Modernizacja przy użyciu lasera do leczenia raka

bFizycy i fizycy w Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley Lab połączyło siły, aby stworzyć nowe możliwości leczenia raka za pomocą generowanych laserowo wiązek protonów.

Trwający projekt ma na celu przystosowanie powstającej technologii laserowych akceleratorów jonów – które są tak fajne, jak brzmią – aby bardziej skuteczny rodzaj radioterapii był łatwiej dostępny dla pacjentów.

„Centra terapii protonowej są dużymi i drogimi obiektami, więc są ograniczone na całym świecie” – powiedział współautor Antoine Snyders, badacz raka i starszy naukowiec na Wydziale Nauk Biologicznych i Inżynierii (BSE). Obecnie dystrybucja geograficzna i dostęp do terapii protonowej na całym świecie są ograniczone. Sposobem na uzyskanie szerszego dostępu i ewentualnie niższych kosztów jest zmniejszenie kosztów i powierzchni zajmowanej przez tego typu obiekty. Oznacza to, że potrzebujemy bardziej zwartych źródeł jonów do akceleratorów protonów”.

Naukowcy badają również potencjalne korzyści płynące z zastosowania tych akceleratorów do prowadzenia radioterapii wiązką protonów w bardzo wysokich dawkach i bardzo krótkim czasie ekspozycji – technika zwana radioterapią FLASH. Chociaż to podejście jest obecnie nadal eksperymentalne, radioterapia za pomocą FLASH może zmienić krajobraz radioterapii onkologicznej. „Jeśli nasza praca może również zapewnić pacjentom radioterapię flash, może to być najlepsze z obu światów” – dodał Snigers.

Snijders i kilku kolegów z wydziału BSE w Berkeley Lab współpracuje z naukowcami z Berkeley Lab Accelerated Laser Center (BELLA), gdzie znajduje się jeden z najbardziej zaawansowanych akceleratorów laserowych na świecie. Obustronnie korzystne połączenie daje naukowcom BELLA rzeczywiste zastosowanie, wokół którego mogą ulepszyć swoją eksperymentalną platformę laserową, a biologom daje możliwość przetestowania, w jaki sposób żywe tkanki reagują na wiązki protonów kierowane laserem (LD) przy dawkach FLASH.

Wczesne wyniki sprawiły, że wszyscy byli podekscytowani. w papierze Opublikowane w Raportach NaukowychW tym artykule zespół podzielił się wynikami eksperymentów sprawdzających zasady, które przeprowadzili na normalnych komórkach ludzkich i komórkach rakowych. Prace były pierwszymi, które wykazały, że akceleratory LD mogą dostarczać dawki błyskawiczne, i pokazały, że te trafnie nazwane rozbłyski promieniowania skutkowały wyższą przeżywalnością normalnych komórek w porównaniu z komórkami rakowymi.

Po co błyskać i dlaczego protony?

Istnieją dwa główne rodzaje radioterapii: fotonowa i jonoterapia. Terapie fotonowe wykorzystują skupione wiązki promieniowania elektromagnetycznego w zakresie częstotliwości promieni rentgenowskich lub gamma do zabijania komórek rakowych wewnątrz guzów. Minusem jest to, że terapia fotonowa uszkadza również zdrową tkankę przed i za guzem w ścieżce wiązki. Przyspieszone jony, takie jak protony, zachowują się inaczej. Wkładają niewielką ilość energii w materiał, który napotykają na początku swojej drogi i bardzo wysoki impuls na końcu, zanim całkowicie się zatrzymają. Zjawisko to pozwala naukowcom na mapowanie precyzyjnych ścieżek promieniowania, które dostarczają duże dawki promieniowania do guzów przy minimalnym uszkodzeniu tkanek z przodu i bez uszkodzeń tkanek z tyłu.

Wkłady zawierające ludzkie komórki wyhodowane na ultracienkich płytkach mylarowych (po lewej) umieszcza się na wkładce wkładów (po prawej) przed napromieniowaniem protonami. (Źródło: Thor Swift/Berkeley Lab)

Ponieważ istnieje wiele różnych cząsteczek, które mogą dostarczać promieniowanie do guzów, istnieje również wiele różnych podejść do analizy energetycznej. Szybki i trudny paradygmat radioterapii błyskowej wprawiał w zakłopotanie radiobiologów od lat 60. XX wieku, kiedy eksperymenty laboratoryjne sugerowały, że dawki błysku mogą zabijać komórki rakowe, zachowując jednocześnie większą część zdrowej tkanki niż dłuższe, niskoenergetyczne terapie. dawki. Jednak takie podejście nie zostało powszechnie przyjęte.

