近期,據德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心(Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf,HZDR)報道,該中心的研究小組首次成功測試了激光加速產生的質子束對動物腫瘤的照射,用于癌癥研究的超短強激光脈沖成為質子輻照的一個里程碑。參與此項研究的還有來自德國德累斯頓工業(yè)大學(Technische Universit?t Dresden, Germany)、德國癌癥研究協(xié)會(German Cancer Consortium)以及德國國家腫瘤中心(National Center for Tumor Diseases)的研究人員。相關研究已于2022年3月14日發(fā)表在Nature Physics上。放射治療是癌癥的主要治療方法之一,通常利用強大的聚焦X射線光。還有一種方法是將質子(氫原子的原子核)加速到高能量,并聚焦成小的、可精確定位的質子束,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。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。HZDR研究員Elke Beyreuther說:“該方法特別適用于照射顱底、大腦和中樞神經系統(tǒng)的腫瘤。也可以用于兒科癌癥患者,以減少可能的長期影響?!?/section>然而,現(xiàn)代質子治療比X射線治療要復雜得多,它需要大型粒子加速器來產生快質子并將其傳導至治療室的患者。目前,研究人員正在考慮可替代加速器的裝置,例如可加速質子的激光系統(tǒng)。專家們希望把這種系統(tǒng)部署在臨床前研究中,為最佳放射治療鋪平道路,基于激光的質子加速器可以在這方面做出決定性的貢獻。
定制激光脈沖
HZDR物理學家Florian Kroll表示,該方法基于高功率激光器產生極強且極短的光脈沖,這些光脈沖照射在薄塑料或金屬箔上,使大量電子從箔中逸出,產生強大的電場,進而將質子加速到高能量,產生定向質子束。更具吸引力的是,這個過程的加速距離僅有幾微米長。
研究人員表示,他們已經在這個項目上研究了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。此外,激光脈沖強度不穩(wěn)定,無法確定是否傳導了準確的劑量。過去的幾年里,科學家們終于取得了重大進展,主要源于更好地了解了超強激光脈沖和薄靶之間的相互作用。研究員Kroll解釋道:“激光脈沖形狀十分重要,我們現(xiàn)在可以控制它們以產生具有足夠能量且足夠穩(wěn)定的質子脈沖?!?/p>
目前,各項參數(shù)已經得到優(yōu)化,因此HZDR團隊才能夠啟動一系列的關鍵實驗:有史以來第一次用激光加速質子對小鼠的腫瘤進行可控照射。這些實驗是與德國國家腫瘤放射研究中心的德累斯頓大學醫(yī)院的專家合作進行的,并以傳統(tǒng)質子治療設施的比較實驗為基準。
激光加速質子束的另一個特點是其超高的峰值強度。在傳統(tǒng)的質子治療中,輻射劑量是在幾分鐘內完成的,而基于激光加速的過程可能會在百萬分之一秒內發(fā)生。研究人員指出,有跡象表明,如此快速的瞬態(tài)劑量給藥有助于更好地保護周圍的健康組織。他們希望通過該實驗裝置進一步研究這一瞬態(tài)效應,并進行臨床前的研究,以明確如何使用這種快速照射方法在癌癥治療中獲得優(yōu)勢。