Ein Durchbruch bei Laserplasmabeschleunigern könnte die Dosisabgabe in Tierversuchen verbessern

Es ist mehr als drei Jahrzehnte her, seit die Protonentherapie zum ersten Mal Krebspatienten in einem klinischen Umfeld zur Verfügung stand. Während diese technologisch fortschrittliche Behandlungsoption Leben gerettet hat, "Es stellte sich alles als komplexer heraus als gedacht“, sagt Physiker Florian Kroll.

Ein Grund ist, dass die Strahlentherapie schwerwiegende – und unerwartete – Nebenwirkungen haben kann, die biomedizinische Forscher untersuchen müssen. Ein weiterer Grund ist die Überbrückung von so unterschiedlichen Bereichen wie Teilchenphysik und Onkologieforschung, die ernsthafte interdisziplinäre Muskeln erfordern.

Deshalb ist es eine große Neuigkeit, dass Kroll und mehrere Kollegen eine neue Plattform entwickelt haben, die es Forschern viel einfacher macht, mit einem kurzen Laserpuls einen winzigen, sauberen Partikelstrahl zu erzeugen. laut einem Bericht von PhysikWelt veröffentlicht am Donnerstag.

Eine neuartige LPA-Methode

Die Laser-Plasma-Beschleunigung LPA hat sich im Laufe der Jahre stark weiterentwickelt. Eine Herausforderung blieb jedoch bei dem Prozess, und zwar, dass Laser-Plasma-Beschleuniger-Partikel notorisch schwer zu stabilisieren und zu kontrollieren sind.

Das neue LPA-Verfahren verbessert die Zuverlässigkeit, indem ein Hochleistungslaser verwendet wird, der eng auf ein dünnes 220 nm Kunststoffziel fokussiert wird. „Die Intensität des Lasers ist so enorm, dass er sofort auftrifft, wenn er auf das Ziel trifftionisiert das Zielmaterial und verwandelt es in ein Plasma“, erklärt Kroll, Erstautor der neuen Studie.

Das Verfahren schafft es, Elektronen aus ihren Atomkernen zu lösen und sie vom Laser durch das Plasma zu schieben. Diejenigen, die dem nun positiv geladenen Target nicht entkommen können, bilden eine „Hülle“ auf der Rückseite des Targets. Dadurch entstehtbei der Konstruktion eines quasi-statischen elektrischen Feldes, das an den Zielionen „zieht“, was es den Ionen ermöglicht, in den Megaelektronenvolt-Bereich MeV einzudringen.

Klinische Anwendbarkeit

Die Forscher bestrahlten auch menschliche Tumore an Mäuseohren, obwohl der Hauptfokus der Forschung darauf bestand, die Machbarkeit von Tierversuchen zu demonstrieren und die Grenzen der Dosisabgabe zu testen.

„Wir wollen nicht über die klinische Anwendbarkeit von lasergetriebenen Protonenstrahlen spekulieren“, sagt Kroll. „In den Anfängen der Laserbeschleunigung wurden viele Behauptungen bezüglich revolutionärer, kompakter und billiger lasergetriebener Therapiegeräte aufgestelltgemacht. Am Ende stellte sich alles als komplexer heraus als erwartet. Trotzdem waren und bleiben LPA-Maschinen immer eine interessante ergänzende Beschleunigertechnik zu Zyklotronen, Synchrotronen und mehr.“

Die Studiewurde veröffentlicht im Tagebuch Naturphysik.

Studienzusammenfassung:

Jüngste onkologische Studien haben positive Eigenschaften von Strahlung identifiziert, die bei ultrahohen Dosisraten angewendet wird, die mehrere Größenordnungen über dem klinischen Standard in der Größenordnung von Gy min liegen^–1. Quellen, die diese ultrahohen Dosisraten liefern können, werden derzeit untersucht. Hier zeigen wir, dass eine stabile, kompakte lasergetriebene Protonenquelle mit Energien von mehr als 60 MeV strahlenbiologische In-vivo-Studien ermöglicht. Wir führten eine Pilotbestrahlungsstudie an menschlichen Tumoren durchein Mausmodell, das die abgestimmte Präparation von Mäusen und Laserbeschleuniger, dosiskontrollierte, tumorkonforme Bestrahlung mit einer lasergetriebenen sowie einer klinischen Referenz-Protonenquelle und die strahlenbiologische Bewertung von bestrahlten und unbestrahlten Mäusen auf strahleninduzierten Tumor zeigtWachstumsverzögerung. Die vorgeschriebene homogene Dosis von 4 Gy wurde präzise an der lasergesteuerten Quelle abgegeben. Die Ergebnisse demonstrieren eine komplette lasergesteuerte Protonenforschungsplattform für verschiedene benutzerspezifische Kleintiermodelle, die in der Lage sind, einstellbare Einzelschussdosen bis zu zu liefernetwa 20 Gy bis Volumina im Millimeterbereich auf Zeitskalen von Nanosekunden, was etwa 10 entspricht⁹ Gy s^–1, räumlich homogenisiert und auf die Probe zugeschnitten. Die Plattform bietet eine einzigartige Infrastruktur für die translationale Forschung mit Protonen bei ultrahoher Dosisleistung.