Langsomme elektroner til bekæmpelse af kræft

Ionstråler bruges ofte i dag i kræftbehandling:dette indebærer, at elektrisk ladede atomer bliver affyret mod tumoren for at ødelægge kræftceller. Selvom, det er faktisk ikke selve ionerne, der forårsager den afgørende skade. Når ioner trænger igennem fast materiale, de kan dele en del af deres energi med mange individuelle elektroner, som derefter fortsætter med at bevæge sig med relativt lav hastighed - og det er netop disse elektroner, der derefter ødelægger kræftcellernes DNA.

Denne mekanisme er kompleks og endnu ikke fuldt ud forstået. Forskere ved TU Wien har nu kunnet påvise, at en tidligere lidt observeret effekt faktisk spiller en afgørende rolle i denne sammenhæng:på grund af en proces kaldet interatomisk Coulombisk henfald, en ion kan videregive yderligere energi til omgivende atomer. Dette frigør et stort antal elektroner, med præcis den rigtige mængde energi til at forårsage optimal skade på kræftcellernes DNA. For at forstå og yderligere forbedre ionterapiens særlige effektivitet, denne mekanisme skal absolut tages i betragtning. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i specialpublikationen Journal of Physical Chemistry Letters .

En hurtig partikel - eller masser af langsomme

Når en ladet partikel trænger ind i et materiale med stor hastighed - f.eks. Menneskeligt væv - efterlader det et kæmpe atområde i sit kølvandet:"Dette kan udløse en hel kaskade af effekter, "siger Janine Schwestka, hovedforfatter til den seneste publikation, som i øjeblikket arbejder på sin afhandling i teamet ledet af Prof. Friedrich Aumayr og Dr. Richard Wilhelm. Når ionen bevæger sig gennem andre atomer, disse og andre partikler kan blive ioniserede, hurtige elektroner flyver rundt og kolliderer derefter med andre partikler. Ultimativt, en hurtig, ladet ion kan udløse en partikelbruser på hundredvis af elektroner hver med meget lavere energi.

I hverdagen, vi er vant til hurtige objekter, der har mere dramatiske effekter end langsommere - en fodbold sparket med fuld kraft forårsager meget mere skade i en porcelæn butik end en, der forsigtigt rulles ind. På atomniveau, imidlertid, dette gælder ikke:"Sandsynligheden for, at en langsom elektron ødelægger en DNA -streng, er meget større. Omvendt en ekstremt hurtig elektron flyver normalt lige forbi DNA -molekylet uden at efterlade et spor, ”forklarer Janine Schwestka.

Fra en elektronskal til en anden

Teamet fra TU Wien kiggede for nylig nærmere på en ekstremt speciel effekt - nemlig, interatomisk coulombisk forfald. "Ionens elektroner kan antage forskellige tilstande. Afhængigt af hvor meget energi de har, de kan være placeret i en af ​​de indre skaller, tæt på kernen, eller i en ydre skal, "siger Janine Schwestka. Ikke alle mulige elektronrum er optaget. Hvis en elektronskal i mellemenergiområdet er fri, en elektron kan derefter krydse dertil fra en skal med højere energi. Dette frigiver energi, som derefter kan overføres til materialet via interatomisk coulombisk henfald:"Ionen overfører denne energi til flere atomer i den umiddelbare nærhed på samme tid. Én elektron er adskilt fra hvert af disse atomer, men fordi energien er delt mellem flere atomer vi taler om masser af virkelig langsomme elektroner, "forklarer Schwestka.

Xenon og grafen

Ved hjælp af et genialt eksperimentelt setup, det har nu været muligt at bevise effektiviteten af ​​denne proces. Multipladede xenonioner skydes mod et grafenlag. Elektroner fra de ydre xenonskaller skifter til en position i en anden skal med mindre energi, får elektroner til at blive løsrevet fra talrige carbonatomer i grafenlaget, som derefter registreres af en detektor, for at måle deres energi. "Faktisk, på denne måde, vi var i stand til at vise, at interatomisk coulombisk henfald spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​et stort antal frie elektroner i materialet, "siger professor Friedrich Aumayr.

For korrekt at beskrive interaktionen mellem ionstråler og faste materialer eller organiske væv, denne effekt skal absolut tages i betragtning. Dette er vigtigt, på den ene side, til optimering af ionstrålebehandlinger til behandling af kræft, men også for andre vigtige områder, såsom beskyttelse af helbredet for rumstationsbesætninger, hvor du udsættes for konstant partikelbombardement fra kosmisk stråling.