與傳統光子放療相比，快速質子束照射是一種更有效、侵入性更小的治療方式。現代質子治療需要大型粒子加速器，研究人員正在研究大型加速器的替代方案，例如加速質子束的激光系統，目前正處于臨床前研究。日前，德國HZDR研究所研究團隊首次成功使用激光質子對動物進行照射，研究結果以《使用激光加速質子束照射小鼠腫瘤》為題發表于雜志Nature Physics


 

研究團隊構建了一個研究平臺，該平臺能使用來自激光等離子體加速器的質子束對小動物模型的腫瘤進行超高峰值劑量率照射。研究團隊證明了該加速器可直接用于放射生物學研究，包括研究統一劑量下對延緩小鼠耳朵上人類腫瘤(頭頸鱗狀細胞癌)生長速度的有效性。作者使用的樣本量為92只小鼠。研究結果證明了該技術或能用于以改善癌癥放療為目標的相關研究。


 

質子激光等離子體加速(laser–plasma acceleration, LPA)研究平臺

定制激光閃光燈

HZDR物理學家Dr. Florian Kroll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，這些光脈沖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。這個過程的加速路徑非常小，只有幾微米長。

研究團隊已經在這個項目上進行了15年的研究，但到目前為止，質子還沒有獲得足夠的能量來進行照射。此外，脈沖強度變化太大，無法確保提供了正確的劑量。但在過去的幾年，科學家們取得了重要進步，特別是由于對激光閃光燈和箔片之間的相互作用有了更好的理解。最重要的是，激光閃光燈的精確形狀尤為重要。研究團隊目前可以定制它們以產生具有足夠能量且足夠穩定的質子脈沖。


 

用于癌癥研究的定制激光閃關燈(Customized laser flashes)

新的研究要求

最后，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：首次使用激光加速質子對小鼠腫瘤進行控制照射。這些實驗與位于德國OncoRay腫瘤放射研究中心的德累斯頓大學醫院的專家合作進行，并以傳統質子治療設施的實驗為基準對照。研究團隊發現激光驅動的質子源可以產生生物學上有價值的數據。這為進一步的研究奠定了基礎，使研究團隊能夠測試和優化其方法。

HZDR研究所Dr. Elke Beyreuther解釋說：“激光加速質子脈沖的另一個特點是其強度巨大。在傳統的質子治療中，輻射劑量在幾分鐘內完成，而基于激光的過程可能在百萬分之一秒內發生。有研究表明，如此快速的劑量比傳統照射方式能更好地保護腫瘤周圍的健康組織。我們將通過我們的實驗裝置跟進這些適應證的研究，并進行臨床前研究，研究何時以及如何在癌癥治療中使用這種快速照射方法。”