來自德國研究中心Helmholtz協會(hui) 的研究。

與(yu) x射線相比，快速質子照射是一種更有效、侵入性更小的癌症治療方法。然而，現代質子治療需要大型粒子加速器，這使得專(zhuan) 家們(men) 正在研究替代加速器概念，比如激光係統來加速質子。這種係統被部署在臨(lin) 床前研究，為(wei) 最佳的放射治療鋪平道路。由Helmholtz-Zentrum dresden - rosssendorf (HZDR)領導的一個(ge) 研究小組現在首次成功地在動物身上測試了激光質子照射，該小組的報告發表在《自然物理學》雜誌上。

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)研究小組首次成功測試了激光質子照射腫瘤的效果。來源：HZDR / Juniks

放射治療是主要的癌症治療方法之一。它通常利用強烈的、聚焦的x光。質子——氫原子的原子核——被加速到高能量，並捆綁成小而精確的目標束是另一種選擇。它們(men) 可以滲透到腫瘤組織深處，在那裏它們(men) 將大部分能量儲(chu) 存在腫瘤中，在摧毀癌症的同時，使周圍的組織基本完好無損。這使得該方法比x線治療更有效，創傷(shang) 更小。HZDR的研究員Elke Beyreuther博士解釋說:“這種方法特別適合於(yu) 照射顱底、大腦和中樞神經係統的腫瘤。它也用於(yu) 兒(er) 童癌症患者，以減少可能的長期影響。”

但是，這種方法比x射線療法複雜得多，因為(wei) 它需要精密的加速器設備來產(chan) 生快速的質子，並將它們(men) 傳(chuan) 輸給患者。這就是為(wei) 什麽(me) 德國隻有幾個(ge) 質子治療中心。目前，專(zhuan) 家們(men) 正在穩步改進這種方法，使之適合於(yu) 患者。基於(yu) 激光的質子加速器可以在這方麵做出決(jue) 定性的貢獻。

Draco PW的模型符合劑量交付概述。

定製的激光閃爍

HZDR的物理學家Florian Kroll博士解釋說:“這種方法是基於(yu) 一種高功率激光產(chan) 生強而極短的光脈衝(chong) ，它被發射到一層薄薄的塑料或金屬箔上。”這些閃光的強度將電子擊出箔體(ti) ，產(chan) 生一個(ge) 強大的電場，可以將質子束成脈衝(chong) ，並將它們(men) 加速到高能量。有趣的是，這個(ge) 過程的規模非常小:加速路徑隻有幾微米長。

“我們(men) 已經在這個(ge) 項目上工作了15年，但到目前為(wei) 止，質子還沒有獲得足夠的能量進行照射。”Beyreuther說，“此外，脈衝(chong) 強度變化太大，所以我們(men) 無法確保我們(men) 提供的劑量是正確的。”在過去的幾年裏，科學家們(men) 終於(yu) 取得了關(guan) 鍵的進步，特別是由於(yu) 對激光閃光和箔片之間的相互作用有了更好的理解。“最重要的是，激光閃光的精確形狀是特別重要的，我們(men) 現在可以對它們(men) 進行調整，以產(chan) 生具有足夠能量和足夠穩定的質子脈衝(chong) 。”研究人員解釋稱。

加速器準備就緒和束流輸送穩定性。

新的研究需求

參數得到了優(you) 化使得HZDR團隊能夠啟動一係列關(guan) 鍵的實驗:首次使用激光加速質子對小鼠腫瘤進行控製照射。這些實驗是與(yu) 位於(yu) oncoray -國家腫瘤放射研究中心的Dresden大學醫院的專(zhuan) 家合作進行的，並以傳(chuan) 統質子治療設施的對比實驗為(wei) 基準。“我們(men) 發現激光驅動的質子源可以產(chan) 生生物學上有價(jia) 值的數據，這為(wei) 進一步的研究奠定了基礎，使我們(men) 能夠測試和優(you) 化我們(men) 的方法。”

放射生物學初步研究和隨訪(參考質子數據(UPTD回旋加速器)，綠色;LPA質子數據(藍色的Draco PW)。

激光加速質子脈衝(chong) 的另一個(ge) 特點是其巨大的強度。而在傳(chuan) 統的質子治療中，輻射劑量是在幾分鍾內(nei) 完成的，而基於(yu) 激光的過程可以在百萬(wan) 分之一秒內(nei) 完成。Elke Beyreuther解釋說:“有跡象表明，如此快速的劑量管理有助於(yu) 保護周圍的健康組織，甚至比以前更好。我們(men) 希望用我們(men) 的實驗裝置跟蹤這些適應症，並進行臨(lin) 床前研究，以研究何時以及如何使用這種快速照射方法來獲得癌症治療的優(you) 勢。”

來源：Tumour irradiation in mice with a laser-accelerated proton beam,Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3.www.nature.com/articles/s41567-022-01520-3