与x射线相比，快速质子照射是一种更有效、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，这使得专家们正在研究替代加速器概念，比如激光系统来加速质子。这种系统被部署在临床前研究，为最佳的放射治疗铺平道路。由Helmholtz-Zentrum dresden - rosssendorf (HZDR)领导的一个研究小组现在已经成功地在动物身上测试了激光质子照射，该小组发表在《自然物理学》杂志上(DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3)。
 

图片:由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)领导的研究团队首次成功测试了激光质子照射肿瘤。

放射治疗是主要的癌症治疗方法之一。它通常利用强烈的、聚焦的x光。质子——氢原子的原子核——被加速到高能量，并捆绑成小的、精确的目标束是另一种选择。它们可以渗透到肿瘤组织深处，在那里它们将大部分能量储存在肿瘤中，在摧毁癌症的同时，使周围的组织基本完好无损。这使得该方法比x线治疗更有效，创伤更小。HZDR的研究员Elke Beyreuther博士解释说:“这种方法特别适合于照射颅底、大脑和中枢神经系统的肿瘤。”“它也用于儿童癌症患者，以减少可能的长期影响。”

但是，这种方法比x射线疗法复杂得多，因为它需要精密的加速器设备来产生快速的质子，并将它们传输给患者。这就是为什么德国只有几个质子治疗中心，包括一个在德累斯顿大学医院。目前，专家们正在稳步改进这种方法，使之适合于患者。基于激光的质子加速器可以在这方面做出决定性的贡献。

HZDR的物理学家弗洛里安·克罗尔博士解释说:“这种方法是基于一种高功率激光产生强而极短的光脉冲，向一层薄薄的塑料或金属箔发射。”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。有趣的是，这个过程的规模非常小:加速路径只有几微米长。

“我们已经在这个项目上工作了15年，但到目前为止，质子还没有获得足够的能量进行照射，”Beyreuther报道。“此外，脉冲强度变化太大，所以我们无法确保我们提供的剂量是正确的。”但在过去的几年里，科学家们终于取得了关键的进步，特别是由于对激光闪光和箔片之间的相互作用有了更好的理解。“最重要的是，激光闪光的精确形状是特别重要的，”克罗尔解释说。“我们现在可以对它们进行调整，以产生具有足够能量和足够稳定的质子脉冲。”

最终，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:首次用激光加速的质子对小鼠的肿瘤进行可控照射。这些实验是与位于OncoRay -国家肿瘤放射研究中心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对比实验为基准。“我们发现激光驱动的质子源可以产生生物学上有价值的数据，”克罗尔报告说。“这为进一步的研究奠定了基础，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。而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以在百万分之一秒内完成。埃尔克·拜罗伊特解释说:“有迹象表明，如此快速的剂量管理有助于保护周围的健康组织，甚至比以前更好。”“我们希望用我们的实验装置跟踪这些适应症，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来获得癌症治疗的优势。”