用于癌症研究的激光闪光——质子辐照的里程碑
由 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) 领导的研究小组首次成功测试了激光质子对肿瘤的照射。来源：HZDR / Juniks
与 X 射线相比，用快质子照射是一种更有效且侵入性更小的癌症治疗方法。然而，现代质子治疗需要大型粒子加速器，专家们正在研究替代加速器概念，例如加速质子的激光系统。这种系统被部署在临床前研究中，为最佳放射治疗铺平道路。正如该小组在《自然物理学》杂志上报道的那样，由Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf (HZDR)领导的一个研究小组现在首次成功地测试了激光质子对动物的照射 。
放射治疗是主要的癌症治疗方法之一。它通常利用强大的聚焦 X 射线光。质子——氢原子的原子核——被加速到高能并捆绑成小的、可精确定位的束是一种替代方案。它们可以深入组织，将大部分能量储存在肿瘤中，摧毁癌症，同时保持周围组织基本完好。这使得该方法比 X 射线治疗更有效且侵入性更小。“该方法特别适用于照射颅底、大脑和中枢神经系统的肿瘤，”HZDR 研究员 Elke Beyreuther 博士解释说。“它也用于儿科癌症患者，以减少可能的长期影响。”
然而，该方法比 X 射线治疗要复杂得多，因为它需要复杂的加速器设备来产生快质子并将它们输送给患者。这就是为什么德国只有少数质子治疗中心，包括德累斯顿大学医院的一个。目前，专家们正在努力稳步改进该方法并使其适应患者。基于激光的质子加速器可以在这里做出决定性的贡献。
定制激光闪光灯
HZDR 物理学家弗洛里安·克罗尔博士解释说：“该方法基于高功率激光器产生强且极短的光脉冲，这些光脉冲在薄塑料或金属箔上发射。” 这些闪光的强度将大片电子从箔中击出，产生强大的电场，可以将质子捆绑成脉冲并将它们加速到高能。令人着迷的是，这个过程的规模很小：加速路径只有几微米长。
发现： 全面认识体视显微镜
“我们已经在这个项目上工作了 15 年，但到目前为止，质子还没有获得足够的能量来进行辐照，”Beyreuther 报道。“此外，脉冲强度变化太大，因此我们无法确保我们提供了正确的剂量。” 但在过去的几年里，科学家们终于取得了重要的进步，特别是由于对激光闪光和箔片之间的相互作用有了更好的理解。“最重要的是，激光闪光的精确形状尤为重要，”克罗尔解释道。“我们现在可以定制它们以产生具有足够能量且足够稳定的质子脉冲。”
新的研究要求
最后，参数已经优化到 HZDR 团队能够启动一系列关键实验的程度：有史以来第一次用激光加速质子对小鼠的肿瘤进行控制照射。这些实验是与来自 OncoRay 国家放射研究中心的德累斯顿大学医院的专家合作进行的，并以传统质子治疗设施的比较实验为基准。“我们发现我们的激光驱动质子源可以产生具有生物学价值的数据，”Kroll 报告说。“这为进一步研究奠定了基础，使我们能够测试和优化我们的方法。”
激光加速质子脉冲的另一个特点是其巨大的强度。在传统的质子治疗中，辐射剂量是在几分钟内完成的，而基于激光的过程可能会在百万分之一秒内发生。“有迹象表明，如此快速的剂量给药有助于比以前更好地保护周围的健康组织，”Elke Beyreuther 解释说。“我们希望通过我们的实验装置跟进这些适应症，并进行临床前研究，以研究何时以及如何使用这种快速照射方法在癌症治疗中获得优势。”