Protonterapi är en lovande form av strålbehandling som används för att döda cancerceller och effektivt stoppa deras snabba reproduktion. Även om denna behandling också kan levereras i olika modaliteter (d.v.s. elektroner och röntgenstrålar), protonterapi begränsar skador på frisk vävnad genom att deponera energi i en mycket lokal dosvolym.

Den grundläggande förståelsen för protonterapi finns i den strålningsinducerade vattenkemin som inträffar omedelbart efter interaktionen. Det beror på att så mycket som 66 procent av den strålning som deponeras i en tumörvolym till en början absorberas av vattenmolekyler i cancercellerna. De efterföljande processerna är därför ett ämne av stort vetenskapligt intresse.

"Det är på de grundläggande nivåerna som fröna för den efterföljande strålningskemin sås, " förklarade Brendan Dromey, den ledande forskaren i detta projekt och en läsare i Center for Plasma Physics vid Queen's University Belfast. "Och det är därifrån vi kan börja bygga modeller från första principer som gör att vi kan få en full förståelse för hur dessa tidiga processer i slutändan påverkar tumörcellsdöd."

När energiska protoner kommer in i vatten, de kan jonisera vattenmolekylerna och generera fria elektroner. Som svar, närliggande vattenmolekyler kan förskjuta sig själva så att deras positiva sidor orienterar mot dessa frigjorda elektroner och skyddar deras negativa laddning. Hittills, metodik för att övervaka de tidigaste stadierna av denna process förlitade sig på "indirekta rensningstekniker". Detta, dock, kräver användning av kemiska tillsatser som samtidigt ökar komplexiteten i observationen. Det nya tillvägagångssättet ersätter kemiska rensare för en experimentell uppställning med förbättrad tidsupplösning.

Dromey och hans kollegor i Sverige, Tyskland och Nordirland beskriver sitt arbete den här veckan i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

"För att använda en analogi från fotografi, den befintliga metoden hade en tidsupplösning som fungerade som en kamera med långsam slutartid. Om processer, såsom dessa initiala kemiska förändringar, gick snabbt framåt, den långsamma slutartiden gjorde att man inte skulle fånga detaljerna i rörelsen och bilden som genererades skulle bli suddig. Den nya uppställningen och metodiken som vi beskriver i vår artikel fungerar som en kamera med snabb slutartid. Det tillåter oss att fånga snabb kemisk utveckling i detalj, " sa Dromey.

"Eftersom vår metod inte använder reningskemikalier, vi kan arbeta med vattenmolekyler i en orörd, kontrollerad miljö. Dessutom, vår teknik har en grundläggande tidsupplösning som är mindre än en pikosekund eller en biljondels sekund. Även när vi tar hänsyn till diagnostik, tidsupplösningen är mindre än fem pikosekunder. Vi kan nu spåra strålningskemin som följer den initiala joniseringen av vattenmolekyler när de utvecklas i realtid, Dromey sa, vars forskning också finansieras av Engineering and Physical Sciences Research Council i U.K.

"Två stora innovationer står för denna förbättring. För det första, vi använder skurar av protoner som accelereras av TARANIS-laseranläggningen med hög effekt i Queen's University Belfast. Accelerationen under pikosekunder av en initialt kall protonpopulation tillåter generering av en ultrasnabb puls med låg inneboende termisk spridning. Andra, vi använder samma laser för att generera både pulsen av protoner och sonden som gör att vi kan spåra framstegen i strålningskemin. Detta eliminerar det elektriska jitter som man hittar i mer traditionella, radiofrekvenskavitetsbaserade system, " sa Dromey. "Det sa, Det är viktigt att notera att när det gäller energistabilitet och strålkvalitet finns det fortfarande en betydande utveckling som krävs för att laserbaserade acceleratorer ska matcha dessa maskiners prestanda."

Lovisa Senje, en doktorand från Fysiska institutionen vid Lunds universitet och huvudförfattare på tidningen, Lagt till, "De ultrakorta protonpulserna som produceras i vår experimentuppställning, i kombination med det höga antalet protoner per puls, leda till en unik möjlighet att studera hur vatten reagerar på extrem bestrålning från protoner. Vi kan faktiskt se att under dessa förhållanden förändras processerna efter energiavsättning av protoner i vatten."

"En av de mest intressanta sakerna som vi har upptäckt med fördelen av bättre tidsupplösning är att det verkar finnas en fördröjning i bildandet av absorptionsbandet för solvatiserade elektroner efter exponering för protoner, Dromey sa. "Detta var överraskande eftersom tidigare forskning tyder på att du vanligtvis inte ser denna fördröjning när du exponerar vattenmolekyler för röntgenstrålar eller elektroner. Vårt framtida arbete kommer att fokusera på att systematiskt utforska denna försening ytterligare."