Kei Nakamura、Antoine Snijders 和 Lieselotte Obst-Huebl(左起)在 BELLA 激光設施中，在質子束路徑中校準含有人體細胞的墨盒。這種設置可以測量激光驅動質子的生物效應。
乙勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的生物學家和物理學家聯手利用激光產生的質子束為癌癥治療創造了新的機會。
正在進行的項目旨在調整激光驅動離子加速器的新興技術——它們聽起來很酷——使患者更容易獲得更有效的放射治療類型。
“質子治療中心是大型且昂貴的設施，因此它們在世界范圍內受到限制，”共同主要作者、生物系統與工程 (BSE) 部門的癌癥研究員和高級科學家 Antoine Snijders 說。“目前，全球范圍內的地理分布和獲得質子治療的機會有限。獲得更廣泛的訪問權限并可能降低成本的方法是降低這些類型設施的成本和占地面積。這意味著我們需要更緊湊的離子源用于質子加速器。”
科學家們還在研究使用這些加速器在極短的暴露時間內以超高劑量提供質子束放射治療的潛在好處——一種稱為 FLASH 放射治療的技術。盡管該方法目前仍處于試驗階段，但 FLASH 放療可能會改變放射腫瘤學的前景。Snijders 補充說：“如果我們的工作也可以為患者帶來 FLASH 放射治療，它可能是兩全其美的。”
Snijders 和伯克利實驗室 BSE 部門的幾位同事正在與伯克利實驗室激光加速器 (BELLA) 中心的研究人員合作，該中心是世界上最先進的基于激光的加速器之一。互惠互利的配對為 BELLA 科學家提供了一個真實世界的應用程序，可以圍繞該應用程序改進他們的實驗激光平臺，并讓生物學家有機會測試活組織如何以 FLASH 劑量率對激光驅動 (LD) 質子束作出反應。
早期的發現讓每個人都興奮不已。在《科學報告》上發表的一篇論文中，該團隊分享了他們對正常人體細胞和腫瘤細胞進行的原理驗證實驗的結果。這項工作首次表明 LD 加速器可以提供 FLASH 劑量，并證明這些恰當命名的輻射爆發導致正常細胞的存活率高于癌細胞。
放射治療主要有兩種類型：基于光子的和基于離子的。基于光子的療法使用 X 射線或伽馬射線頻率范圍內的聚焦電磁輻射束來殺死腫瘤內的癌細胞。不利的一面是，基于光子的療法還會損害光束路徑中腫瘤前后的健康組織。像質子這樣的加速離子表現不同。它們在路徑開始時將少量能量沉積在遇到的物質中，并在結束時釋放出非常高的能量，就在完全停止之前。這種現象使科學家能夠繪制出精確的光束路徑，向腫瘤提供大輻射劑量，同時對前方組織的損害最小，對后方組織沒有損害。
在質子照射之前，將含有在超薄聚酯薄膜(左)上培養的人體細胞的藥筒放置在藥筒插入器(右)上。(來源：雷神斯威夫特/伯克利實驗室)
由于有多種粒子可以向腫瘤傳遞輻射，因此也有許多不同的方法可以解析出能量。自 1960 年代以來，FLASH 放射治療的快速而艱難的范例一直吸引著放射生物學家，當時基于實驗室的實驗表明，與使用更長、更低能量的治療相比，FLASH 劑量率可以殺死癌細胞，同時保留更大比例的健康組織劑量。然而，該方法尚未得到廣泛認可。
即使使用傳統的加速器，產生精確和一致的 FLASH 放射治療劑量率也是一項挑戰。“如果您在納秒內(十億分之一秒)提供劑量，您如何準確地提供劑量?” 斯尼德斯解釋道。“這就是挑戰，因為出現問題的速度可能比我們糾正它的速度更快。”
隨著技術的進步，過去幾年已經進行了少量的動物試驗，在歐洲進行的單次 FLASH 放射治療人體臨床試驗證明了在消除癌性皮膚病變的同時保留正常皮膚的有效性。但研究人員仍然不了解這些令人印象深刻的觀察背后的生物學機制。因此，可以理解的是，在我們了解更多信息之前，一些腫瘤學家不愿在人類身上嘗試 FLASH 劑量。根據團隊成員和著名放射生物學家埃莉諾·布萊克利的說法她說，這種謹慎來自對該領域“在評估急性和長期影響時需要謹慎謹慎，以及在對人類患者使用新的放射方式之前遵守放射安全要求”的自我意識。醫生和研究人員“非常痛苦，因為他們不想拖延，如果這真的是非常不同的事情，以至于它可以徹底改變整個癌癥治療領域。然而，即使在今天，我們也不完全了解它是如何工作的，因為傳統放射療法每天都在挽救生命。”
目前，在醫療中心進行的離子束和光子束放射療法均由傳統的射頻加速器提供動力，該加速器使用電磁場和強磁鐵加速帶電粒子通過直線或圓形真空室。回旋加速器(由伯克利實驗室的創始人發明)和世界上最大和最強大的現代加速器(歐洲核子研究中心的大型強子對撞機)都是射頻加速器的例子。
