Ionenstralen worden tegenwoordig vaak gebruikt bij de behandeling van kanker:hierbij worden elektrisch geladen atomen op de tumor afgevuurd om kankercellen te vernietigen. Hoewel, het zijn eigenlijk niet de ionen zelf die de beslissende schade veroorzaken. Wanneer ionen door vast materiaal dringen, ze kunnen een deel van hun energie delen met veel individuele elektronen, die vervolgens met relatief lage snelheid blijven bewegen - en het zijn precies deze elektronen die vervolgens het DNA van de kankercellen vernietigen.

Dit mechanisme is complex en wordt nog niet volledig begrepen. Onderzoekers van de TU Wien hebben nu kunnen aantonen dat een voorheen weinig waargenomen effect in deze context een cruciale rol speelt:dankzij een proces dat interatomair Coulombisch verval wordt genoemd, een ion kan extra energie doorgeven aan omringende atomen. Dit maakt een enorm aantal elektronen vrij, met precies de juiste hoeveelheid energie om het DNA van de kankercellen optimaal te beschadigen. Om de specifieke effectiviteit van ionentherapie te begrijpen en verder te verbeteren, met dit mechanisme moet absoluut rekening worden gehouden. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in de vakpublicatie Journal of Physical Chemistry Letters .

Eén snel deeltje – of heel veel langzame

Wanneer een geladen deeltje met grote snelheid een materiaal binnendringt - zoals menselijk weefsel - laat het een gigantische atomaire puinhoop achter:"Dit kan een hele cascade van effecten veroorzaken, " zegt Janine Schwestka, hoofdauteur van de recente publicatie, die momenteel aan haar proefschrift werkt in het team onder leiding van Prof. Friedrich Aumayr en Dr. Richard Wilhelm. Wanneer het ion door andere atomen beweegt, deze en andere deeltjes kunnen geïoniseerd raken, snelle elektronen vliegen rond en botsen dan met andere deeltjes. uiteindelijk, een snelle, geladen ionen kunnen een deeltjesregen veroorzaken van honderden elektronen met elk een veel lagere energie.

In het dagelijkse leven, we zijn gewend aan snelle objecten die meer dramatische effecten hebben dan langzamere - een voetbal die met volle kracht wordt geschopt, veroorzaakt veel meer schade in een porseleinkast dan een die voorzichtig naar binnen wordt gerold. Op atomair niveau, echter, dit is niet van toepassing:"De kans dat een langzaam elektron een DNA-streng vernietigt, is veel groter. een extreem snel elektron vliegt normaal gesproken gewoon langs het DNA-molecuul zonder een spoor achter te laten, " legt Janine Schwestka uit.

Van de ene elektronenschil naar de andere

Het team van TU Wien heeft onlangs een heel bijzonder effect onder de loep genomen, namelijk interatomair Coulombisch verval. "De elektronen van het ion kunnen verschillende toestanden aannemen. Afhankelijk van hoeveel energie ze hebben, ze kunnen zich in een van de binnenschalen bevinden, dicht bij de kern, of in een buitenste schil, ", zegt Janine Schwestka. Niet alle mogelijke elektronenruimten zijn bezet. Als een elektronenschil in het middelste energiebereik vrij is, een elektron kan dan vanuit een schil met hogere energie naar daar oversteken. Hierdoor komt energie vrij, die vervolgens via interatomair coulombisch verval aan het materiaal kan worden doorgegeven:"Het ion draagt ​​deze energie tegelijkertijd over aan meerdere atomen in de directe omgeving. Van elk van deze atomen wordt één elektron losgemaakt, maar omdat de energie over meerdere atomen wordt verdeeld, kunnen we hebben het over heel veel langzame elektronen, ", legt Schwestka uit.

Xenon en grafeen

Met behulp van een ingenieuze experimentele opstelling, het is nu mogelijk geweest om de werkzaamheid van dit proces te bewijzen. Vermenigvuldigd geladen xenon-ionen worden op een grafeenlaag geschoten. Elektronen van de buitenste xenon-schillen schakelen over naar een positie in een andere schil met minder energie, waardoor elektronen worden losgemaakt van talrijke koolstofatomen in de grafeenlaag, die vervolgens worden geregistreerd door een detector, om hun energie te meten. "In feite, op deze manier, we konden aantonen dat interatomair Coulomb-verval een cruciale rol speelt bij het genereren van een groot aantal vrije elektronen in het materiaal, " zegt prof. Friedrich Aumayr.

Om de interactie van ionenbundels met vaste materialen of organische weefsels correct te beschrijven, met dit effect moet absoluut rekening worden gehouden. Dit is belangrijk, aan de ene kant, voor het optimaliseren van ionenbundeltherapieën voor de behandeling van kanker, maar ook voor andere belangrijke gebieden, zoals het beschermen van de gezondheid van ruimtestationbemanningen, waar je wordt blootgesteld aan een constant deeltjesbombardement van kosmische straling.