Nedávno provedli vědci z University of Quebec úspěšný experiment v laboratoři Advanced Laser Light Source Laboratory při National Research Council of Canada (INRS), který prokázal slibné využití ultrarychlé laserové technologie pro radiační terapii rakoviny.
„Poprvé jsme prokázali, že za určitých podmínek může laserový paprsek těsně zaostřený na okolní vzduch urychlit elektrony na energetický rozsah MeV (mega-elektronvolt), což je stejná energie jako u některých zářičů používaných při záření rakoviny. terapie." řekl Franois Légaré, profesor INRS a vědecký vedoucí laboratoře Advanced Light Sources Laboratory (ALLS).
Pevným zaostřením několika cyklů femtosekundového (fs) infračerveného (IR) laseru na úrovni milijoulů (mJ) vědci generují relativistické elektronové paprsky v okolním vzduchu a dosahují vysokých dávkových příkonů až 0.15 Gray za sekundu (Gy/s). Při atmosférickém tlaku dosahovala jejich laserová intenzita 1 × 1019 wattů na centimetr čtvereční (W/cm-2). Tým změřil výsledný elektronový paprsek a zjistil, že má maximální energii až 1,4 MeV.
Tým ukázal, jak se kombinují těsné zaostření laseru, dlouhá vlnová délka a trvání pulzu s krátkým cyklem, aby se omezil účinek integrace b na zaostřený laserový paprsek. Vysoká hustota molekul vzduchu v ionizovatelném ohniskovém objemu je dostatečná k vytvoření plazmatu blízkého kritické hustotě, což poskytuje vysokou účinnost konverze z laserů na elektrony. Prostřednictvím trojrozměrných simulací částic v buňce vědci potvrdili, že mechanismus zrychlení je založen na relativismu, má potenciál pohybu hmoty a je teoreticky konzistentní s naměřenými energiemi elektronů a rozptylem.
Schéma experimentálního uspořádání: pulsy ultrakrátkého infračerveného laserového světla jsou těsně zaostřeny na okolní vzduch a produkují vysokou dávku ionizujícího záření.
Vědci se domnívají, že síla tohoto laserem řízeného zdroje elektronů pramení z jeho jednoduchosti. Jediná zaostřená optika v okolním vzduchu může produkovat elektronový paprsek, který doručí roční dávku záření osobě stojící jeden metr za méně než sekundu. Nejsou nutná žádná složitá nastavení nebo vakuové komory, díky čemuž je tato metoda vhodná pro mnoho aplikací ozařování snížením požadavků na výrobu ultrarychlých zdrojů elektronů MeV.
Pokroky v laserové technologii umožnily zrychlení laserového bdělého pole – proces, který urychluje elektrony na vysoké energie ve velmi krátkém časovém období generováním plazmy – pracovat ve středním infračerveném spektru se systémy třídy mJ a vytvářet vysoké toky částic MeV elektronů. které lze využít v radiobiologickém výzkumu. Tyto vysokoenergetické laserem řízené zdroje elektronů však vyžadují složité a objemné instalace ve vakuových komorách, které omezují přístup k paprsku.
Laserem řízené zdroje elektronů MeV by mohly poskytnout nové přístupy k léčbě rakoviny, jako je FLASH radiační terapie, metoda léčby nádorů, které jsou odolné vůči konvenční radiační terapii. Díky FLASH terapii lze vysoké dávky záření dodat v mikrosekundách namísto minut. Tato rychlost dodání pomáhá chránit zdravou tkáň obklopující nádor před účinky záření. Ačkoli účinky FLASH nejsou plně pochopeny, vědci se domnívají, že FLASH může způsobit rychlou deoxygenaci zdravé tkáně, čímž se sníží citlivost tkáně na záření.
Naměřený dávkový příkon záření (logaritmická stupnice) jako funkce vzdálenosti od ohniska pro tři různé energie laserového pulsu.
„Žádná studie dosud nedokázala vysvětlit povahu efektu blesku,“ řekl výzkumník Simon Vallières, „Zdroj elektronů používaný při radiační terapii FLASH má však podobné vlastnosti jako ten, který generujeme intenzivním zaostřováním laseru na okolní vzduch. Jakmile budou zdroje záření lépe kontrolovány, další studie nám umožní prozkoumat příčiny bleskového efektu a nakonec poskytnout lepší radiační terapii pro pacienty s rakovinou."
Vědci se domnívají, že škálovatelnost jejich přístupu se bude zvyšovat s pokračujícím vývojem laserů s vysokým průměrným výkonem ve třídě mJ. Rychlý vývoj laserových zdrojů, zaměřených na zvýšené dostupné pulzní energie a opakovací frekvence, by mohl umožnit rozšíření techniky INRS na vyšší energie elektronů a větší dávkové rychlosti.
Vědci také zdůraznili důležitost bezpečnosti při práci s laserovými paprsky úzce zaměřenými na okolní vzduch. Když byla měření prováděna v blízkosti zdroje záření, tým pozoroval dávky záření od elektronů, které byly třikrát až čtyřikrát vyšší než dávky používané při konvenční radiační terapii.
"Pozorovaná energie elektronů (MeV) jim umožňuje pohybovat se více než 3 metry ve vzduchu nebo několik milimetrů pod kůží," řekl Vallières, "což představuje riziko radiace pro uživatele zdroje laserového světla. Objevování toto radiační nebezpečí je příležitostí k zavedení bezpečnějších postupů v laboratoři."