伯克利實驗室加速器技術主任卡梅倫·格德斯說：“激光驅動的加速器在比傳統系統小得多的空間內提供加速，并產生短而強的脈沖，這為醫學和其他應用創造了新的機會，此外它們還有望研究基礎物理學。” & 應用物理部，貝拉中心的所在地。
激光驅動的質子加速器通過將高能激光指向薄箔來工作，從而在真空室內產生一個微小的等離子體區域——一種原子被剝奪電子的物質狀態。“在那個等離子體中，強電場在幾微米(百萬分之一米)的距離內加速質子和離子。作為參考，人類頭發的寬度是幾十微米，”作者、加速器技術和應用物理部 BELLA 中心的研究科學家Lieselotte Obst-Huebl說。
相比之下，射頻加速器需要大量的基礎設施和光束傳輸系統來產生足夠快的帶電粒子以進行放射治療。（閱讀有關激光驅動質子加速器如何工作的更多信息）
在治療中心能夠購買緊湊型激光加速器來為質子治療提供動力之前，這項技術還有很長的路要走。“我想說，它仍處于起步階段，但技術正在迅速發展，”貝拉中心實驗副主任、新論文的作者 Kei Nakamura 解釋說。他說， BELLA 中心最初的資金只用于開發電子加速器，而建造質子加速器的工作直到 2015 年才開始。合作項目始于 2018 年，當時 Blakely 偶然與 BELLA 中心的科學家建立了聯系。“我們的目標非常一致，”Nakamura 說。“我們希望有一個應用程序可以在實驗室中工作，而醫療應用程序對社會有很大的影響，所以我們很高興能夠進行這種合作。”
到目前為止，從激光撞擊箔產生質子束的點到與細胞接觸的點(包含在定制的金屬和聚酯薄膜培養室中)的距離只有兩米。但是產生激光的系統非常大——它占據了 BELLA 中心的整個房間。幸運的是，激光系統不必緊挨著治療區域，這是射頻加速器在醫療環境中的限制。
Nakamura 表示，過去二十年的研究證明，LD 離子源有可能比 RF 離子源更緊湊、成本更低。他說，BELLA 的激光器在過去 15 年中不斷縮小，而這項技術每天都在不斷改進。
他們的第一項研究剛剛取得成功，合作已經深入到第二階段。BELLA 團隊目前正在開發新的瞄準技術，將激光聚焦到更高的強度，進而產生更高能量的質子。現有的聚焦系統產生的光束僅足以將 FLASH 放射治療傳送到在非常薄的薄片中培養的細胞。當這種稱為 iP2的升級完成時，更高的離子束能量將足夠強大，可以更深入地穿透活組織。Snijders 和該論文的共同作者、資深科學家毛建華隨后將評估光束在動物模型上的安全性和治療效果，首先是在表面組織上，然后是內部腫瘤。
“我們目前所做的工作對于我們理解 FLASH 放射治療在物理、化學和生物水平上的重要性至關重要，”Blakely 說。“在伯克利實驗室，我們有能力測試所有三個水平，這可以為全球改善治療的努力做出很大貢獻。”
物理學家歐內斯特·勞倫斯于 1929 年發明了回旋加速器，并于 1931 年創立了伯克利實驗室以繼續他的工作。他的兄弟約翰勞倫斯醫生和他一起來到伯克利，研究歐內斯特的回旋加速器產生的放射性粒子的生物學效應和潛在益處。1939 年，約翰領導了世界上第一個放射束癌癥治療的團隊。在隨后的幾十年里，他的實驗室繼續率先使用輻射用于縮小腫瘤和治療非癌性疾病，并開發了基于放射性同位素的醫學成像技術，最終導致了 PET(正電子發射斷層掃描)掃描和其他技術。約翰勞倫斯還領導了關于輻射暴露對健康細胞影響的研究。這項研究幫助美國宇航局了解將宇航員送入太空進行長期任務的風險。最近這篇論文的作者埃莉諾·布萊克利 (Eleanor Blakely) 在 1970 年代加入了勞倫斯的團隊，并參與了這些開創性的研究。
本文涵蓋了由伯克利實驗室的實驗室指導研究與開發計劃和能源部 (DOE) 科學辦公室高能物理計劃資助的工作。iP2 升級由 DOE 的 Fusion Energy Sciences 計劃資助。完成后，iP2 將成為 LaserNet US 的一部分，這是一個先進的激光科學研究設施網絡。
勞倫斯伯克利國家實驗室 ( Lawrence Berkeley National Laboratory ) 及其科學家于 1931 年成立，其信念是最好的團隊解決最大的科學挑戰， 已獲得 14 項諾貝爾獎。今天，伯克利實驗室的研究人員開發可持續能源和環境解決方案，創造有用的新材料，推進計算前沿，探索生命、物質和宇宙的奧秘。來自世界各地的科學家依靠實驗室的設施進行他們自己的發現科學。伯克利實驗室是一個多項目國家實驗室，由加利福尼亞大學為美國能源部科學辦公室管理。
美國能源部科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，并致力于解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰。
