Kei Nakamura、Antoine Snijders 和 Lieselotte Obst-Huebl(左起)在 BELLA 激光设施中，在质子束路径中校准含有人体细胞的墨盒。这种设置可以测量激光驱动质子的生物效应。
乙劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的生物学家和物理学家联手利用激光产生的质子束为癌症治疗创造了新的机会。
正在进行的项目旨在调整激光驱动离子加速器的新兴技术——它们听起来很酷——使患者更容易获得更有效的放射治疗类型。
“质子治疗中心是大型且昂贵的设施，因此它们在世界范围内受到限制，”共同主要作者、生物系统与工程 (BSE) 部门的癌症研究员和高级科学家 Antoine Snijders 说。“目前，全球范围内的地理分布和获得质子治疗的机会有限。获得更广泛的访问权限并可能降低成本的方法是降低这些类型设施的成本和占地面积。这意味着我们需要更紧凑的离子源用于质子加速器。”
科学家们还在研究使用这些加速器在极短的暴露时间内以超高剂量提供质子束放射治疗的潜在好处——一种称为 FLASH 放射治疗的技术。尽管该方法目前仍处于试验阶段，但 FLASH 放疗可能会改变放射肿瘤学的前景。Snijders 补充说：“如果我们的工作也可以为患者带来 FLASH 放射治疗，它可能是两全其美的。”
Snijders 和伯克利实验室 BSE 部门的几位同事正在与伯克利实验室激光加速器 (BELLA) 中心的研究人员合作，该中心是世界上最先进的基于激光的加速器之一。互惠互利的配对为 BELLA 科学家提供了一个真实世界的应用程序，可以围绕该应用程序改进他们的实验激光平台，并让生物学家有机会测试活组织如何以 FLASH 剂量率对激光驱动 (LD) 质子束作出反应。
早期的发现让每个人都兴奋不已。在《科学报告》上发表的一篇论文中，该团队分享了他们对正常人体细胞和肿瘤细胞进行的原理验证实验的结果。这项工作首次表明 LD 加速器可以提供 FLASH 剂量，并证明这些恰当命名的辐射爆发导致正常细胞的存活率高于癌细胞。
放射治疗主要有两种类型：基于光子的和基于离子的。基于光子的疗法使用 X 射线或伽马射线频率范围内的聚焦电磁辐射束来杀死肿瘤内的癌细胞。不利的一面是，基于光子的疗法还会损害光束路径中肿瘤前后的健康组织。像质子这样的加速离子表现不同。它们在路径开始时将少量能量沉积在遇到的物质中，并在结束时释放出非常高的能量，就在完全停止之前。这种现象使科学家能够绘制出精确的光束路径，向肿瘤提供大辐射剂量，同时对前方组织的损害最小，对后方组织没有损害。
在质子照射之前，将含有在超薄聚酯薄膜(左)上培养的人体细胞的药筒放置在药筒插入器(右)上。(来源：雷神斯威夫特/伯克利实验室)
由于有多种粒子可以向肿瘤传递辐射，因此也有许多不同的方法可以解析出能量。自 1960 年代以来，FLASH 放射治疗的快速而艰难的范例一直吸引着放射生物学家，当时基于实验室的实验表明，与使用更长、更低能量的治疗相比，FLASH 剂量率可以杀死癌细胞，同时保留更大比例的健康组织剂量。然而，该方法尚未得到广泛认可。
即使使用传统的加速器，产生精确和一致的 FLASH 放射治疗剂量率也是一项挑战。“如果您在纳秒内(十亿分之一秒)提供剂量，您如何准确地提供剂量?” 斯尼德斯解释道。“这就是挑战，因为出现问题的速度可能比我们纠正它的速度更快。”
随着技术的进步，过去几年已经进行了少量的动物试验，在欧洲进行的单次 FLASH 放射治疗人体临床试验证明了在消除癌性皮肤病变的同时保留正常皮肤的有效性。但研究人员仍然不了解这些令人印象深刻的观察背后的生物学机制。因此，可以理解的是，在我们了解更多信息之前，一些肿瘤学家不愿在人类身上尝试 FLASH 剂量。根据团队成员和著名放射生物学家埃莉诺·布莱克利的说法她说，这种谨慎来自对该领域“在评估急性和长期影响时需要谨慎谨慎，以及在对人类患者使用新的放射方式之前遵守放射安全要求”的自我意识。医生和研究人员“非常痛苦，因为他们不想拖延，如果这真的是非常不同的事情，以至于它可以彻底改变整个癌症治疗领域。然而，即使在今天，我们也不完全了解它是如何工作的，因为传统放射疗法每天都在挽救生命。”
目前，在医疗中心进行的离子束和光子束放射疗法均由传统的射频加速器提供动力，该加速器使用电磁场和强磁铁加速带电粒子通过直线或圆形真空室。回旋加速器(由伯克利实验室的创始人发明)和世界上最大和最强大的现代加速器(欧洲核子研究中心的大型强子对撞机)都是射频加速器的例子。
