Niedawno naukowcy z Uniwersytetu w Quebecu przeprowadzili udany eksperyment w Laboratorium Zaawansowanych Laserowych Źródeł Światła przy Kanadyjskiej Krajowej Radzie ds. Badań Naukowych (INRS), wykazując obiecujące zastosowanie ultraszybkiej technologii laserowej w radioterapii nowotworów.
„Po raz pierwszy wykazaliśmy, że w pewnych warunkach wiązka lasera ściśle skupiona na otaczającym powietrzu może przyspieszać elektrony do zakresu energii MeV (megaelektronowolt), czyli tej samej energii, co niektóre promienniki stosowane w radioterapii nowotworów terapia." powiedział Franois Légaré, profesor INRS i kierownik naukowy Laboratorium Zaawansowanych Źródeł Światła (ALLS).
Poprzez ścisłe skupienie kilku cykli lasera femtosekundowego (fs) na poziomie milidżula (mJ) i lasera podczerwonego (IR), badacze generują relatywistyczne wiązki elektronów w otaczającym powietrzu i osiągają wysokie dawki dochodzące do 0.15 Gray na sekundę (Gy/s). Pod ciśnieniem atmosferycznym intensywność ich lasera osiągnęła 1 × 1019 watów na centymetr kwadratowy (W/cm-2). Zespół zmierzył powstałą wiązkę elektronów i odkrył, że ma ona maksymalną energię do 1,4 MeV.
Zespół pokazał, jak ścisłe skupienie lasera, duża długość fali i krótki czas trwania impulsu wspólnie ograniczają wpływ integracji b na skupioną wiązkę lasera. Wysoka gęstość cząsteczek powietrza w jonizowalnej objętości ogniskowej jest wystarczająca do wytworzenia plazmy bliskiej gęstości krytycznej, co zapewnia wysoką wydajność konwersji laserów na elektrony. Poprzez trójwymiarowe symulacje cząstki w komórce badacze potwierdzili, że mechanizm przyspieszania jest oparty na relatywizmie, ma potencjał ruchu masowego i teoretycznie jest spójny ze zmierzonymi energiami i rozproszeniem elektronów.
Schemat układu eksperymentalnego: impulsy ultrakrótkiego światła lasera podczerwonego są ściśle skupiane na otaczającym powietrzu, wytwarzając dużą dawkę promieniowania jonizującego.
Naukowcy uważają, że siła tego napędzanego laserem źródła elektronów wynika z jego prostoty. Pojedyncza skupiona optyka w otaczającym powietrzu może wytworzyć wiązkę elektronów, która w mniej niż sekundę dostarcza dawkę promieniowania odpowiadającą rocznej dawce osobie stojącej metr dalej. Nie są wymagane żadne skomplikowane konfiguracje ani komory próżniowe, dzięki czemu metoda ta nadaje się do wielu zastosowań napromieniania, zmniejszając wymagania dotyczące wytwarzania ultraszybkich źródeł elektronów MeV.
Postępy w technologii laserowej umożliwiły przyspieszanie pola czuwania lasera – proces, który przyspiesza elektrony do wysokich energii w bardzo krótkim czasie poprzez wytwarzanie plazmy – do pracy w średniej podczerwieni z systemami klasy mJ w celu wytwarzania wysokich strumieni cząstek elektronów MeV które można wykorzystać w badaniach radiobiologicznych. Jednakże te wysokoenergetyczne źródła elektronów napędzane laserem wymagają skomplikowanych i nieporęcznych instalacji w komorach próżniowych, które ograniczają dostęp do wiązki.
Napędzane laserem źródła elektronów MeV mogą zapewnić nowe podejście do leczenia raka, takie jak radioterapia FLASH – metoda leczenia nowotworów opornych na konwencjonalną radioterapię. Dzięki terapii FLASH duże dawki promieniowania można dostarczyć w ciągu mikrosekund zamiast minut. Taka szybkość podawania pomaga chronić zdrową tkankę otaczającą guz przed działaniem promieniowania. Chociaż działanie FLASH nie jest w pełni poznane, naukowcy uważają, że FLASH może powodować szybkie odtlenienie zdrowej tkanki, zmniejszając jej wrażliwość na promieniowanie.
Zmierzona moc dawki promieniowania (skala logarytmiczna) w funkcji odległości od ogniska dla trzech różnych energii impulsu laserowego.
„Żadne badanie nie było jeszcze w stanie wyjaśnić natury efektu błysku” – powiedział badacz Simon Vallières. „Jednak źródło elektronów stosowane w radioterapii FLASH ma podobną charakterystykę do tego, które wytwarzamy poprzez intensywne skupianie lasera na otaczającym powietrzu. Gdy źródła promieniowania zostaną lepiej kontrolowane, dalsze badania pozwolą nam zbadać przyczyny efektu błysku i ostatecznie zapewnić lepszą radioterapię pacjentom chorym na raka”.
Naukowcy uważają, że skalowalność ich podejścia będzie rosła wraz z dalszym rozwojem laserów o dużej średniej mocy w klasie mJ. Szybki rozwój źródeł laserowych, ukierunkowanych na zwiększone dostępne energie impulsów i częstotliwość powtarzania, mógłby umożliwić rozszerzenie techniki INRS na wyższe energie elektronów i większe dawki.
Naukowcy podkreślili także znaczenie bezpieczeństwa w przypadku wiązek laserowych ściśle skupionych na otaczającym powietrzu. Podczas wykonywania pomiarów w pobliżu źródła promieniowania zespół zaobserwował, że dawki promieniowania emitowane przez elektrony były trzy do czterech razy wyższe niż dawki stosowane w konwencjonalnej radioterapii.
„Obserwowana energia elektronów (MeV) pozwala im przemieszczać się na odległość ponad 3 metrów w powietrzu lub kilka milimetrów pod skórą”, stwierdziła Vallières, „co stwarza ryzyko narażenia użytkowników laserowego źródła światła na promieniowanie. to zagrożenie radiacyjne jest okazją do wdrożenia bezpieczniejszych praktyk w laboratorium.”
