用于癌症研究的激光闪光——质子辐照的里程碑

诸平

A research team led by the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) has successfully tested the irradiation of tumors with laser protons for the first time. Credit: HZDR / Juniks

据德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf简称HZDR) 2022年3月14日提供的消息，由该中心(HZDR)领导的研究小组首次成功测试了激光质子对肿瘤的照射（参看上述图片）。用于癌症研究的激光闪光灯已经成为质子辐照的一个里程碑（Laser Flashes for Cancer Research – Milestone in Proton Irradiation Achieved）。与X射线相比，用快质子照射是一种更有效且侵入性更小的癌症治疗方法。然而，现代质子治疗需要大型粒子加速器，专家们正在研究替代加速器概念，例如加速质子的激光系统。这种系统被部署在临床前研究中，为最佳放射治疗铺平道路。相关研究结果于2022年3月14日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——Florian Kroll, Florian-Emanuel Brack, Constantin Bernert, Stefan Bock, Elisabeth Bodenstein, Kerstin Brüchner, Thomas E. Cowan, Lennart Gaus, René Gebhardt, Uwe Helbig, Leonhard Karsch, Thomas Kluge, Stephan Kraft, Mechthild Krause, Elisabeth Lessmann, Umar Masood, Sebastian Meister, Josefine Metzkes-Ng, Alexej Nossula, Jörg Pawelke, Jens Pietzsch, Thomas Püschel, Marvin Reimold, Martin Rehwald, Christian Richter, Hans-Peter Schlenvoigt, Ulrich Schramm, Marvin E. P. Umlandt, Tim Ziegler, Karl Zeil, Elke Beyreuther. Tumor irradiation in mice with a laser-accelerated proton beam. Nature Physics, 2022, 18: 316–322. DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3. Published: 14 March 2022. https://www.nature.com/articles/s41567-022-01520-3

参与此项研究的除了亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(HZDR)的研究人员之外，还有来自德国德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden, Germany）、德国癌症研究协会（German Cancer Consortium简称DKTK）以及德国国家肿瘤中心（National Center for Tumor Diseases简称NCT）的研究人员。

放射治疗（Radiation therapy）是主要的癌症治疗方法之一。它通常利用强大的聚焦X射线光。质子——氢原子的原子核——被加速到高能并捆绑成小的、可精确定位的束是一种替代方案。它们可以深入组织，将大部分能量储存在肿瘤中，摧毁癌症，同时保持周围组织基本完好。这使得该方法比X射线治疗更有效、且侵入性更小。HZDR研究员埃尔克·拜罗伊特（Elke Beyreuther）博士解释说：“该方法特别适用于照射颅底、大脑和中枢神经系统的肿瘤。它也用于儿科癌症患者，以减少可能的长期影响。”

然而，该方法比X射线治疗要复杂得多，因为它需要复杂的加速器设备来产生快质子并将其运送给患者。这就是为什么德国只有少数质子治疗中心，包括德累斯顿大学医院（Dresden University Hospital）的一个。目前，专家们正在努力稳步改进该方法并使其适应患者。基于激光的质子加速器可以在这里做出决定性的贡献。

定制激光闪光灯（Customized laser flashes）

HZDR物理学家弗洛里安·克罗尔（Florian Kroll）博士解释说：“该方法基于高功率激光器产生强且极短的光脉冲，这些光脉冲发射在薄塑料或金属箔上。” 这些闪光灯的强度将大片电子从箔中击出，产生强大的电场，可以将质子捆绑成脉冲并将它们加速到高能。令人着迷的是，这个过程的规模很小：加速路径只有几微米长。

埃尔克·拜罗伊特报道说：“我们已经在这个项目上研究了15年，但到目前为止，质子还没有获得足够的能量来进行辐照。此外，此脉冲强度变化太大，因此我们无法确保我们提供了正确的剂量。” 但在过去的几年里，科学家们终于取得了重大进展，特别是由于更好地了解了激光闪光灯和箔片之间的相互作用。弗洛里安·克罗尔解释道：“最重要的是，激光闪光灯的精确形状尤为重要。我们现在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。”

新的研究要求（New research requirements）

最后，参数已经优化到HZDR团队能够启动一系列关键实验的程度：有史以来第一次用激光加速质子对小鼠的肿瘤进行控制照射。这些实验是与来自德国国家肿瘤放射研究中心（OncoRay – National Center for Radiation Research in Oncology）的德累斯顿大学医院的专家合作进行的，并以传统质子治疗设施的比较实验为基准。弗洛里安·克罗尔报告说：“我们发现我们的激光驱动质子源可以产生具有生物学价值的数据。这为进一步研究奠定了基础，使我们能够测试和优化我们的方法。”

激光加速质子脉冲的另一个特点是其巨大的强度。在传统的质子治疗中，辐射剂量是在几分钟内完成的，而基于激光的过程可能会在百万分之一秒内发生。埃尔克·拜罗伊特解释说：“有迹象表明，如此快速的剂量给药有助于比以前更好地保护周围的健康组织。我们希望通过我们的实验装置跟进这些适应症，并进行临床前研究，以研究何时以及如何使用这种快速照射方法在癌症治疗中获得优势。”

上述介绍，仅供参考欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Recent oncological studies identified beneficial properties of radiation applied at ultrahigh dose rates, several orders of magnitude higher than the clinical standard of the order of Gy min^–1. Sources capable of providing these ultrahigh dose rates are under investigation. Here we show that a stable, compact laser-driven proton source with energies greater than 60 MeV enables radiobiological in vivo studies. We performed a pilot irradiation study on human tumours in a mouse model, showing the concerted preparation of mice and laser accelerator, dose-controlled, tumour-conform irradiation using a laser-driven as well as a clinical reference proton source, and the radiobiological evaluation of irradiated and unirradiated mice for radiation-induced tumour growth delay. The prescribed homogeneous dose of 4 Gy was precisely delivered at the laser-driven source. The results demonstrate a complete laser-driven proton research platform for diverse user-specific small animal models, able to deliver tunable single-shot doses up to around 20 Gy to millimetre-scale volumes on nanosecond timescales, equivalent to around 10⁹ Gy s^–1, spatially homogenized and tailored to the sample. The platform provides a unique infrastructure for translational research with protons at ultrahigh dose rates.