Nedavno su istraživači sa Univerziteta u Kvebeku izveli uspješan eksperiment u Laboratoriji za napredne izvore laserske svjetlosti pri Nacionalnom istraživačkom vijeću Kanade (INRS), demonstrirajući obećavajuću upotrebu ultrabrze laserske tehnologije za terapiju zračenjem raka.
„Prvi put smo pokazali da pod određenim uslovima laserski snop čvrsto fokusiran na ambijentalni vazduh može ubrzati elektrone do energetskog opsega MeV (mega-elektron volt), što je ista energija kao i neki od radijatora koji se koriste u zračenju raka. terapija." rekao je Franois Légaré, profesor INRS-a i naučni vođa Laboratorije za napredne izvore svjetlosti (ALLS).
Čvrstim fokusiranjem nekoliko ciklusa infracrvenog (IR) lasera na nivou milidžula (mJ), femtosekunde (fs), istraživači stvaraju relativističke elektronske zrake u ambijentalnom zraku i postižu visoke doze do 0.15 Grey u sekundi (Gy/s). Pri atmosferskom pritisku njihov laserski intenzitet dostigao je 1 × 1019 vati po kvadratnom centimetru (W/cm-2). Tim je izmjerio rezultirajući snop elektrona i otkrio da ima maksimalnu energiju do 1,4 MeV.
Tim je pokazao kako se čvrsti fokus lasera, duga talasna dužina i kratkotrajno trajanje impulsa kombinuju kako bi se ograničio efekat b-integracije na fokusirani laserski snop. Velika gustina molekula vazduha u jonizujućem fokalnom volumenu dovoljna je da formira plazmu blizu kritične gustine, što obezbeđuje visoku efikasnost konverzije iz lasera u elektrone. Kroz trodimenzionalne simulacije čestica u ćeliji, istraživači su potvrdili da je mehanizam ubrzanja relativistički zasnovan, da ima potencijal kretanja mase i da je teoretski konzistentan s izmjerenim energijama elektrona i rasipanjem.
Šema eksperimentalne postavke: impulsi ultrakratkog infracrvenog laserskog svjetla su čvrsto fokusirani na okolni zrak, proizvodeći visoku dozu jonizujućeg zračenja.
Istraživači vjeruju da snaga ovog laserskog izvora elektrona proizlazi iz njegove jednostavnosti. Jedna fokusirana optika u okolnom zraku može proizvesti snop elektrona koji isporučuje dozu zračenja u vrijednosti od godinu dana osobi koja stoji jedan metar dalje za manje od sekunde. Nisu potrebne komplicirane postavke ili vakuumske komore, što ovu metodu čini pogodnom za mnoge primjene zračenja smanjujući zahtjeve za proizvodnju ultrabrzih MeV izvora elektrona.
Napredak u laserskoj tehnologiji omogućio je ubrzanje laserskog budnog polja - proces koji ubrzava elektrone do visokih energija u vrlo kratkom vremenskom periodu generiranjem plazme - da rade u srednjem infracrvenom spektru sa sistemima klase mJ kako bi proizveli visoke tokove čestica MeV elektrona koji se mogu koristiti u radiobiološkim istraživanjima. Međutim, ovi laserski pokretani izvori elektrona visoke energije zahtijevaju složene i glomazne instalacije u vakuumskim komorama, koje ograničavaju pristup zraku.
Laserski vođeni izvori MeV elektrona mogli bi pružiti nove pristupe liječenju raka, kao što je FLASH terapija zračenjem, metoda liječenja tumora koji su otporni na konvencionalnu terapiju zračenjem. Uz FLASH terapiju, visoke doze zračenja mogu se isporučiti u mikrosekundama umjesto u minutama. Ova brzina isporuke pomaže u zaštiti zdravog tkiva koje okružuje tumor od efekata zračenja. Iako efekti FLASH-a nisu u potpunosti shvaćeni, naučnici vjeruju da FLASH može uzrokovati brzu deoksigenaciju zdravog tkiva, smanjujući osjetljivost tkiva na zračenje.
Izmjerena brzina doze zračenja (logaritamska skala) kao funkcija udaljenosti od žarišne točke za tri različite energije laserskog impulsa.
„Nijedna studija još nije bila u stanju da objasni prirodu efekta bljeska“, rekao je istraživač Simon Vallières, „Međutim, izvor elektrona koji se koristi u terapiji FLASH zračenjem ima slične karakteristike kao onaj koji generišemo intenzivnim fokusiranjem lasera na ambijentalni vazduh. Kada izvori zračenja budu bolje kontrolirani, daljnje studije će nam omogućiti da istražimo uzroke efekta bljeska i na kraju pružimo bolju terapiju zračenjem za pacijente s rakom."
Istraživači vjeruju da će se skalabilnost njihovog pristupa povećati kontinuiranim razvojem lasera visoke prosječne snage u klasi mJ. Brzi razvoj laserskih izvora, koji ciljaju na povećane dostupne energije impulsa i stope ponavljanja, mogao bi omogućiti da se INRS tehnika proširi na veće energije elektrona i veće doze.
Istraživači su također naglasili važnost sigurnosti pri radu sa laserskim zrakama koje su čvrsto fokusirane na okolni zrak. Kada su mjerenja obavljena u blizini izvora zračenja, tim je uočio brzine doze zračenja od elektrona koje su bile tri do četiri puta veće od onih koje se koriste u konvencionalnoj terapiji zračenjem.
"Uočena energija elektrona (MeV) omogućava im da se kreću više od 3 metra u zraku ili nekoliko milimetara ispod kože", rekao je Vallières, "što predstavlja rizik od izlaganja zračenju za korisnike laserskog izvora svjetlosti. Otkrivanje ova opasnost od zračenja je prilika za implementaciju sigurnije prakse u laboratoriju."
