与传统光子放疗相比，快速质子束照射是一种更有效、侵入性更小的治疗方式。现代质子治疗需要大型粒子加速器，研究人员正在研究大型加速器的替代方案，例如加速质子束的激光系统，目前正处于临床前研究。日前，德国HZDR研究所研究团队首次成功使用激光质子对动物进行照射，研究结果以《使用激光加速质子束照射小鼠肿瘤》为题发表于杂志Nature Physics


 

研究团队构建了一个研究平台，该平台能使用来自激光等离子体加速器的质子束对小动物模型的肿瘤进行超高峰值剂量率照射。研究团队证明了该加速器可直接用于放射生物学研究，包括研究统一剂量下对延缓小鼠耳朵上人类肿瘤(头颈鳞状细胞癌)生长速度的有效性。作者使用的样本量为92只小鼠。研究结果证明了该技术或能用于以改善癌症放疗为目标的相关研究。


 

质子激光等离子体加速(laser–plasma acceleration, LPA)研究平台

定制激光闪光灯

HZDR物理学家Dr. Florian Kroll解释说：“这种方法是基于一种高功率激光产生强而极短的光脉冲，这些光脉冲被发射到一层薄薄的塑料或金属箔上。这些闪光的强度将电子从金属箔中震出，产生一个强大的电场，可以将质子束成脉冲，并将它们加速到高能量。这个过程的加速路径非常小，只有几微米长。

研究团队已经在这个项目上进行了15年的研究，但到目前为止，质子还没有获得足够的能量来进行照射。此外，脉冲强度变化太大，无法确保提供了正确的剂量。但在过去的几年，科学家们取得了重要进步，特别是由于对激光闪光灯和箔片之间的相互作用有了更好的理解。最重要的是，激光闪光灯的精确形状尤为重要。研究团队目前可以定制它们以产生具有足够能量且足够稳定的质子脉冲。


 

用于癌症研究的定制激光闪关灯(Customized laser flashes)

新的研究要求

最后，这些参数得到了优化，使得HZDR团队能够启动一系列关键的实验：首次使用激光加速质子对小鼠肿瘤进行控制照射。这些实验与位于德国OncoRay肿瘤放射研究中心的德累斯顿大学医院的专家合作进行，并以传统质子治疗设施的实验为基准对照。研究团队发现激光驱动的质子源可以产生生物学上有价值的数据。这为进一步的研究奠定了基础，使研究团队能够测试和优化其方法。

HZDR研究所Dr. Elke Beyreuther解释说：“激光加速质子脉冲的另一个特点是其强度巨大。在传统的质子治疗中，辐射剂量在几分钟内完成，而基于激光的过程可能在百万分之一秒内发生。有研究表明，如此快速的剂量比传统照射方式能更好地保护肿瘤周围的健康组织。我们将通过我们的实验装置跟进这些适应证的研究，并进行临床前研究，研究何时以及如何在癌症治疗中使用这种快速照射方法。”