Protontherapie is een veelbelovende vorm van bestraling die wordt gebruikt om kankercellen te doden en hun snelle reproductie effectief te stoppen. Hoewel deze behandeling ook in verschillende modaliteiten kan worden gegeven (d.w.z. elektronen en röntgenstralen), protonentherapie beperkt schade aan gezond weefsel door energie af te geven in een sterk gelokaliseerd dosisvolume.

Het fundamentele begrip voor protontherapie is vervat in de stralingsgeïnduceerde waterchemie die onmiddellijk na de interactie optreedt. Dit komt omdat maar liefst 66 procent van de straling die in een tumorvolume wordt afgezet, aanvankelijk wordt geabsorbeerd door watermoleculen in de kankercellen. De daaruit voortvloeiende processen zijn dan ook een onderwerp van groot wetenschappelijk belang.

"Het is op die fundamentele niveaus dat de zaden voor de daaropvolgende stralingschemie worden gezaaid, " legde Brendan Dromey uit, de hoofdonderzoeker van dit project en een lezer in het Centre for Plasma Physics aan de Queen's University Belfast. "En van daaruit kunnen we beginnen met het bouwen van modellen op basis van de eerste principes die ons in staat zullen stellen een volledig begrip te krijgen van hoe deze vroege processen uiteindelijk de dood van tumorcellen beïnvloeden."

Wanneer energetische protonen in het water komen, ze kunnen de watermoleculen ioniseren en vrije elektronen genereren. In antwoord, nabijgelegen watermoleculen kunnen zichzelf verschuiven zodat hun positieve kanten naar deze vrijgekomen elektronen zijn gericht en hun negatieve lading afschermen. Daten, methodologie om de vroegste stadia van dit proces te volgen, was gebaseerd op 'indirecte opruimingstechnieken'. Dit, echter, vereist het gebruik van chemische toevoegingen die tegelijkertijd de complexiteit van de waarneming vergroten. De nieuwe aanpak vervangt chemische aaseters voor een experimentele opstelling met verbeterde temporele resolutie.

Dromey en zijn collega's in Zweden, Duitsland en Noord-Ierland beschrijven hun werk deze week in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

"Om een ​​analogie uit de fotografie te gebruiken, de bestaande methodologie had een tijdresolutie die functioneerde als een camera met een lange sluitertijd. Als processen, zoals deze aanvankelijke chemische veranderingen, gingen snel vooruit, de lange sluitertijd betekende dat men de details van de beweging niet zou vastleggen en dat het gegenereerde beeld wazig zou zijn. De nieuwe opzet en werkwijze die we in ons artikel schetsen, werkt als een camera met een snelle sluitertijd. Het stelt ons in staat om snelle chemische evolutie in detail vast te leggen, ' zei Dromey.

"Aangezien onze methodologie geen gebruikmaakt van opruimchemicaliën, we kunnen werken met watermoleculen in een ongerepte, gecontroleerde omgeving. Bovendien, onze techniek heeft een fundamentele tijdresolutie die kleiner is dan één picoseconde of één biljoenste van een seconde. Zelfs als we rekening houden met diagnostiek, de tijdresolutie is minder dan vijf picoseconden. We kunnen nu de stralingschemie volgen die volgt op de initiële ionisatie van watermoleculen terwijl ze zich in realtime ontvouwen, "Dromey zei, wiens onderzoek ook wordt gefinancierd door de Engineering and Physical Sciences Research Council in het VK.

"Twee belangrijke innovaties zijn verantwoordelijk voor deze verbetering. Ten eerste, we gebruiken bursts van protonen die worden versneld door de krachtige TARANIS-laserfaciliteit in Queen's University Belfast. De sub-picoseconde versnelling van een aanvankelijk koude protonenpopulatie maakt het genereren van een ultrasnelle puls met een lage inherente thermische spreiding mogelijk. Tweede, we gebruiken dezelfde laser om zowel de puls van protonen te genereren als de sonde waarmee we de voortgang van de stralingschemie kunnen volgen. Dit elimineert de elektrische jitter die men aantreft in meer traditionele, op radiofrequente holtes gebaseerde systemen, "Zei Dromey. "Dat gezegd hebbende, het is belangrijk op te merken dat er in termen van energiestabiliteit en straalkwaliteit nog aanzienlijke ontwikkeling nodig is voor op laser gebaseerde versnellers om de prestaties van deze machines te evenaren."

Lovisa Senje, een doctoraatsstudent van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Lund en hoofdauteur van het papier, toegevoegd, "De ultrakorte protonpulsen geproduceerd in onze experimentele opstelling, in combinatie met het hoge aantal protonen per puls, leiden tot een unieke mogelijkheid om te bestuderen hoe water reageert op extreme bestraling door protonen. We kunnen zien dat onder deze omstandigheden de processen die volgen op de energiedepositie van protonen in water veranderen."

"Een van de meest interessante dingen die we hebben ontdekt met het voordeel van een betere temporele resolutie, is dat er een vertraging lijkt te zijn in de vorming van de absorptieband van gesolvateerde elektronen na blootstelling aan protonen, Dromey zei. "Dit was verrassend omdat onderzoek uit het verleden suggereert dat je deze vertraging meestal niet ziet wanneer je watermoleculen blootstelt aan röntgenstralen of elektronen. Ons toekomstige werk zal zich richten op het systematisch verder onderzoeken van deze vertraging."