與x射線相比，快速質子照射是一種更有效、侵入性更小的癌癥治療方法。然而，現代質子治療需要大型粒子加速器，這使得專家們正在研究替代加速器概念，比如激光系統來加速質子。這種系統被部署在臨床前研究，為最佳的放射治療鋪平道路。由Helmholtz-Zentrum dresden - rosssendorf (HZDR)領導的一個研究小組現在已經成功地在動物身上測試了激光質子照射，該小組發表在《自然物理學》雜志上(DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3)。
 

圖片:由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)領導的研究團隊首次成功測試了激光質子照射腫瘤。

放射治療是主要的癌癥治療方法之一。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，并捆綁成小的、精確的目標束是另一種選擇。它們可以滲透到腫瘤組織深處，在那里它們將大部分能量儲存在腫瘤中，在摧毀癌癥的同時，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，創傷更小。HZDR的研究員Elke Beyreuther博士解釋說:“這種方法特別適合于照射顱底、大腦和中樞神經系統的腫瘤。”“它也用于兒童癌癥患者，以減少可能的長期影響。”

但是，這種方法比x射線療法復雜得多，因為它需要精密的加速器設備來產生快速的質子，并將它們傳輸給患者。這就是為什么德國只有幾個質子治療中心，包括一個在德累斯頓大學醫院。目前，專家們正在穩步改進這種方法，使之適合于患者。基于激光的質子加速器可以在這方面做出決定性的貢獻。

HZDR的物理學家弗洛里安·克羅爾博士解釋說:“這種方法是基于一種高功率激光產生強而極短的光脈沖，向一層薄薄的塑料或金屬箔發射。”這些閃光的強度將電子從金屬箔中震出，產生一個強大的電場，可以將質子束成脈沖，并將它們加速到高能量。有趣的是，這個過程的規模非常小:加速路徑只有幾微米長。

“我們已經在這個項目上工作了15年，但到目前為止，質子還沒有獲得足夠的能量進行照射，”Beyreuther報道。“此外，脈沖強度變化太大，所以我們無法確保我們提供的劑量是正確的。”但在過去的幾年里，科學家們終于取得了關鍵的進步，特別是由于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，”克羅爾解釋說。“我們現在可以對它們進行調整，以產生具有足夠能量和足夠穩定的質子脈沖。”

最終，這些參數得到了優化，使得HZDR團隊能夠啟動一系列關鍵的實驗:首次用激光加速的質子對小鼠的腫瘤進行可控照射。這些實驗是與位于OncoRay -國家腫瘤放射研究中心的德累斯頓大學醫院的專家合作進行的，并以傳統質子治療設施的對比實驗為基準。“我們發現激光驅動的質子源可以產生生物學上有價值的數據，”克羅爾報告說。“這為進一步的研究奠定了基礎，使我們能夠測試和優化我們的方法。”

激光加速質子脈沖的另一個特點是其巨大的強度。而在傳統的質子治療中，輻射劑量是在幾分鐘內完成的，而基于激光的過程可以在百萬分之一秒內完成。埃爾克·拜羅伊特解釋說:“有跡象表明，如此快速的劑量管理有助于保護周圍的健康組織，甚至比以前更好。”“我們希望用我們的實驗裝置跟蹤這些適應癥，并進行臨床前研究，以研究何時以及如何使用這種快速照射方法來獲得癌癥治療的優勢。”