Szybkie napromieniowanie protonowe jest skuteczniejszą i mniej inwazyjną metodą leczenia raka niż promieniowanie rentgenowskie. Jednak nowoczesna terapia protonowa wymaga pedałów gazu o dużych cząsteczkach, co skłoniło ekspertów do zbadania alternatywnych koncepcji pedału gazu, takich jak systemy laserowe przyspieszające protony. Takie systemy są wdrażane w badaniach przedklinicznych, aby utorować drogę optymalnej radioterapii. Grupa badawcza kierowana przez Helmholtz-Zentrum dresden – rosssendorf (HZDR) po raz pierwszy z sukcesem przetestowała laserowe napromieniowanie protonowe na zwierzętach, a raport grupy opublikowano w czasopiśmie Nature Physics.
Radioterapia jest jedną z głównych metod leczenia nowotworów. Zwykle wykorzystuje intensywne, skupione promienie rentgenowskie. Inną opcją są protony – jądra atomów wodoru – przyspieszane do wysokich energii i skupiane w małych, precyzyjnie ukierunkowanych wiązkach. Mogą wnikać głęboko w tkankę nowotworową, gdzie magazynują większość swojej energii, niszcząc nowotwór, pozostawiając otaczającą tkankę w dużej mierze nienaruszoną. To sprawia, że metoda ta jest skuteczniejsza i mniej inwazyjna niż terapia rentgenowska, wyjaśnia dr Elke Beyreuther, badaczka w HZDR: „Ta metoda jest szczególnie odpowiednia do napromieniania guzów u podstawy czaszki, w mózgu i ośrodkowym układzie nerwowym. Stosowany jest także u dzieci i młodzieży chorych na nowotwory w celu zminimalizowania możliwych skutków długoterminowych.”
Metoda ta jest jednak znacznie bardziej złożona niż terapia promieniami rentgenowskimi, ponieważ wymaga zaawansowanego sprzętu z pedałem gazu w celu wygenerowania szybkich protonów i przesłania ich pacjentowi. Dlatego w Niemczech istnieje tylko kilka ośrodków terapii protonowej. Obecnie eksperci stale udoskonalają tę metodę, aby była odpowiednia dla pacjentów. Laserowe pedały gazu protonowego mogą wnieść decydujący wkład w tym zakresie.
Indywidualna scyntylacja laserowa
Dr Florian Kroll, fizyk z HZDR, wyjaśnia: „Metoda ta opiera się na generowaniu silnych i bardzo krótkich impulsów świetlnych za pomocą lasera o dużej mocy, który jest wystrzeliwany na cienką warstwę folii plastikowej lub metalowej”. Intensywność tych błysków wybija elektrony z folii, tworząc potężne pole elektryczne, które może przesyłać protony w impulsy i przyspieszać je do wysokich energii. Co ciekawe, skala procesu jest bardzo mała: droga przyspieszenia ma długość zaledwie kilku mikrometrów.
„Pracujemy nad tym projektem od 15 lat, ale jak dotąd protony nie uzyskały wystarczającej energii, aby napromieniować”. Beyreuther mówi: „Ponadto intensywność pulsu jest zbyt zróżnicowana, dlatego nie możemy być pewni, że podajemy właściwą dawkę”. W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy w końcu poczynili kluczowe postępy, zwłaszcza dzięki lepszemu zrozumieniu interakcji pomiędzy błyskiem lasera a folią. „Co najważniejsze, szczególnie ważny jest precyzyjny kształt błysków lasera, a teraz możemy je dostroić, aby wytwarzały impulsy protonowe o wystarczającej energii i wystarczającej stabilności”. Naukowcy wyjaśnili.
Gotowość pedału gazu i stabilność dostarczania wiązki.
Nowe potrzeby badawcze
Parametry zostały zoptymalizowane, co umożliwiło zespołowi HZDR rozpoczęcie serii kluczowych eksperymentów: pierwszego kontrolowanego napromieniowania nowotworów myszy przy użyciu protonów przyspieszanych laserem. Eksperymenty te przeprowadzono we współpracy z ekspertami ze Szpitala Uniwersyteckiego w Dreźnie w Oncoray – Krajowym Centrum Badań nad Promieniowaniem w Onkologii – i porównano je z eksperymentami porównawczymi przeprowadzanymi w konwencjonalnych placówkach terapii protonowej. „Odkryliśmy, że napędzane laserem źródło protonów może generować biologicznie cenne dane, co położyło podwaliny pod dalsze badania i pozwoliło nam przetestować i zoptymalizować nasze podejście”.
Inną cechą przyspieszanych laserowo impulsów protonowych jest ich ogromna intensywność. Podczas gdy w konwencjonalnej terapii protonowej dawka promieniowania jest dostarczana w ciągu kilku minut, proces oparty na laserze można zakończyć w ciągu jednej milionowej sekundy” – wyjaśnia Elke Beyreuther: „Istnieją przesłanki wskazujące, że tak szybkie podanie dawki pomaga chronić otaczającą zdrową tkankę jeszcze lepiej niż wcześniej. Chcemy zastosować się do tych wskazań za pomocą naszego eksperymentalnego urządzenia i przeprowadzić badania przedkliniczne, aby sprawdzić, kiedy i w jaki sposób można zastosować tę metodę szybkiego napromieniowania, aby uzyskać korzyści w leczeniu raka”.
