomes se déplacent à l'intérieur, visant à créer des cibles capables de supporter plus de puissance sans fondre.

L'essentiel à retenir

Le projet SPES_MED est dans sa première année et a réussi à :

Construire de nouveaux équipements pour attraper et trier les atomes radioactifs.
Tester de nouvelles façons de fabriquer des atomes médicaux spécifiques (Scandium et Terbium) et ont constaté qu'ils fonctionnent mieux que prévu.
Découvrir que certaines anciennes données scientifiques étaient fausses et doivent être mises à jour.
Prouver que l'utilisation de simulations informatiques intelligentes aide à cuisiner ces atomes plus efficacement.

Ils sont en train de construire une usine de pointe pour produire les matières premières des futurs traitements médicaux, en veillant à ce que les « ingrédients » soient purs, abondants et produits exactement de la manière dont les médecins en ont besoin.

Résumé Technique : Le Projet SPES_MED

Énoncé du Problème
La production de radionucléides médicaux est cruciale pour le domaine en pleine expansion de la médecine nucléaire, qui repose de plus en plus sur de nouveaux isotopes pour la théranostique, l'imagerie bimodale et la radiothérapie ciblée. Cependant, la disponibilité de radionucléides de qualité recherche à haute pureté reste un défi, nécessissant des infrastructures de recherche avancées. Bien que la installation SPES (Selective Production of Exotic Species) de l'INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN-LNL) soit principalement conçue pour produire des faisceaux d'ions exotiques réaccélérés pour la physique fondamentale, son système d'extraction à double faisceau offre une opportunité unique pour la recherche appliquée. Le projet SPES_MED répond à la nécessité d'optimiser la production de radionucléides médicaux spécifiques en exploitant à la fois les méthodes d'activation directe et la technique d'Isotope Separation On-Line (ISOL). Un défi majeur identifié est le manque de données précises sur les sections efficaces nucléaires et sur les paramètres de désintégration fiables pour les isotopes émergents, ce qui entrave l'optimisation des voies de production et l'évaluation de la pureté radionucléidique.

Méthodologie
Le projet SPES_MED (financé pour 2025–2027) est structuré autour de trois Work Packages (WP - Paquets de Travail) impliquant une collaboration entre l'INFN-LNL et diverses universités et instituts de recherche italiens.

WP1 (Mesures de Sections Efficaces Nucléaires) : L'équipe mène des mesures expérimentales de réactions nucléaires à l'aide de faisceaux de particules chargées. Les campagnes spécifiques incluent :
- Des réactions induites par des deutérons sur des cibles enrichies en $^{49}$ Ti ( $^{49}$ Ti(d,x) $^{47}$ Sc) réalisées à l'installation GIP ARRONAX via la méthode des feuilles empilées (stacked-foils).
- Des réactions induites par des particules alpha sur des cibles de Europium naturel ( $^{nat}$ Eu( $\alpha$ ,x)) et des réactions induites par des protons sur le Gadolinium, couvrant des énergies allant jusqu'à 65–68 MeV.
- L'analyse post-irradiation est effectuée par spectrométrie $\gamma$ à haute résolution à l'aide de détecteurs HPGe, avec un suivi des courbes de désintégration pendant plusieurs jours pour résoudre les interférences.
WP2 (Production ISOL et Installations) : Ce paquet de travail se concentre sur la station d'implantation de radionucléides ISOLPHARM (IRIS).
- Le système IRIS, situé dans la salle expérimentale à basse énergie de SPES, collecte des faisceaux d'ions radioactifs (RIB) sur des substrats organiques (comprimés d'hypromellose/sorbitol) pour une analyse ultérieure.
- Les activités de mise en service incluent la source d'ions laser SPES (SPES-LIS), utilisant la photoionisation par étapes résonante (validée avec des faisceaux de Samarium stables) pour améliorer la pureté élémentaire et réduire la contamination isobarique.
- Des tests d'efficacité d'ionisation sont effectués en utilisant des faisceaux stables (par exemple, l'Argent) sur l'avant-plan offline afin d'optimiser les conditions pour la future production de faisceaux radioactifs.
WP3 (Modélisation Nucléaire et Simulations) : Ce paquet utilise des outils computationnels pour interpréter les données expérimentales et optimiser les paramètres de production.
- Algorithmes Génétiques (GA) : Un GA est utilisé pour optimiser les paramètres du modèle de réaction nucléaire TALYS (spécifiquement les paramètres de densité de niveaux) afin de mieux s'ajuster aux données de section efficace expérimentales pour la réaction $^{49}$ Ti(p,x) $^{47}$ Sc.
- Simulations Monte Carlo : Geant4 est utilisé pour simuler les processus de diffusion dans les boîtes de cibles en SiC afin de calculer les temps de fuite moyens pour les nucléides. Les codes FLUKA et PHITS sont utilisés pour modéliser les taux de production dans les cibles de SiC, TiC et UCx et pour comparer les prédictions théoriques aux données expérimentales.
- Études de Photoionisation : L'efficacité intrinsèque des schémas d'ionisation laser pour le Mg, Sc, Ga et Ag est évaluée pour prédire les rendements ioniques au sein du SPES-LIS.

