近期,據(jù)德國(guó)亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心(Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf,HZDR)報(bào)道,該中心的研究小組首次成功測(cè)試了激光加速產(chǎn)生的質(zhì)子束對(duì)動(dòng)物腫瘤的照射,用于癌癥研究的超短強(qiáng)激光脈沖成為質(zhì)子輻照的一個(gè)里程碑。參與此項(xiàng)研究的還有來(lái)自德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)(Technische Universit?t Dresden, Germany)、德國(guó)癌癥研究協(xié)會(huì)(German Cancer Consortium)以及德國(guó)國(guó)家腫瘤中心(National Center for Tumor Diseases)的研究人員。相關(guān)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(qiáng)大的聚焦X射線(xiàn)光。還有一種方法是將質(zhì)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(zhì)子束,它們可以深入組織,將大部分能量?jī)?chǔ)存在腫瘤中,摧毀癌癥,同時(shí)保持周?chē)M織基本完好。與X射線(xiàn)相比,用快質(zhì)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(shuō):“該方法特別適用于照射顱底、大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腫瘤。也可以用于兒科癌癥患者,以減少可能的長(zhǎng)期影響?!?/section>然而,現(xiàn)代質(zhì)子治療比X射線(xiàn)治療要復(fù)雜得多,它需要大型粒子加速器來(lái)產(chǎn)生快質(zhì)子并將其傳導(dǎo)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(zhì)子的激光系統(tǒng)。專(zhuān)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(zhì)子加速器可以在這方面做出決定性的貢獻(xiàn)。
定制激光脈沖
HZDR物理學(xué)家Florian Kroll表示,該方法基于高功率激光器產(chǎn)生極強(qiáng)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(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng),進(jìn)而將質(zhì)子加速到高能量,產(chǎn)生定向質(zhì)子束。更具吸引力的是,這個(gè)過(guò)程的加速距離僅有幾微米長(zhǎng)。
研究人員表示,他們已經(jīng)在這個(gè)項(xiàng)目上研究了15年,但到目前為止,質(zhì)子還沒(méi)有獲得足夠的能量來(lái)進(jìn)行輻照。此外,激光脈沖強(qiáng)度不穩(wěn)定,無(wú)法確定是否傳導(dǎo)了準(zhǔn)確的劑量。過(guò)去的幾年里,科學(xué)家們終于取得了重大進(jìn)展,主要源于更好地了解了超強(qiáng)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(chǎn)生具有足夠能量且足夠穩(wěn)定的質(zhì)子脈沖?!?/p>
目前,各項(xiàng)參數(shù)已經(jīng)得到優(yōu)化,因此HZDR團(tuán)隊(duì)才能夠啟動(dòng)一系列的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn):有史以來(lái)第一次用激光加速質(zhì)子對(duì)小鼠的腫瘤進(jìn)行可控照射。這些實(shí)驗(yàn)是與德國(guó)國(guó)家腫瘤放射研究中心的德累斯頓大學(xué)醫(yī)院的專(zhuān)家合作進(jìn)行的,并以傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)施的比較實(shí)驗(yàn)為基準(zhǔn)。
激光加速質(zhì)子束的另一個(gè)特點(diǎn)是其超高的峰值強(qiáng)度。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,而基于激光加速的過(guò)程可能會(huì)在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)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(hù)周?chē)慕】到M織。他們希望通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步研究這一瞬態(tài)效應(yīng),并進(jìn)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(shì)。