用于癌癥研究的激光閃光——質子輻照的里程碑
由 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) 領導的研究小組首次成功測試了激光質子對腫瘤的照射
與X射線相比，用快質子照射是一種更有效且侵入性更小的癌癥治療方法。然而，現代質子治療需要大型粒子加速器，專家們正在研究替代加速器概念，例如加速質子的激光系統。這種系統被部署在臨床前研究中，為最佳放射治療鋪平道路。正如該小組在《自然物理學》雜志上報道的那樣，由Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf (HZDR)領導的一個研究小組現在首次成功地測試了激光質子對動物的照射 。
放射治療是主要的癌癥治療方法之一。它通常利用強大的聚焦 X 射線光。質子——氫原子的原子核——被加速到高能并捆綁成小的、可精確定位的束是一種替代方案。它們可以深入組織，將大部分能量儲存在腫瘤中，摧毀癌癥，同時保持周圍組織基本完好。這使得該方法比 X 射線治療更有效且侵入性更小。“該方法特別適用于照射顱底、大腦和中樞神經系統的腫瘤，”HZDR 研究員 Elke Beyreuther 博士解釋說。“它也用于兒科癌癥患者，以減少可能的長期影響。”
然而，該方法比 X 射線治療要復雜得多，因為它需要復雜的加速器設備來產生快質子并將其運送給患者。這就是為什么德國只有少數質子治療中心，包括德累斯頓大學醫院的一個。目前，專家們正在努力穩步改進該方法并使其適應患者。基于激光的質子加速器可以在這里做出決定性的貢獻。
定制激光閃光燈
HZDR 物理學家 Florian Kroll 博士解釋說：“該方法基于高功率激光器產生強且極短的光脈沖，這些光脈沖在薄塑料或金屬箔上發射。” 這些閃光的強度將大片電子從箔中擊出，產生強大的電場，可以將質子捆綁成脈沖并將它們加速到高能。令人著迷的是，這個過程的規模很小：加速路徑只有幾微米長。
“我們已經在這個項目上工作了 15 年，但到目前為止，質子還沒有獲得足夠的能量來進行輻照，”Beyreuther 報道。“此外，脈沖強度變化太大，因此我們無法確保我們提供了正確的劑量。” 但在過去的幾年里，科學家們終于取得了重大進展，特別是由于更好地了解了激光閃光和箔片之間的相互作用。“最重要的是，激光閃光的精確形狀尤為重要，”克羅爾解釋道。“我們現在可以定制它們以產生具有足夠能量且足夠穩定的質子脈沖。”
新的研究要求
最后，參數已經優化到 HZDR 團隊能夠啟動一系列關鍵實驗的程度：有史以來第一次用激光加速質子對小鼠的腫瘤進行控制照射。這些實驗是與來自 OncoRay 國家放射研究中心的德累斯頓大學醫院的專家合作進行的，并以傳統質子治療設施的比較實驗為基準。“我們發現我們的激光驅動質子源可以產生具有生物學價值的數據，”Kroll 報告說。“這為進一步研究奠定了基礎，使我們能夠測試和優化我們的方法。”
激光加速質子脈沖的另一個特點是其巨大的強度。在傳統的質子治療中，輻射劑量是在幾分鐘內完成的，而基于激光的過程可能會在百萬分之一秒內發生。“有跡象表明，如此快速的劑量給藥有助于比以前更好地保護周圍的健康組織，”Elke Beyreuther 解釋說。“我們希望通過我們的實驗裝置跟進這些適應癥，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在癌癥治療中獲得優勢。”
參考文獻：
“用激光加速質子束照射小鼠的腫瘤”，F. Kroll, F.-E. Brack, C. Bernert, S. Bock, E. Bodenstein, K. Brüchner, T. Cowan, L. Gaus, R. Gebhardt, U. Helbig, L. Karsch, T. Kluge, S. Kraft, M. Krause, E. Lessmann, U. Masood, S. Meister, J. Metzkes-Ng, A. Nossula, J. Pawelke, J. Pietzsch, T. Püschel, M. Reimold, M. Rehwald, C. Richter, H.-P . Schlenvoigt、U. Schramm、MEP Umlandt、T. Ziegler、K. Zeil 和 E. Beyreuther，2022 年 3 月 14 日，自然物理學。
DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3