來自德國研究中心Helmholtz協(xié)會的研究。

與x射線相比，快速質(zhì)子照射是一種更有效、侵入性更小的癌癥治療方法。然而，現(xiàn)代質(zhì)子治療需要大型粒子加速器，這使得專家們正在研究替代加速器概念，比如激光系統(tǒng)來加速質(zhì)子。這種系統(tǒng)被部署在臨床前研究，為最佳的放射治療鋪平道路。由Helmholtz-Zentrum dresden - rosssendorf (HZDR)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組現(xiàn)在首次成功地在動物身上測試了激光質(zhì)子照射，該小組的報告發(fā)表在《自然物理學(xué)》雜志上。

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)研究小組首次成功測試了激光質(zhì)子照射腫瘤的效果。來源：HZDR / Juniks

放射治療是主要的癌癥治療方法之一。它通常利用強烈的、聚焦的x光。質(zhì)子——氫原子的原子核——被加速到高能量，并捆綁成小而精確的目標(biāo)束是另一種選擇。它們可以滲透到腫瘤組織深處，在那里它們將大部分能量儲存在腫瘤中，在摧毀癌癥的同時，使周圍的組織基本完好無損。這使得該方法比x線治療更有效，創(chuàng)傷更小。HZDR的研究員Elke Beyreuther博士解釋說:“這種方法特別適合于照射顱底、大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腫瘤。它也用于兒童癌癥患者，以減少可能的長期影響。”

但是，這種方法比x射線療法復(fù)雜得多，因為它需要精密的加速器設(shè)備來產(chǎn)生快速的質(zhì)子，并將它們傳輸給患者。這就是為什么德國只有幾個質(zhì)子治療中心。目前，專家們正在穩(wěn)步改進這種方法，使之適合于患者。基于激光的質(zhì)子加速器可以在這方面做出決定性的貢獻。

Draco PW的模型符合劑量交付概述。

定制的激光閃爍

HZDR的物理學(xué)家Florian Kroll博士解釋說:“這種方法是基于一種高功率激光產(chǎn)生強而極短的光脈沖，它被發(fā)射到一層薄薄的塑料或金屬箔上?！边@些閃光的強度將電子擊出箔體，產(chǎn)生一個強大的電場，可以將質(zhì)子束成脈沖，并將它們加速到高能量。有趣的是，這個過程的規(guī)模非常小:加速路徑只有幾微米長。

“我們已經(jīng)在這個項目上工作了15年，但到目前為止，質(zhì)子還沒有獲得足夠的能量進行照射?！盉eyreuther說，“此外，脈沖強度變化太大，所以我們無法確保我們提供的劑量是正確的?！痹谶^去的幾年里，科學(xué)家們終于取得了關(guān)鍵的進步，特別是由于對激光閃光和箔片之間的相互作用有了更好的理解?！白钪匾氖牵す忾W光的精確形狀是特別重要的，我們現(xiàn)在可以對它們進行調(diào)整，以產(chǎn)生具有足夠能量和足夠穩(wěn)定的質(zhì)子脈沖?！毖芯咳藛T解釋稱。

加速器準(zhǔn)備就緒和束流輸送穩(wěn)定性。

新的研究需求

參數(shù)得到了優(yōu)化使得HZDR團隊能夠啟動一系列關(guān)鍵的實驗:首次使用激光加速質(zhì)子對小鼠腫瘤進行控制照射。這些實驗是與位于oncoray -國家腫瘤放射研究中心的Dresden大學(xué)醫(yī)院的專家合作進行的，并以傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)施的對比實驗為基準(zhǔn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)激光驅(qū)動的質(zhì)子源可以產(chǎn)生生物學(xué)上有價值的數(shù)據(jù)，這為進一步的研究奠定了基礎(chǔ)，使我們能夠測試和優(yōu)化我們的方法?！?/p>

放射生物學(xué)初步研究和隨訪(參考質(zhì)子數(shù)據(jù)(UPTD回旋加速器)，綠色;LPA質(zhì)子數(shù)據(jù)(藍(lán)色的Draco PW)。

激光加速質(zhì)子脈沖的另一個特點是其巨大的強度。而在傳統(tǒng)的質(zhì)子治療中，輻射劑量是在幾分鐘內(nèi)完成的，而基于激光的過程可以在百萬分之一秒內(nèi)完成。Elke Beyreuther解釋說:“有跡象表明，如此快速的劑量管理有助于保護周圍的健康組織，甚至比以前更好。我們希望用我們的實驗裝置跟蹤這些適應(yīng)癥，并進行臨床前研究，以研究何時以及如何使用這種快速照射方法來獲得癌癥治療的優(yōu)勢?！?/p>

來源：Tumour irradiation in mice with a laser-accelerated proton beam,Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3.www.nature.com/articles/s41567-022-01520-3