Pred kratkim so raziskovalci z Univerze v Quebecu izvedli uspešen eksperiment v Laboratoriju za napredne vire laserske svetlobe pri Nacionalnem raziskovalnem svetu Kanade (INRS), ki je pokazal obetavno uporabo ultrahitre laserske tehnologije za radioterapijo raka.
"Prvič smo dokazali, da lahko pod določenimi pogoji laserski žarek, ki je tesno osredotočen na zunanji zrak, pospeši elektrone do MeV (megaelektron volt) energijskega območja, kar je enaka energiji kot nekateri radiatorji, ki se uporabljajo pri sevanju raka." terapija." je dejal Franois Légaré, profesor INRS in znanstveni vodja Laboratorija za napredne vire svetlobe (ALLS).
S tesnim fokusiranjem več ciklov infrardečega (IR) laserja na ravni miljoulov (mJ), femtosekund (fs), raziskovalci ustvarjajo relativistične elektronske žarke v zunanjem zraku in dosegajo visoke hitrosti doziranja do 0.15 Gray na sekundo (Gy/s). Pri atmosferskem tlaku je njihova laserska intenzivnost dosegla 1 × 1019 vatov na kvadratni centimeter (W/cm-2). Ekipa je izmerila nastali elektronski žarek in ugotovila, da ima največjo energijo do 1,4 MeV.
Ekipa je pokazala, kako tesno ostrenje laserja, dolga valovna dolžina in kratkotrajno trajanje impulza združujejo omejitev učinka b-integracije na fokusirani laserski žarek. Visoka gostota zračnih molekul v ionizirajočem žariščnem volumnu zadostuje za tvorbo plazme blizu kritične gostote, kar zagotavlja visoko učinkovitost pretvorbe iz laserjev v elektrone. S tridimenzionalnimi simulacijami delcev v celici so raziskovalci potrdili, da mehanizem pospeševanja temelji na relativizmu, ima potencial gibanja mase in je teoretično skladen z izmerjenimi energijami in razpršenostjo elektronov.
Shema eksperimentalne postavitve: impulzi ultrakratke infrardeče laserske svetlobe so tesno osredotočeni na okoliški zrak in proizvajajo visoko dozo ionizirajočega sevanja.
Raziskovalci verjamejo, da moč tega lasersko vodenega vira elektronov izhaja iz njegove preprostosti. Ena sama fokusirana optika v okoliškem zraku lahko proizvede elektronski žarek, ki osebi, ki stoji en meter stran, v manj kot sekundi zagotovi letno dozo sevanja. Niso potrebne nobene zapletene nastavitve ali vakuumske komore, zaradi česar je ta metoda primerna za številne aplikacije obsevanja z zmanjšanjem zahtev za proizvodnjo ultrahitrih virov elektronov MeV.
Napredek v laserski tehnologiji je omogočil pospeševanje laserskega prebujenega polja – proces, ki pospeši elektrone do visokih energij v zelo kratkem času z ustvarjanjem plazme – za delovanje v srednjem infrardečem sevanju s sistemi razreda mJ za ustvarjanje visokih tokov delcev MeV elektronov ki se lahko uporabljajo v radiobioloških raziskavah. Vendar pa ti visokoenergijski laserski viri elektronov zahtevajo zapletene in obsežne instalacije v vakuumskih komorah, ki omejujejo dostop do žarka.
Lasersko vodeni viri elektronov MeV bi lahko zagotovili nove pristope k zdravljenju raka, kot je radioterapija FLASH, metoda zdravljenja tumorjev, ki so odporni na običajno radioterapijo. S terapijo FLASH se lahko visoki odmerki sevanja prenesejo v mikrosekundah namesto v minutah. Ta hitrost dostave pomaga zaščititi zdravo tkivo, ki obkroža tumor, pred učinki sevanja. Čeprav učinki FLASH niso popolnoma razumljeni, znanstveniki verjamejo, da lahko FLASH povzroči hitro deoksigenacijo zdravega tkiva, kar zmanjša občutljivost tkiva na sevanje.
Izmerjena hitrost doze sevanja (logaritemska lestvica) kot funkcija razdalje od žariščne točke za tri različne energije laserskega impulza.
"Nobena študija še ni uspela razložiti narave učinka bliska," je dejal raziskovalec Simon Vallières, "vendar ima vir elektronov, ki se uporablja pri radioterapiji FLASH, podobne značilnosti kot tisti, ki ga ustvarimo z intenzivnim fokusiranjem laserja na zunanji zrak. Ko bodo viri sevanja bolje nadzorovani, nam bodo nadaljnje študije omogočile, da raziščemo vzroke za učinek bliskavice in na koncu zagotovimo boljšo radioterapijo za bolnike z rakom."
Raziskovalci verjamejo, da se bo razširljivost njihovega pristopa povečala z nadaljnjim razvojem laserjev z visoko povprečno močjo v razredu mJ. Hiter razvoj laserskih virov, usmerjenih v povečane razpoložljive energije impulzov in stopnje ponavljanja, bi lahko omogočil razširitev tehnike INRS na višje energije elektronov in večje hitrosti odmerjanja.
Raziskovalci so poudarili tudi pomen varnosti pri delu z laserskimi žarki, ki so tesno osredotočeni na okoliški zrak. Ko so bile meritve opravljene v bližini vira sevanja, je ekipa opazila stopnje doze sevanja elektronov, ki so bile tri do štirikrat višje od tistih, ki se uporabljajo pri običajni radioterapiji.
"Opazovana energija elektronov (MeV) jim omogoča, da se premikajo več kot 3 metre v zraku ali nekaj milimetrov pod kožo," je dejal Vallières, "kar predstavlja tveganje izpostavljenosti sevanju za uporabnike laserskega vira svetlobe. Odkrivanje ta nevarnost sevanja je priložnost za izvajanje varnejših praks v laboratoriju."
