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为解决传统放疗局限及探索新剂量沉积模式问题，研究人员开展激光驱动质子源用于 FLASH 放射生物学研究。结果显示可实现单脉冲高剂量超高速照射，有降低氧化应激等效果，为放疗发展提供新方向。
在癌症治疗的版图中，放射治疗一直占据着举足轻重的地位。长久以来，X 射线是放疗的主力军，但随着医学研究的深入，人们逐渐发现，其他类型的辐射，比如质子，有着独特的优势。质子的远端剂量下降迅速，近端剂量较低，这意味着它能更精准地打击肿瘤细胞，减少对健康组织的伤害。激光驱动质子源作为一种新兴的技术，因其紧凑、多功能等特点，被视为传统加速器的有力替代者，在放疗领域展现出巨大的潜力。
然而，目前激光驱动质子源在医学应用上还面临诸多挑战。现有激光技术和加速策略提供的动能不足，无法完全满足临床需求。而且，以往研究中多采用 “快分次” 照射模式，即通过多个超短剂量分次来累积目标剂量，这种模式下总照射时间较长，限制了其应用。此外，剂量率和剂量沉积的时间模式对电离辐射生物学和生理学效应的影响尚不明确，这也成为阻碍放疗技术进一步发展的难题。
为了突破这些困境，来自法国巴黎综合理工学院（école Polytechnique）等多个研究机构的科研人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为放疗领域带来了新的曙光。
在这项研究中，科研人员运用了多种关键技术方法。首先是激光驱动质子加速技术，通过皮秒激光（pico2000 激光系统）聚焦照射薄金箔，利用靶法线鞘层加速（TNSA）机制产生质子束。其次，采用了四极杆传输线技术，由两个永磁四极杆和可变厚度散射滤波器组成，用于控制质子束的传输、调节剂量分布和沉积剂量。再者，为了准确测量剂量，他们开发了基于蒙特卡罗模拟的单脉冲剂量测定协议，结合放射色胶片（如 EBT-XD）记录剂量分布，并通过复杂的计算和校正来确定实际剂量。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- 源和传输：科研人员在 LULI 实验室利用 pico2000 激光系统进行实验。质子在 TNSA 机制下加速，通过堆叠的 HD810 放射色胶片对粒子源进行表征。传输线设计可将质子传输并整形到远离相互作用点的照射区域，通过调节散射滤波器能改变粒子密度和剂量。例如，在体外照射的剂量递增（DE）配置中，通过移动散射滤波器可改变水样本中的沉积剂量；在体内照射（斑马鱼胚胎，ZF）配置中，特定的散射滤波器位置和厚度可产生更均匀的照射条件。
- 单脉冲照射和剂量测定：实验实现了在不到 10 ns 的时间内，通过单个激光脉冲沉积目标剂量。但由于激光驱动质子源参数的 shot - to - shot 变化大，无法提前确定照射条件，因此开发了自洽的单脉冲剂量测定协议。通过该协议，根据放射色胶片测量的剂量和蒙特卡罗模拟，能够重建质子源的光谱和电荷参数，进而确定生物样本中的剂量。
- 应用于放射生物学：通过多种实验验证了该照射系统的功能和剂量测定协议的有效性。在细胞存活实验中，对 U87 - MG 细胞系进行单脉冲激光加速质子（SP - LAP）照射，结果显示与传统加速质子（CAP）和快分次激光加速质子（FF - LAP）相比，SP - LAP 能有效诱导癌细胞死亡，且 D10 值与其他实验相符。在氧化应激实验中，对比健康的 MRC5 细胞和 U87 - MG 肿瘤细胞，发现 SP - LAP 照射后，肿瘤细胞因氧化应激产生的 DNA 损伤比例更高，这表明 SP - LAP 可能更有效地破坏肿瘤细胞的 DNA。在斑马鱼胚胎实验中，照射后的斑马鱼胚胎体长显著缩短，且与 FLASH 效应的预期相符，验证了激光驱动质子在体内照射的可行性和 FLASH 效应的存在。
研究结论和讨论部分指出，由于强子（质子和碳离子）有利的弹道特性，其在实体肿瘤放疗中具有优势，而激光等离子体技术的发展为研究剂量传递模式提供了新可能。本研究利用高能量 pico2000 激光和 TNSA 加速技术，实现了符合 FLASH 协议要求的照射条件，即通过单个 1 ps 激光脉冲达到 FLASH 条件，质子束持续时间短于 10 ns，剂量率超过 108 Gy s?1 。四极杆传输线的使用可精确控制单质子脉冲内的沉积剂量，通过调整散射滤波器和四极杆，还能产生更均匀的扩展布拉格峰（SOBP），提高了放疗的精准度。同时，研究还发现 SP - LAP 可能在肿瘤细胞中产生更多氧化应激相关的 DNA 损伤，这为理解 FLASH 效应中健康组织保护机制提供了新线索。然而，激光驱动单脉冲 FLASH 也存在局限性，如无法在照射前监测和控制总沉积剂量。总体而言，这项研究为激光驱动质子源在放疗领域的应用奠定了重要基础，为未来放疗技术的发展指明了方向，有望推动放疗技术实现新的突破，为癌症患者带来更有效的治疗方案。