Trudno jest ustalić dokładne i spójne dawki radioterapii FLASH, nawet przy użyciu konwencjonalnych akceleratorów. „Jak dokładnie podać dawkę, jeśli podajesz ją w ciągu nanosekundy – jednej miliardowej sekundy?” – wyjaśnił Snyder. „To jest wyzwanie, ponieważ coś może pójść nie tak szybciej, niż my możemy to naprawić”.

W następstwie postępu technologicznego w ciągu ostatnich kilku lat przeprowadzono niewielką liczbę eksperymentów na zwierzętach, a jeden test kliniczny radioterapii FLASH na ludziach w Europie wykazał jej skuteczność w eliminowaniu przedrakowych zmian skórnych przy jednoczesnym zachowaniu prawidłowej skóry. Ale naukowcy wciąż nie rozumieją biologicznych mechanizmów stojących za imponującymi obserwacjami. Dlatego zrozumiałe jest, że niektórzy onkolodzy niechętnie próbują dawek FLASH u ludzi, dopóki nie dowiemy się więcej. Według członka zespołu i Znana radiobiolog Eleanor BlakelyTo ostrzeżenie, powiedziała, wynika z samoświadomości potrzeby „zachowania ostrożności w ocenie ostrych i długoterminowych skutków oraz przestrzegania wymogów bezpieczeństwa radiologicznego przed podaniem nowych metod napromieniania ludziom”. Lekarze i badacze są „tak rozdarci, że nie chcą opóźniać, jeśli jest to coś naprawdę innego, co może zrewolucjonizować całą dziedzinę leczenia raka. Jednak nie do końca rozumiemy, jak to działa, nawet dzisiaj, w porównaniu z konwencjonalną radioterapią, która ratuje życie każdego dnia.”

Akcelerator w równaniu

Obecnie zarówno zabiegi wiązką jonową, jak i fotonową stosowane w ośrodkach medycznych zasilane są konwencjonalnymi akceleratorami o częstotliwości radiowej, które przyspieszają naładowane cząstki przez prostą lub okrągłą komorę próżniową za pomocą pól elektromagnetycznych i silnych magnesów. Cyklotron (wynaleziony przez założyciela Berkeley Lab) oraz największy i najpotężniejszy nowoczesny akcelerator na świecie (Wielki Zderzacz Hadronów w CERN) to dwa przykłady akceleratorów częstotliwości radiowych.

„Zasilane laserem akceleratory zapewniają przyspieszenie w znacznie mniejszych obszarach niż systemy konwencjonalne i wytwarzają krótkie, intensywne impulsy, które stwarzają nowe możliwości w medycynie i innych zastosowaniach, a także obiecujące badanie fizyki fundamentalnej” – powiedział Cameron Geddes, dyrektor Accelerator Technology w Berkeley. Laboratorium. & Wydział Fizyki Stosowanej, siedziba Bella Center.

Laserowe akceleratory protonów działają poprzez skierowanie lasera o dużej mocy na cienką płytkę, generując w ten sposób mały obszar plazmy — stan materii, w którym atomy są pozbawione swoich elektronów — wewnątrz komory próżniowej. „W tej plazmie silne pola elektryczne przyspieszają protony i jony na odległość kilku mikronów (milionowych części metra). Dla porównania, ludzki włos ma szerokość kilkudziesięciu mikronów”. Licelot Obst Hubblenaukowiec w Centrum BELLA na Wydziale Technologii Akceleratorów i Fizyki Stosowanej.

W przeciwieństwie do tego, akceleratory o częstotliwości radiowej wymagają ogromnej infrastruktury i systemów dostarczania wiązki, aby wytworzyć naładowane cząstki, które poruszają się wystarczająco szybko do radioterapii. (Przeczytaj więcej o działaniu laserowego akceleratora protonów)

Technologia ma jeszcze wiele do zrobienia, zanim ośrodki leczenia będą mogły zakupić wbudowane akceleratory laserowe do terapii protonowej. „Nadal jest w powijakach, ale technologia szybko się rozwija” – wyjaśnił Kei Nakamura, zastępca dyrektora ds. badań w BELLA Center i autor nowego artykułu. Centrum BELLA było pierwotnie finansowane wyłącznie na rozwój Akceleratory elektronówA prace nad budową akceleratorów protonów rozpoczęły się dopiero w 2015 r. Wspólny projekt rozpoczął się w 2018 r., kiedy Blakely nawiązał kontakt z naukowcami z Bella Center. „Nasze rzeczy ładnie pasują” – powiedział Nakamura. „Chcieliśmy mieć aplikację do pracy w laboratorium, a aplikacja medyczna ma ogromny wpływ na społeczeństwo, więc cieszymy się z tej współpracy”.

