Nedavno su istraživači sa Sveučilišta Quebec proveli uspješan eksperiment u Advanced Laser Light Source Laboratory pri Nacionalnom istraživačkom vijeću Kanade (INRS), pokazujući obećavajuću upotrebu ultrabrze laserske tehnologije za terapiju zračenjem raka.
"Prvi smo put pokazali da pod određenim uvjetima laserska zraka usko usmjerena na okolni zrak može ubrzati elektrone do energetskog raspona MeV (mega-elektron volt), što je ista energija kao neki od radijatora koji se koriste u zračenju raka. terapija." rekao je Franois Légaré, profesor INRS-a i znanstveni voditelj Laboratorija za napredne izvore svjetlosti (ALLS).
Čvrstim fokusiranjem nekoliko ciklusa infracrvenog (IR) lasera na razini milijula (mJ), femtosekunde (fs), istraživači generiraju relativističke zrake elektrona u okolnom zraku i postižu visoke brzine doze do 0.15 Gray u sekundi (Gy/s). Pri atmosferskom tlaku njihov je intenzitet lasera dosegao 1 × 1019 vata po kvadratnom centimetru (W/cm-2). Tim je izmjerio dobiveni elektronski snop i otkrio da ima maksimalnu energiju do 1,4 MeV.
Tim je pokazao kako laserski uski fokus, duga valna duljina i kratkotrajno trajanje impulsa kombiniraju ograničavanje učinka b-integracije na fokusiranu lasersku zraku. Visoka gustoća molekula zraka u ionizirajućem žarišnom volumenu dovoljna je za formiranje plazme blizu kritične gustoće, što osigurava visoku učinkovitost pretvorbe iz lasera u elektrone. Kroz trodimenzionalne simulacije čestica u stanici, istraživači su potvrdili da je mehanizam ubrzanja relativistički utemeljen, ima potencijal kretanja mase i teoretski je u skladu s izmjerenim energijama elektrona i raspršenjem.
Shema eksperimentalne postavke: impulsi ultrakratkog infracrvenog laserskog svjetla čvrsto su fokusirani na okolni zrak, proizvodeći visoku dozu ionizirajućeg zračenja.
Istraživači vjeruju da snaga ovog laserski pokretanog izvora elektrona proizlazi iz njegove jednostavnosti. Jedna fokusirana optika u okolnom zraku može proizvesti snop elektrona koji isporučuje godišnju dozu zračenja osobi koja stoji na udaljenosti od jednog metra za manje od sekunde. Nisu potrebne komplicirane postavke ili vakuumske komore, što ovu metodu čini prikladnom za mnoge primjene zračenja smanjujući zahtjeve za proizvodnju ultrabrzih MeV izvora elektrona.
Napredak u laserskoj tehnologiji omogućio je ubrzanje laserskog probudnog polja - proces koji ubrzava elektrone do visokih energija u vrlo kratkom vremenskom razdoblju generiranjem plazme - da radi u srednjem infracrvenom zračenju sa sustavima klase mJ za proizvodnju visokih tokova čestica MeV elektrona koji se mogu koristiti u radiobiološkim istraživanjima. Međutim, ti visokoenergetski laserski pokretani izvori elektrona zahtijevaju složene i glomazne instalacije u vakuumskim komorama, koje ograničavaju pristup snopu.
Laserski pokretani MeV izvori 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 učinaka zračenja. Iako učinci FLASH-a nisu u potpunosti razjašnjeni, znanstvenici 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 pulsa.
"Nijedna studija još nije uspjela objasniti prirodu efekta bljeska", rekao je istraživač Simon Vallières, "Međutim, izvor elektrona koji se koristi u FLASH terapiji zračenjem ima slične karakteristike kao onaj koji stvaramo intenzivnim fokusiranjem lasera na okolni zrak. Jednom kada izvori zračenja budu bolje kontrolirani, daljnje studije omogućit će nam da istražimo uzroke efekta bljeskalice i u konačnici osiguramo bolju terapiju zračenjem za pacijente s rakom."
Istraživači vjeruju da će se skalabilnost njihovog pristupa povećati kontinuiranim razvojem lasera visoke prosječne snage u mJ klasi. Brzi razvoj laserskih izvora, ciljajući povećane dostupne energije pulsa i stope ponavljanja, mogao bi omogućiti proširenje INRS tehnike na više energije elektrona i veće brzine doze.
Istraživači su također naglasili važnost sigurnosti pri radu s laserskim zrakama usko usmjerenim na okolni zrak. Kada su mjerenja obavljena u blizini izvora zračenja, tim je primijetio stope doze zračenja od elektrona koje su bile tri do četiri puta veće od onih koje se koriste u konvencionalnoj terapiji zračenjem.
"Promatrana energija elektrona (MeV) omogućuje im da se kreću više od 3 metra u zraku ili nekoliko milimetara ispod kože", rekao je Vallières, "što predstavlja rizik od izlaganja zračenju korisnicima laserskog izvora svjetlosti. Otkrivanje ova opasnost od zračenja prilika je za primjenu sigurnije prakse u laboratoriju."