Contributions Clés et Résultats

Données de Section Efficace : Le projet a généré de nouvelles données expérimentales de section efficace pour la réaction $^{49}$ Ti(d,x) $^{47}$ Sc et pour les réactions $^{nat}$ Eu( $\alpha$ ,x) produisant des isotopes du Terbium ( $^{149-156}$ Tb). Ces résultats constituent des données d'entrée essentielles pour les bases de données nucléaires et aident à identifier les paramètres d'irradiation optimaux.
Révision des Données de Désintégration : Une découverte significative concerne le rapport de branchement de la transition interne $^{154m1}$ Tb $\rightarrow$ $^{154g}$ Tb. L'ajustement expérimental des courbes de désintégration a produit une valeur préliminaire d'environ 8 %, ce qui est nettement inférieur à la valeur de la littérature de 21,8 ± 0,7 %. Cette divergence suggère la nécessité de réviser les données de désintégration pour évaluer précisément la pureté radionucléidique.
Détermination de la Demi-vie : Une nouvelle mesure de haute précision de la demi-vie de $^{111}$ Ag a été réalisée, aboutissant à une valeur de 7,4236(11) jours. Cette valeur entre en conflit avec la valeur actuellement recommandée de 7,45(1) jours, confirmant une divergence connue dans la littérature.
Mise en Service de l'Infrastructure : Le système IRIS a été installé et testé avec succès en mode offline, inclant les procédures de dégazage et de mise sous vide. Le SPES-LIS a été mis en service avec des faisceaux stables, démontrant la capacité de produire des éléments comme le $^{111}$ Ag avec une haute efficacité et une faible contamination isobarique.
Optimisation des Modèles : L'optimisation des paramètres TALYS basée sur le GA pour la réaction $^{49}$ Ti(p,x) $^{47}$ Sc a démontré une erreur quadratique moyenne (RMSE) systématiquement plus faible par rapport au modèle par défaut, validant l'approche pour l'amélioration des simulations de réactions nucléaires.
Conception de Cibles : Les simulations préliminaires de Geant4 des géométries de cibles SiC et les études en cours avec FLUKA/PHITS sur les cibles TiC établissent des références pour les taux de production et optimisent la conception des cibles pour l'irradiation à haute puissance.

Signification
Cet article positionne le projet SPES_MED comme une étape critique pour combler le fossé entre l'infrastructure de physique nucléaire fondamentale et les besoins pratiques de la médecine nucléaire. En générant des données de section efficace précises et en affinant les modèles nucléaires, le projet vise à optimiser les rendements de production et la pureté radionucléidique pour des isotopes tels que le $^{47}$ Sc, le $^{111}$ Ag et les isotopes du Terbium. Le projet affirme que l'intégration des données expérimentales avec des techniques numériques avancées (telles que les algorithmes génétiques et les simulations Monte Carlo) est essentielle pour surmonter les limites des prédictions théoriques existantes. De plus, la mise en service réussie de la station IRIS et du SPES-LIS élargit la gamme d'isotopes pouvant être produits avec une grande efficacité, soutenant directement les objectifs du consortium européen PRISMAP+ pour fournir des radionucléides de haute pureté pour la recherche. Ce travail souligne l'importance d'études expérimentales dédiées pour résoudre les divergences dans les données de désintégration nucléaire, lesquelles ont des conséquences directes sur la sécurité et l'efficacité des produits radiopharmaceutiques.

Les deux méthodes de cuisine

Ce qu'ils ont fait cette année (Les trois lots de travaux)

L'essentiel à retenir

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