Obecnie odległość od miejsca, w którym laser uderza w chipy tworzące wiązkę protonów, do punktu kontaktu z komórkami – umieszczonymi w specjalnie zaprojektowanych komorach hodowlanych z metalowej folii i membranie mylarowej – wynosi tylko dwa metry. Ale system generujący laser jest bardzo duży – zajmuje całe pomieszczenie w centrum BELLA. Na szczęście system laserowy nie musi znajdować się bezpośrednio przy obszarze zabiegowym, co jest ograniczeniem akceleratorów częstotliwości radiowych w środowisku medycznym.

Według Nakamury badania przeprowadzone w ciągu ostatnich dwóch dekad dowiodły, że źródła jonów LD mają potencjał Być bardziej kompaktowym i tańszym niż źródła jonów RF. Powiedział, że lasery BELLA kurczą się w ciągu ostatnich 15 lat, a technologia z dnia na dzień się poprawia.

Następna

Po sukcesie pierwszego badania współpraca pogłębiła się już w drugim etapie. Zespół BELLA opracowuje obecnie nową technologię celowania, która skupi laser ze znacznie większą intensywnością, generując w ten sposób protony o większej energii. Obecny system ogniskowania generuje wiązki o mocy wystarczającej jedynie do dostarczenia radioterapii FLASH do komórek wyhodowanych w bardzo cienkich warstwach. Kiedy to uaktualnienie, znany jako IP2Po zakończeniu wyższe energie wiązki jonów będą wystarczająco silne, aby wniknąć głębiej w żywą tkankę. Snijders i Jian-Hua Mao, starszy naukowiec i współautor artykułu, ocenią bezpieczeństwo i skuteczność terapeutyczną pakietu na modelach zwierzęcych, najpierw na tkankach powierzchownych, a następnie na guzach wewnętrznych.

„Praca, którą obecnie wykonujemy, ma fundamentalne znaczenie dla naszego zrozumienia znaczenia wpływu radioterapii FLASH na poziomy fizyczne, chemiczne i biologiczne” – powiedział Blakely. „Tu, w Berkeley Lab, mamy możliwość przetestowania wszystkich trzech poziomów, co może w znacznym stopniu przyczynić się do globalnych wysiłków na rzecz poprawy leczenia”.

Dziedzictwo medycyny nuklearnej Berkeley Lab

Fizyk Ernest O. Lawrence wynalazł cyklotron w 1929 roku, aw 1931 założył Berkeley Laboratory, aby kontynuować swoją pracę. Jego brat, doktor John Lawrence, przyjechał z nim do Berkeley, aby zbadać biologiczne efekty – i potencjalne korzyści – cząstek radioaktywnych generowanych przez cyklotron Ernsta. W 1939 roku John kierował zespołem odpowiedzialnym za pierwszą na świecie radioterapię raka. W następnych dziesięcioleciach jego laboratorium nadal to robiło Pionier w wykorzystaniu promieniowania Aby zmniejszyć guzy i leczyć choroby nienowotworowe, opracowano techniki obrazowania medycznego oparte na radioizotopach, co ostatecznie doprowadziło do skanów PET i innych technologii. John Lawrence prowadził również badania nad wpływem narażenia na promieniowanie na zdrowe komórki. Badania te pomogły NASA zrozumieć ryzyko związane z wysyłaniem astronautów w kosmos na dłuższe misje. Eleanor Blakely, autorka najnowszego artykułu badawczego, dołączyła do zespołu Lawrence’a w latach 70. i była zaangażowana w te pionierskie badania.

Ten artykuł omawia prace finansowane przez Laboratory-Guided Research and Development Program w Berkeley Lab i Department of Energy (DOE) Office of Science. Program Fizyki Wysokich Energii. Aktualizacja iP2 jest finansowana przez program nauk o energii termojądrowej Departamentu Energii. Po zakończeniu iP2 będzie częścią LaserNet US, sieci zaawansowanych ośrodków badawczych w dziedzinie laserów.

# # #

Założona w 1931 roku w przekonaniu, że najlepsze wyzwania naukowe mają do stawienia czoła zespołom, Laboratorium Krajowe im. Lawrence’a Berkeley Jej naukowcy zdobyli 14 Nagród Nobla. Dzisiaj naukowcy z Berkeley Lab opracowują zrównoważone rozwiązania środowiskowe i energetyczne, tworzą nowe przydatne materiały, przesuwają granice informatyki i badają tajemnice życia, materii i wszechświata. Naukowcy z całego świata polegają na urządzeniach laboratoryjnych do prowadzenia badań naukowych. Berkeley Lab to wieloprogramowe laboratorium krajowe, prowadzone przez Uniwersytet Kalifornijski przy Biurze Naukowym Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

Biuro Naukowe Departamentu Energii jest największym zwolennikiem badań podstawowych w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najbardziej palących wyzwań naszych czasów. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę internetową energia.gov/science.