伯克利实验室加速器技术主任卡梅伦·格德斯说：“激光驱动的加速器在比传统系统小得多的空间内提供加速，并产生短而强的脉冲，这为医学和其他应用创造了新的机会，此外它们还有望研究基础物理学。” & 应用物理部，贝拉中心的所在地。
激光驱动的质子加速器通过将高能激光指向薄箔来工作，从而在真空室内产生一个微小的等离子体区域——一种原子被剥夺电子的物质状态。“在那个等离子体中，强电场在几微米(百万分之一米)的距离内加速质子和离子。作为参考，人类头发的宽度是几十微米，”作者、加速器技术和应用物理部 BELLA 中心的研究科学家Lieselotte Obst-Huebl说。
相比之下，射频加速器需要大量的基础设施和光束传输系统来产生足够快的带电粒子以进行放射治疗。（阅读有关激光驱动质子加速器如何工作的更多信息）
在治疗中心能够购买紧凑型激光加速器来为质子治疗提供动力之前，这项技术还有很长的路要走。“我想说，它仍处于起步阶段，但技术正在迅速发展，”贝拉中心实验副主任、新论文的作者 Kei Nakamura 解释说。他说， BELLA 中心最初的资金只用于开发电子加速器，而建造质子加速器的工作直到 2015 年才开始。合作项目始于 2018 年，当时 Blakely 偶然与 BELLA 中心的科学家建立了联系。“我们的目标非常一致，”Nakamura 说。“我们希望有一个应用程序可以在实验室中工作，而医疗应用程序对社会有很大的影响，所以我们很高兴能够进行这种合作。”
到目前为止，从激光撞击箔产生质子束的点到与细胞接触的点(包含在定制的金属和聚酯薄膜培养室中)的距离只有两米。但是产生激光的系统非常大——它占据了 BELLA 中心的整个房间。幸运的是，激光系统不必紧挨着治疗区域，这是射频加速器在医疗环境中的限制。
Nakamura 表示，过去二十年的研究证明，LD 离子源有可能比 RF 离子源更紧凑、成本更低。他说，BELLA 的激光器在过去 15 年中不断缩小，而这项技术每天都在不断改进。
他们的第一项研究刚刚取得成功，合作已经深入到第二阶段。BELLA 团队目前正在开发新的瞄准技术，将激光聚焦到更高的强度，进而产生更高能量的质子。现有的聚焦系统产生的光束仅足以将 FLASH 放射治疗传送到在非常薄的薄片中培养的细胞。当这种称为 iP2的升级完成时，更高的离子束能量将足够强大，可以更深入地穿透活组织。Snijders 和该论文的共同作者、资深科学家毛建华随后将评估光束在动物模型上的安全性和治疗效果，首先是在表面组织上，然后是内部肿瘤。
“我们目前所做的工作对于我们理解 FLASH 放射治疗在物理、化学和生物水平上的重要性至关重要，”Blakely 说。“在伯克利实验室，我们有能力测试所有三个水平，这可以为全球改善治疗的努力做出很大贡献。”
物理学家欧内斯特·劳伦斯于 1929 年发明了回旋加速器，并于 1931 年创立了伯克利实验室以继续他的工作。他的兄弟约翰劳伦斯医生和他一起来到伯克利，研究欧内斯特的回旋加速器产生的放射性粒子的生物学效应和潜在益处。1939 年，约翰领导了世界上第一个放射束癌症治疗的团队。在随后的几十年里，他的实验室继续率先使用辐射用于缩小肿瘤和治疗非癌性疾病，并开发了基于放射性同位素的医学成像技术，最终导致了 PET(正电子发射断层扫描)扫描和其他技术。约翰劳伦斯还领导了关于辐射暴露对健康细胞影响的研究。这项研究帮助美国宇航局了解将宇航员送入太空进行长期任务的风险。最近这篇论文的作者埃莉诺·布莱克利 (Eleanor Blakely) 在 1970 年代加入了劳伦斯的团队，并参与了这些开创性的研究。
本文涵盖了由伯克利实验室的实验室指导研究与开发计划和能源部 (DOE) 科学办公室高能物理计划资助的工作。iP2 升级由 DOE 的 Fusion Energy Sciences 计划资助。完成后，iP2 将成为 LaserNet US 的一部分，这是一个先进的激光科学研究设施网络。
劳伦斯伯克利国家实验室 ( Lawrence Berkeley National Laboratory ) 及其科学家于 1931 年成立，其信念是最好的团队解决最大的科学挑战， 已获得 14 项诺贝尔奖。今天，伯克利实验室的研究人员开发可持续能源和环境解决方案，创造有用的新材料，推进计算前沿，探索生命、物质和宇宙的奥秘。来自世界各地的科学家依靠实验室的设施进行他们自己的发现科学。伯克利实验室是一个多项目国家实验室，由加利福尼亚大学为美国能源部科学办公室管理。
美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。
