Sporing af protonfremkaldt strålekemi i realtid i vand

Protonterapi er en lovende form for strålebehandling, der bruges til at dræbe kræftceller og effektivt standse deres hurtige reproduktion. Selvom denne behandling også kan leveres i forskellige modaliteter (dvs. elektroner og røntgenstråler), protonterapi begrænser skader på sundt væv ved at deponere energi i et stærkt lokaliseret dosisvolumen.

Den grundlæggende forståelse for protonterapi er indeholdt i den stråleinducerede vandkemi, der opstår umiddelbart efter interaktionen. Dette skyldes, at hele 66 procent af den stråling, der afsættes i et tumorvolumen, i første omgang absorberes af vandmolekyler i kræftcellerne. De efterfølgende processer er derfor genstand for betydelig videnskabelig interesse.

"Det er på disse grundlæggende niveauer, at frøene til den efterfølgende strålekemi bliver sået, "forklarede Brendan Dromey, den ledende forsker på dette projekt og en læser i Center for Plasma Physics på Queen's University Belfast. "Og det er derfra, at vi kan begynde at bygge modeller ud fra første principper, der giver os mulighed for at få en fuld forståelse for, hvordan disse tidlige processer i sidste ende påvirker tumorcelledød."

Når energiske protoner kommer i vand, de kan ionisere vandmolekylerne og generere frie elektroner. Som svar, nærliggende vandmolekyler kan flytte sig selv, så deres positive sider orienterer sig mod disse frigjorte elektroner og beskytter deres negative ladning. Til dato, metode til overvågning af de tidligste faser af denne proces, var baseret på "indirekte rensningsteknikker." Det her, imidlertid, kræver brug af kemiske tilsætningsstoffer, der samtidig øger observationens kompleksitet. Den nye tilgang erstatter kemiske scavengers med et eksperimentelt setup med forbedret tidsopløsning.

Dromey og hans kolleger i Sverige, Tyskland og Nordirland beskriver deres arbejde i denne uge i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

"For at bruge en analogi fra fotografering, den eksisterende metode havde en tidsopløsning, der fungerede som et kamera med langsom lukkerhastighed. Hvis processer, såsom disse indledende kemiske ændringer, gik hurtigt fremad, den langsomme lukkerhastighed betød, at man ikke ville fange detaljerne i bevægelsen, og det genererede billede ville blive sløret. Den nye opsætning og metode, som vi skitserer i vores artikel, fungerer som et kamera med en hurtig lukkerhastighed. Det giver os mulighed for at fange hurtig kemisk udvikling i detaljer, "Sagde Dromey.

"Da vores metode ikke anvender opfangningskemikalier, vi kan arbejde med vandmolekyler i en uberørt, kontrolleret miljø. I øvrigt, vores teknik har en grundlæggende tidsopløsning, der er mindre end et picosekund eller en billioner af et sekund. Selv når vi tager højde for diagnostik, tidsopløsningen er mindre end fem picosekunder. Vi kan nu spore den strålekemi, der følger den første ionisering af vandmolekyler, når de udspiller sig i realtid, "Dromey sagde, hvis forskning også finansieres af Engineering and Physical Sciences Research Council i U.K.

"To store innovationer tegner sig for denne forbedring. For det første vi bruger udbrud af protoner fremskyndet af TARANIS laseranlægget med høj effekt på Queen's University Belfast. Sub-picosekund-accelerationen af ​​en oprindeligt kold protonpopulation gør det muligt at generere en ultrahurtig puls med lav iboende termisk spredning. Sekund, vi bruger den samme laser til at generere både protonernes puls og sonden, der giver os mulighed for at spore strålekemiens fremskridt. Dette eliminerer den elektriske jitter, som man finder i mere traditionelle, radiofrekvenshulrumsbaserede systemer, "Sagde Dromey." Når det er sagt, det er vigtigt at bemærke, at der med hensyn til energistabilitet og strålekvalitet stadig er en betydelig udvikling påkrævet for laserbaserede acceleratorer, der matcher disse maskiners ydeevne. "

Lovisa Senje, en doktorand fra Institut for Fysik ved Lunds Universitet og hovedforfatter på papiret, tilføjet, "De ultrakorte protonpulser, der produceres i vores eksperimentelle opsætning, i kombination med det høje antal protoner pr. puls, føre til en unik mulighed for at studere, hvordan vand reagerer på ekstrem bestråling af protoner. Vi kan faktisk se, at under disse betingelser ændres processerne efter energiaflejring af protoner i vand. "

"En af de mest interessante ting, vi har opdaget med fordel for bedre tidsopløsning, er, at der ser ud til at være en forsinkelse i dannelsen af ​​absorberingsbåndet af solverede elektroner efter udsættelse for protoner, "Dromey sagde." Dette var overraskende, fordi tidligere forskning tyder på, at du ikke typisk ser denne forsinkelse, når du udsætter vandmolekyler for røntgenstråler eller elektroner. Vores fremtidige arbejde vil fokusere på systematisk at undersøge denne forsinkelse yderligere. "