利用激光等离子体加速器, 治疗体内深处肿瘤

时间:2022-09-22 12:26来源:http://www.dmzmv.com/ 作者:亚投彩票 点击:

导读:

电离辐射在医学中有多种用途,包括医学成像、诊断、癌症治疗等。借助辐射对生物体的杀伤作用,可开发一系列治疗手段。但是辐射不仅可以杀死或减缓癌细胞的生长,也会对附近的健康细胞造成损伤。如何更好地区分健康细胞和肿瘤细胞?怎样提高电离辐射对癌症的治疗效率?激光等离子体在电离辐射中起到何种作用?本期为《Lasers: promising applications for research and beyond》系列一,作者Isabelle Dumé带我们了解电离辐射在医疗领域的应用,以及激光在该领域的应用。

一览:

激光等离子体加速器利用高能、超短的激光脉冲,在短距离内发射高能微粒子。

电离辐射在医学中有多种用途,包括医学成像、诊断、癌症治疗等。

放疗利用的是电离辐射对生命体的杀伤力。健康细胞的辐射耐受性比癌细胞略高,科学家正是基于此开发出放疗方案,以恰到好处的辐射剂量杀死肿瘤细胞。

当前有学者在研究超高能电子束的使用,理论上能用其治疗体内深处的肿瘤,实现更彻底的疗效。

激光等离子体加速器利用高能、超短的激光脉冲,在短距离内发射高能微粒子。此类加速器可以产生高质量的粒子束(包括电子束、质子束、X射线光子束),用于放射生物学研究,以探寻辐射损伤DNA的机理,改良基于电离辐射的癌症疗法。

最新的研究显示,放疗的生理效果不仅取决于辐射总剂量,还取决于照射的时间间隔和次数。巴黎综合理工学院联盟应用光学实验室的学者们正在研究超高辐射剂量的治疗效果,以开发能更好地区分健康细胞和肿瘤细胞的新型放疗方案。

应用光学实验室所使用的激光仪器产生的脉冲超短,时间数量级在10-15s(飞秒)到10-12s(皮秒)之间,但脉冲的能量超大,击中靶向目标时可瞬间将其电离,转化为等离子态——原子内的电子脱离原子核的吸引,带负电的自由电子和带正电的离子共存。在这种状态下,自由电子便能与激光发生相互作用。

若形成的等离子体密度极高,激光无法穿透,脱离原子核的电子会导致靶向物质爆炸,让离子加速,从而在半径几毫米的范围内产生兆电子伏能级的离子。

若形成的等离子体密度低,激光脉冲的扩散会产生尾波场。尾波场的扩散速度等于光速,陷入其中的电子会被加速,获得能量(就像被卷到浪尖的冲浪手)。通过这一手段形成的电场梯度可高达100 GeVm-1,远高于传统技术(射频谐振腔)所形成的电场梯度(0.1 GeVm-1)。

电离辐射在医学中有多种用途,包括医学成像、诊断、癌症治疗等。借助辐射对生物体的杀伤作用,可开发一系列治疗手段。电子束对癌细胞的损伤效果与临床放疗最常用的质子束类似。高能电子束会通过”轫致辐射“效应将其大部分动能转化为X射线粒子,从而触发负电子、正电子和光子的级联,并通过非弹性碰撞使癌细胞等目标物质直接电离,或者间接生成有杀伤力的自由基,从而破坏肿瘤。

健康细胞与癌细胞的辐射耐受性差异

无论何种治疗方案,都需要权衡疗效和副作用。放疗利用的是电离辐射对生命体的杀伤力特质。健康细胞的辐射耐受性比癌细胞略高,科学家正是基于此开发出放疗方案,以恰到好处的辐射剂量杀死肿瘤细胞,同时避免对健康细胞造成太大影响。

激光加速的粒子束有两类变量可控。我们首先讨论粒子类别。现在放疗最常用的两种粒子是光子和质子,但它们进入生物组织内的效应曲线差异较大。光子释放能量的效应曲线从皮层由浅到深,呈倒指数曲线,组织表面接受的剂量最大,越深处剂量越小。因此,制定针对体内深处肿瘤的放疗方案时,既要控制组织表面的辐射剂量不能过高,又要确保辐射到达肿瘤所在处时仍有疗效。这一平衡难以把握。

光子束由于生成容易,在放疗中广为应用。质子束的应用现仍处于初期,因为所需设备体量较大。光子放疗仪仅需约20平米的房间放置,但质子放疗需要回旋加速器,只有数百平米的大楼才能容纳得下。

电子束在近几十年来的放疗中几乎没有得到应用。一方面是因为其效应曲线较平缓,另一方面是因为相比光子,电子束更难加速。

闪光效应

早在上世纪70年代,学者们便发现了闪光效应,该效应于00年代在法国奥塞的科研机构被再次发现,代表着放疗领域的一大突破。

研究显示,同样剂量的电离辐射,暴露时长不同,疗效也不同。

放疗曾经的一个基础假设是,同样的辐射剂量,对人体的效果必相同——就像泰诺一样:服用多少,药效就有多大。但研究表明,如果同样的剂量在超短时间内递送,疗效会发生变化:对健康组织的损害小了,但对肿瘤组织的杀伤力不变。这意味着同样剂量的辐射,照射时间由10分钟降低到50微秒内,就能大大降低对健康组织的副作用,同时对肿瘤的治疗效果不打折扣。

利用闪光效应,可以更有效、高效地开展癌症治疗。

2016-2020年间,学者利用低能电子束(低于5兆电子伏),对闪光效应在临床中的应用展开了初步实验。之所以选用电子束而非其他粒子束,是因为电子是最容易生成的。但遗憾的是,闪光效应下的电子束只能穿透几毫米的组织,故无法用于治疗体内深处的肿瘤。

超高能电子束和“快速分级法”

接下来讨论超高能电子束(能级超过150兆电子伏)。过去对此类粒子束研究较少。高能电子束可以穿透至组织深处,破坏光子辐射无法波及的肿瘤细胞。但是,基于电子直线加速器的治疗仪器若想要与光子放疗仪争夺市场,首先必须缩小体量,小到医院诊疗室能容纳得下。

超高能电子束的成本可能会高于光子束,但低于质子束。深度-剂量曲线显示,超高能电子束不仅能到达组织深处,还更不容易受到组织不均匀性的意外影响,比X射线更优。

通过辐射浓缩,超高能电子束能精准破坏体内深处的肿瘤。由于电子束剂量易控,故有利于治疗对放射不敏感的肿瘤。电子束可以局部照射,只让一小部分组织暴露在辐射下,这一特性也有利于开发高精度疗法。此外,浓缩的超高能电子束的进入剂量、远端剂量、近端剂量都低,可最大限度地减少对健康组织和敏感器官的损害。

以上新型疗法的临床应用仍处于开发阶段,待激光技术和加速器进步后才能投入实际使用。我们将这种放疗手段称为“快速分级法”(fast fractionation),已经开始对其生理效果进行研究。初步结果显示,激光脉冲率高低会影响电离辐射的毒性。闪光照射的长度、单次脉冲的辐射剂量都会影响毒性高低。因为现在的科研仍处于早期,闪光效应的原理尚无法解释,但可以确定的是,这方面的研究潜力无限,必定能促进更高效的放疗方案的开发。

Isabelle Dumé

参考资料:

https://loa.ensta-paris.fr/fr/accueil/

Alessandro Flacco

法国国立高等先进技术大学(巴黎综合理工学院联盟)助理教授

Isabelle Dumé

科学记者,物理学哲学博士

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