Imagen: Distribución lateral de una dosis de radiación en la posición de la muestra de células, medidas con película radiochromic. La escala de color está un unidades grises en la barra de escala horizontal y es de un mm. Crédito: Applied Physics Lettgers 101 243 701 copyright 2012 Instituto Americano de Física.
Un
acelerador de protones de sobremesa para ser utilizado en tratamientos médicos
podría ser un paso más cerca logrado gracias al trabajo realizado por los
físicos en Alemania. El sistema
del equipo se basa en un compacto de Ti: zafiro láser, que dispara pulsos
ultracortos de luz en una hoja de diamante para producir racimos de protones
con energías de alrededor de 5 MeV.
El equipo ha demostrado que su dispositivo proporciona dosis de
radiación a las células biológicas que son similares a los creados por dosis
mucho más grandes convencionales de terapia de protones sistemas. Los investigadores dicen que la
técnica también podría ser utilizada para estudiar los procesos ultrarrápidos
en la biología y la química.
Entrega exacta
-
Los protones y otros iones más pesados como el carbono - tienen gran potencial para la terapia de
radiación, porque cuando dispararon al tejido vivo, depositan la mayor
parte de su energía a una profundidad muy específica que depende de su energía
inicial. Esto hace la diferencia con
los rayos X y electrones, que tienden a depositar energía en regiones mucho más
grandes del tejido. Como
resultado, los protones pueden ser utilizados para destruir tumores, dejando
el tejido sano circundante ileso.
La
desventaja de la terapia de protones es que requiere el uso de un gran y
costoso acelerador y solamente se puede hacer en alrededor de 30 instalaciones
en todo el mundo.
Con
el objetivo de ofrecer la terapia de protones a más personas, físicos médicos
están estudiando cómo los láseres compactos se podrían utilizar para crear
pequeñas y menos costosas fuentes de protones. La idea básica es disparar pulsos
cortos de un intenso láser a un blanco fino, que libera protones o iones y los
acelera a través de distancias tan pequeñas como unos pocos micrómetros. Los
investigadores ya han demostrado láseres con velocidades en femtosegundos con
energías de pulso en joules, que crearon varios haces de protones con energías
de hasta 40 MeV.
Efectividad biológica
Pero
antes que los láseres impulsados por haces de iones se puedan utilizar en pacientes, es
necesario estudiar cómo los pulsos de protones interaccionan con las células
vivas. Particularmente, los
científicos deben comparar la eficacia de haces de iones ultra-pulsados con el
de vigas continuas de los aceleradores convencionales.
Con
este objetivo, Jan Wilkens, de la Universidad Técnica
de Munich y sus colegas han utilizado una potencia alta láser para generar
racimos de protones en nanosegundos, que ofrecen una dosis en un solo disparo para las células vivas. Esto es equivalente a una tasa de
dosis máxima de 79 Gy / s en un intervalo de 1 ns, y dichas dosis son
suficientes para la terapia de radiación.
Sistema de puesta a punto
Los
investigadores utilizaron el láser ATLAS - a Ti mesa-top: láser de zafiro que
ofrece 30 pulsos Fs - en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, cerca de
Munich. Los pulsos láser con 0,4
J de energía se han centrado en un punto m 3, dando una intensidad máxima de 8
× 1019 W / cm 2 . Este
haz se utilizó para irradiar carbono tipo diamante (DLC) mediante hojas con espesores de 20 y 40 nm.
"El nanómetro frustra habilitado
cien veces mayor [protones] luminosidad en comparación con [Estándar] micrones
de espesor objetivos", explica Jörg Schreiber, de la Universidad
Ludwig-Maximilian de Munich, que fue uno de los equipos. "Hemos
sido pioneros en la aplicación de láminas DLC nanómetros y que ha dado sus
frutos."
La
línea de luz incluye una lente magnético cuadripolar doble en miniatura insertado
detrás de la lámina de DLC para enfocar
los protones a una distancia de 1,2
m . Una
abertura circular se coloca 810
mm de la diana, en frente de un imán dipolo que desvía
los protones hacia abajo. Esto
evita la irradiación de las células por los rayos X se crean cuando el pulso de
láser choca contra el objetivo. La línea de luz se evacua y para irradiar
células vivas, el manojo de protones deja el vacío a través de una ventana de
Kapton y entra en un soporte de celda personalizado.
Irradiar las células cancerosas
Los
investigadores expusieron a una sola capa de células humanas de cáncer de
cuello uterino a los protones generados en un solo disparo. La distribución de la dosis resultante
se midió usando película radiochromic detrás de las celdas. Una rejilla microestructurada en el
soporte de la celda activa el registro de la distribución de la dosis con una
incertidumbre espacial de 21 m . El equipo confirmó que las células
fueron dañadas por los protones usando un ensayo químico que detecta la
presencia de hebras rotas de ADN.
Usando
estos datos, el equipo calculó la eficacia biológica relativa (RBE) de la dosis
y pareció ser similar a la de los haces de protones a energías convencionales
comparables.
Los
investigadores dicen que este trabajo demuestra el potencial de los pequeños y
de la alta frecuencia de repetición de los láseres para la creación de protones
con intensos impulsos que son casi monoenergéticos y contienen cantidades
relativamente pequeñas de radiación de fondo.
Más allá de la terapia de protones, los investigadores dicen que la fuente de protones podría usarse para la ciencia básica: "El rayo láser impulsado podría tener un impacto como herramienta en rápidos procesos biológicos o químicos de especial interés es la disponibilidad de otro láser sincronizados temporalmente de motor. fuentes para llevar a cabo experimentos de la bomba de la sonda ", señalan.
El
equipo ahora está tratando de crear haces de iones con energías más altas. "Esto
requiere láseres más potentes, que se están construyendo actualmente en nuestro
laboratorio y en otros lugares" explican Wilkens y Schreiber. La
investigación fue publicada en AppliedPhysics Letters .
Fuente: Physics World – Tami Freeman autor
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Sobre el autor
Tami Freeman es editor
de medicalphysicsweb
