Kürzlich führten Forscher der Universität Quebec im Advanced Laser Light Source Laboratory des National Research Council of Canada (INRS) ein erfolgreiches Experiment durch, das den vielversprechenden Einsatz ultraschneller Lasertechnologie für die Strahlentherapie von Krebs demonstrierte.
„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass ein Laserstrahl, der eng auf die Umgebungsluft fokussiert ist, unter bestimmten Bedingungen Elektronen auf den Energiebereich MeV (Megaelektronenvolt) beschleunigen kann, was der gleichen Energie entspricht wie einige der Strahler, die bei der Krebsbestrahlung verwendet werden.“ Therapie." sagte Franois Légaré, INRS-Professor und wissenschaftlicher Leiter des Advanced Light Sources Laboratory (ALLS).
Durch die enge Fokussierung mehrerer Zyklen eines Femtosekunden-Infrarotlasers (IR) im Millijoule-Bereich (mJ) (fs) erzeugen die Forscher relativistische Elektronenstrahlen in der Umgebungsluft und erreichen hohe Dosisraten von bis zu 0.15 Gray pro Sekunde (Gy/s). Bei atmosphärischem Druck erreichte ihre Laserintensität 1 × 1019 Watt pro Quadratzentimeter (W/cm-2). Das Team maß den resultierenden Elektronenstrahl und stellte fest, dass er eine maximale Energie von bis zu 1,4 MeV hatte.
Das Team zeigte, wie der enge Fokus, die lange Wellenlänge und die kurze Impulsdauer des Lasers zusammenwirken, um den Effekt der b-Integration auf den fokussierten Laserstrahl zu begrenzen. Die hohe Dichte der Luftmoleküle im ionisierbaren Fokusvolumen reicht aus, um ein Plasma nahe der kritischen Dichte zu bilden, was eine hohe Umwandlungseffizienz von Lasern in Elektronen ermöglicht. Durch dreidimensionale Partikel-in-Zelle-Simulationen bestätigten die Forscher, dass der Beschleunigungsmechanismus relativistisch basiert, ein Massenbewegungspotential aufweist und theoretisch mit den gemessenen Elektronenenergien und -streuungen übereinstimmt.
Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus: Pulse ultrakurzen Infrarot-Laserlichts werden eng auf die umgebende Luft fokussiert und erzeugen eine hohe Dosis ionisierender Strahlung.
Die Forscher glauben, dass die Stärke dieser lasergetriebenen Elektronenquelle in ihrer Einfachheit liegt. Eine einzelne fokussierte Optik in der umgebenden Luft kann einen Elektronenstrahl erzeugen, der einer Person, die einen Meter entfernt steht, in weniger als einer Sekunde die Strahlungsdosis eines Jahres zuführt. Es sind keine komplizierten Aufbauten oder Vakuumkammern erforderlich, wodurch sich diese Methode für viele Bestrahlungsanwendungen eignet, da die Anforderungen für die Herstellung ultraschneller MeV-Elektronenquellen reduziert werden.
Fortschritte in der Lasertechnologie haben es ermöglicht, dass die Laser-Wake-Field-Beschleunigung – ein Prozess, der Elektronen in sehr kurzer Zeit durch die Erzeugung von Plasma auf hohe Energien beschleunigt – im mittleren Infrarot mit Systemen der mJ-Klasse arbeitet und hohe Teilchenflüsse von MeV-Elektronen erzeugt die in der radiobiologischen Forschung eingesetzt werden können. Diese hochenergetischen laserbetriebenen Elektronenquellen erfordern jedoch komplexe und sperrige Installationen in Vakuumkammern, die den Zugang zum Strahl einschränken.
Laserbetriebene MeV-Elektronenquellen könnten neue Ansätze zur Krebsbehandlung bieten, beispielsweise die FLASH-Strahlentherapie, eine Methode zur Behandlung von Tumoren, die gegen herkömmliche Strahlentherapie resistent sind. Mit der FLASH-Therapie können hohe Strahlungsdosen in Mikrosekunden statt in Minuten abgegeben werden. Diese Abgabegeschwindigkeit trägt dazu bei, das gesunde Gewebe rund um den Tumor vor den Auswirkungen der Strahlung zu schützen. Obwohl die Auswirkungen von FLASH nicht vollständig geklärt sind, gehen Wissenschaftler davon aus, dass FLASH zu einer schnellen Desoxidation von gesundem Gewebe führen und so die Strahlenempfindlichkeit des Gewebes verringern kann.
Gemessene Strahlungsdosisleistung (logarithmische Skala) als Funktion der Entfernung vom Brennpunkt für drei verschiedene Laserpulsenergien.
„Bisher konnte keine Studie die Natur des Blitzeffekts erklären“, sagte der Forscher Simon Vallières. „Die bei der FLASH-Strahlentherapie verwendete Elektronenquelle weist jedoch ähnliche Eigenschaften auf wie die, die wir erzeugen, indem wir den Laser intensiv auf die Umgebungsluft fokussieren.“ Sobald die Strahlungsquellen besser kontrolliert werden, können wir durch weitere Studien die Ursachen des Flash-Effekts untersuchen und letztendlich eine bessere Strahlentherapie für Krebspatienten anbieten.“
Die Forscher glauben, dass die Skalierbarkeit ihres Ansatzes mit der weiteren Entwicklung von Lasern mit hoher Durchschnittsleistung in der mJ-Klasse zunehmen wird. Die schnelle Entwicklung von Laserquellen, die auf höhere verfügbare Pulsenergien und Wiederholungsraten abzielen, könnte eine Ausweitung der INRS-Technik auf höhere Elektronenenergien und größere Dosisraten ermöglichen.
Die Forscher betonten auch die Bedeutung der Sicherheit beim Umgang mit Laserstrahlen, die eng auf die Umgebungsluft gerichtet sind. Bei Messungen in der Nähe der Strahlungsquelle beobachtete das Team Strahlungsdosisleistungen von Elektronen, die drei- bis viermal höher waren als bei der herkömmlichen Strahlentherapie.
„Die beobachtete Energie der Elektronen (MeV) ermöglicht es ihnen, sich mehr als 3 Meter in der Luft oder einige Millimeter unter der Haut zu bewegen“, sagte Vallières, „was für Benutzer der Laserlichtquelle das Risiko einer Strahlenexposition birgt. Entdecken.“ Diese Strahlengefahr ist eine Chance, sicherere Praktiken im Labor einzuführen.“
