Nádory pod ostrým ohněm

Fyzici vytvářejí laserové paprsky s vysokou energií

Jak vítr nese loď v plachtě, laserové světlo tlačí elektrony a ionty dopředu ve své příďové vlně. © Andreas Henig
číst nahlas

Pro použití vysokoenergetických iontových paprsků dobré kvality a definované dávky pro přesné a přitom nákladově efektivní ozařování nádorů je již dlouho na seznamu přání lékařů. V budoucnosti by moderní laserová technologie mohla nahradit drahé urychlovače částic: Výzkumnému týmu se podařilo experimentálně potvrdit již dlouho předvídaný mechanismus generování paprsků založených na laseru.

Vědci kolem profesora Dietricha Habse z Mnichovské univerzity (LMU) prezentují výsledky své nové studie společně s kolegy z Institutu Maxe Born v Berlíně v časopise "Fyzická recenze dopisů".

Efektivní uhlíkové paprsky

Uhlíkové paprsky jsou považovány za nejúčinnější a šetrnou metodu léčby nádorů, protože rozvíjejí svou destruktivní sílu pouze přímo v nádoru a nepoškozují zdravé buňky na cestě k němu, jak je tomu v případě běžně používaných rentgenových paprsků nebo elektronových paprsků. Jsou proto zvláště vhodné pro léčbu nádorů ve vysoce citlivých oblastech, například v blízkosti mozkového kmene, nebo pro velmi hluboké nádory těla.

Jedním z problémů je však v současné době generování těchto paprsků: Nejmodernějšími systémy urychlovačů, které jsou technicky extrémně složité a velmi drahé - jak ve výstavbě, tak během provozu. Většina pacientů s rakovinou nemá z této léčby prospěch. „Jako lékaři se dnes spoléháme na pokrok fyziků, který vyléčí ještě více pacientů, “ říká profesor Michael Molls z Klinikum rechts der Isar.

V laserovém systému ATLAS v institutu Max Planck pro kvantovou optiku (Garching) provedou Habs a Henig první experimenty s ozařováním na buňkách. © Thorsten Naeser

Urychlovač menší než je tloušťka vlasů

Iontové paprsky však mohou být vyráběny také pomocí kompaktních laserových systémů, což je velmi výhodné ve srovnání s dříve vyžadovanými velkými systémy. „S novou technologií je skutečný urychlovač menší než tloušťka vlasů, “ říká Habs. zobrazit

Takové krátké vzdálenosti jsou dostatečné k urychlení iontů s vysokými intenzitami laserových pulzů na vysoké energie. Také je podstatně sníženo vedení paprsku k pacientovi, nahrazující tuny magnetů filigránovými zrcátky. Dosud však nebylo možné vyvinout účinnou metodu přenosu stejné energie na všechny ionty.

Tady přichází tým Habs. Andreas Henig společně s berlínskými fyziky provedli první úspěšné experimenty: „Díky nejnovějším měřením se nám podařilo dosáhnout experimentálního průlomu v účinnosti generování iontových paprsků i v distribuci energie urychlených částic.“

Laserové pulzy s vysokou intenzitou

Vědci vytvářejí ionty o vysoké energii ozářením diamantových uhlíkových filmů pomocí laserových pulzů o vysoké intenzitě. Silné elektrické pole v laserovém ohnisku rozděluje atomy filmu na elektrony a ionty a vytváří tak plazmu. Obrovská intenzita laseru - asi 100 bilionů silnější než průměrná intenzita slunečního záření - silně zahřívá lehčí elektrony a odděluje je v rozšiřujícím se oblaku od stagnujících, protože mnohem těžší ionty.

Vytvoří se pole zachycení náboje obrovské síly a zrychlí ionty na asi jednu desetinu rychlosti světla. Dosud vytvořené iontové paprsky však měly široké energetické spektrum, zatímco lékařské použití vyžaduje přesně definovanou energii částic, aby bylo možné přesně řídit hloubku penetrace a distribuci dávky.

Polarizace laseru se změnila z lineárního na kruhový

Mnichovští fyzici nyní experimentálně poprvé demonstrovali proces zrychlení, který umožňuje všem iontům létat stejnou rychlostí. Změnili polarizaci laseru z lineárního na kruhový a snížili tloušťku laserem ozářených diamantových uhlíkových filmů na několik nanometrů - nedochází tak k nekontrolovanému zahřívání částic.

Místo toho laserové světlo nyní tlačí elektrony kolektivně v nanometrové tenké vrstvě dopředu a táhne s ním uhlíkové ionty. Celý film je poháněn jako plachta světelným tlakem laseru, což je mechanismus, který teoretici dlouho předpovídali.

Cenově výhodnější generace uhlíkových paprsků

Výsledky podle vědců připravují cestu pro nákladově efektivnější výrobu slibných uhlíkových paprsků. Další výzvou pro fyziky je další zvýšení energie iontového záření. Pro účinnou radioterapii je stále nedostačující, ionty neproniknou dostatečně hluboko do těla.

Habs s potěšením oznamuje: „Jen za několik měsíců začneme naši biomedicínskou paprskovou linii v Institutu Maxa Plancka pro kvantovou optiku zde v Garchingu s prvním ozářením jednotlivých buněk a současně dále zlepšujeme parametry iontového paprsku.“

(idw - Mnichovské centrum pro pokročilé fotoniky (MAP), 14.12.2009 - DLO)