Snabb protonbestrålning är en effektivare och mindre invasiv cancerbehandling än röntgen. Modern protonterapi kräver dock gaspedaler med stora partiklar, vilket har fått experter att undersöka alternativa gaspedalkoncept, såsom lasersystem för att accelerera protoner. Sådana system används i prekliniska studier för att bana väg för optimal strålbehandling. En forskargrupp ledd av Helmholtz-Zentrum dresden - rosssendorf (HZDR) har nu framgångsrikt testat laserprotonbestrålning på djur för första gången, med gruppens rapport publicerad i tidskriften Nature Physics.
Strålbehandling är en av de viktigaste cancerbehandlingarna. Den använder vanligtvis intensiva, fokuserade röntgenstrålar. Protoner - kärnorna av väteatomer - accelererade till höga energier och buntas ihop till små, exakt riktade strålar är ett annat alternativ. De kan tränga djupt in i tumörvävnaden, där de lagrar det mesta av sin energi, förstör cancern samtidigt som den omgivande vävnaden i stort sett lämnas intakt. Detta gör metoden mer effektiv och mindre invasiv än röntgenterapi, förklarar Dr Elke Beyreuther, forskare vid HZDR: "Denna metod är särskilt lämplig för att bestråla tumörer vid skallbasen, i hjärnan och i centralnerven. Det används också hos pediatriska cancerpatienter för att minimera möjliga långtidseffekter."
Denna metod är dock mycket mer komplex än röntgenterapi eftersom den kräver sofistikerad gaspedalutrustning för att generera snabba protoner och överföra dem till patienten. Det är därför det bara finns ett fåtal protonterapicenter i Tyskland. Experter förbättrar nu stadigt denna metod för att göra den lämplig för patienter. Laserbaserade protongaspedaler kan ge ett avgörande bidrag i detta avseende.
Skräddarsydd laserscintillation
Dr Florian Kroll, fysiker vid HZDR, förklarar, "Denna metod är baserad på generering av starka och mycket korta ljuspulser av en högeffektlaser, som avfyras på ett tunt lager av plast eller metallfolie." Intensiteten hos dessa blixtar slår ut elektroner ur folien, vilket skapar ett kraftfullt elektriskt fält som kan stråla ut protoner till pulser och accelerera dem till höga energier. Intressant nog är processens skala mycket liten: accelerationsvägen är bara några mikrometer lång.
"Vi har arbetat med det här projektet i 15 år, men hittills har protonerna inte fått tillräckligt med energi för att bestråla." Beyreuther säger, "Dessutom varierar pulsintensiteten för mycket, så vi kan inte vara säkra på att vi levererar rätt dos." Under de senaste åren har forskare äntligen gjort viktiga framsteg, särskilt på grund av en bättre förståelse av interaktionen mellan laserblixten och folien. "Det viktigaste är att den exakta formen på laserblixtarna är särskilt viktig, och vi kan nu ställa in dem för att producera protonpulser med tillräcklig energi och tillräcklig stabilitet." Forskarna förklarade.
Gaspedalberedskap och strålningsstabilitet.
Nya forskningsbehov
Parametrarna optimerades så att HZDR-teamet kunde initiera en serie nyckelexperiment: den första kontrollerade bestrålningen av mustumörer med laseraccelererade protoner. Dessa experiment utfördes i samarbete med experter vid Dresdens universitetssjukhus i oncoray - National Center for Radiation Research in Oncology - och jämfördes med jämförande experiment vid konventionella protonterapianläggningar. "Vi fann att den laserdrivna protonkällan kunde producera biologiskt värdefull data, vilket lade grunden för vidare forskning och gjorde det möjligt för oss att testa och optimera vårt tillvägagångssätt."
En annan egenskap hos laseraccelererade protonpulser är deras enorma intensitet. Medan vid konventionell protonterapi stråldosen levereras på några minuter, kan den laserbaserade processen slutföras på en miljondels sekund," förklarar Elke Beyreuther: "Det finns indikationer på att en så snabb dosadministration hjälper till att skydda omgivande frisk vävnad ännu bättre än tidigare. Vi vill följa upp dessa indikationer med vår experimentella apparat och genomföra prekliniska studier för att undersöka när och hur denna snabba bestrålningsmetod kan användas för att få fördelar inom cancerbehandling."
