לאחרונה, חוקרים מאוניברסיטת קוויבק ערכו ניסוי מוצלח במעבדה מתקדמת למקור אור לייזר במועצת המחקר הלאומית של קנדה (INRS), והדגימו את השימוש המבטיח בטכנולוגיית לייזר אולטרה-מהירה לטיפול בקרינה בסרטן.
"הוכחנו לראשונה שבתנאים מסוימים, קרן לייזר הממוקדת בחוזקה באוויר הסביבה יכולה להאיץ אלקטרונים לתחום האנרגיה MeV (מגה-אלקטרון וולט), שהיא אותה אנרגיה כמו חלק מהרדיאטורים המשמשים בקרינה סרטנית. תֶרַפּיָה." אמר פרנואיס לגארה, פרופסור ל-INRS ומנהיג מדעי של מעבדת מקורות האור המתקדמים (ALLS).
על ידי מיקוד הדוק של מספר מחזורים של לייזר אינפרא אדום (IR), ברמת מילי-ג'אול (mJ), החוקרים מייצרים קרני אלקטרונים יחסיות באוויר הסביבה ומשיגים שיעורי מינון גבוהים של עד 0.15 אפור לשנייה (Gy/s). בלחץ אטמוספרי, עוצמת הלייזר שלהם הגיעה ל-1 × 1019 וואט לסנטימטר רבוע (W/cm-2). הצוות מדד את אלומת האלקטרונים שהתקבלה ומצא שיש לה אנרגיה מקסימלית של עד 1.4 MeV.
הצוות הראה כיצד המיקוד ההדוק של הלייזר, אורך הגל הארוך ומשך הדופק הקצר של הלייזר משתלבים כדי להגביל את ההשפעה של שילוב b על קרן הלייזר הממוקדת. מספיקה הצפיפות הגבוהה של מולקולות האוויר בנפח המוקד הניתן ליצירת פלזמה הקרובה לצפיפות הקריטית, המספקת יעילות המרה גבוהה מלייזרים לאלקטרונים. באמצעות הדמיות תלת מימדיות של חלקיקים בתא, החוקרים אישרו שמנגנון התאוצה מבוסס באופן יחסי, בעל פוטנציאל תנועה מסה, והוא תואם באופן תיאורטי לאנרגיות האלקטרונים הנמדדות ולפיזור.
סכמטי של מערך הניסוי: פולסים של אור לייזר אינפרא אדום קצר במיוחד ממוקדים היטב באוויר שמסביב, ומייצרים מינון גבוה של קרינה מייננת.
החוקרים מאמינים שכוחו של מקור האלקטרונים המונע בלייזר נובע מפשטותו. אופטיקה אחת ממוקדת באוויר שמסביב יכולה לייצר אלומת אלקטרונים המספקת מנת קרינה של שנה לאדם שעומד במרחק מטר אחד בפחות משנייה. אין צורך בהגדרות מסובכות או בתאי ואקום, מה שהופך שיטה זו למתאימה ליישומי קרינה רבים על ידי הפחתת הדרישות לייצור מקורות אלקטרונים MeV מהירים במיוחד.
ההתקדמות בטכנולוגיית הלייזר אפשרה להאצת שדה ערות בלייזר - תהליך המאיץ אלקטרונים לאנרגיות גבוהות בפרק זמן קצר מאוד על ידי יצירת פלזמה - לעבוד באינפרא אדום באמצע עם מערכות מסוג mJ כדי לייצר שטפי חלקיקים גבוהים של אלקטרונים MeV שניתן להשתמש בהם במחקר רדיוביולוגיה. עם זאת, מקורות אלקטרונים מונעי לייזר עתירי אנרגיה אלו דורשים התקנות מורכבות ומגושמות בתאי ואקום, אשר מגבילים את הגישה אל האלומה.
מקורות אלקטרונים MeV המונעים על ידי לייזר יכולים לספק גישות חדשות לטיפול בסרטן, כגון טיפול בקרינה FLASH, שיטה לטיפול בגידולים עמידים לטיפול בקרינה קונבנציונלית. עם טיפול ב-FLASH, ניתן לספק מינונים גבוהים של קרינה תוך מיקרו-שניות במקום דקות. מהירות מסירה זו מסייעת להגן על הרקמה הבריאה המקיפה את הגידול מפני השפעות הקרינה. למרות שההשפעות של FLASH אינן מובנות במלואן, מדענים מאמינים ש-FLASH עלול לגרום לשחרור מהיר של רקמה בריאה, ולהפחית את רגישות הרקמה לקרינה.
קצב מינון הקרינה שנמדד (סולם לוגריתמי) כפונקציה של המרחק מנקודת המוקד עבור שלוש אנרגיות פולס לייזר שונות.
"אף מחקר לא הצליח עדיין להסביר את אופי אפקט הבזק", אמר החוקר סיימון ואליירס, "עם זאת, למקור האלקטרונים המשמש בטיפול בקרינה FLASH יש מאפיינים דומים לזו שאנו מייצרים על ידי מיקוד אינטנסיבי של הלייזר באוויר הסביבה. ברגע שמקורות הקרינה נשלטים טוב יותר, מחקרים נוספים יאפשרו לנו לחקור את הגורמים להשפעת הבזק ובסופו של דבר לספק טיפול קרינתי טוב יותר לחולי סרטן".
החוקרים מאמינים כי המדרגיות של הגישה שלהם תגדל עם המשך הפיתוח של לייזרים בהספק ממוצע גבוה במחלקת mJ. הפיתוח המהיר של מקורות לייזר, המכוונים לאנרגיות דופק זמינות מוגברות וקצבי חזרות, עשוי לאפשר להרחיב את טכניקת ה-INRS לאנרגיות אלקטרונים גבוהות יותר ולקצבי מינון גדולים יותר.
החוקרים הדגישו גם את חשיבות הבטיחות כאשר מתמודדים עם קרני לייזר הממוקדות היטב באוויר שמסביב. כאשר בוצעו מדידות בקרבת מקור הקרינה, הצוות צפה בשיעורי מינון קרינה מאלקטרונים שהיו גבוהים פי שלושה עד ארבעה מאלה המשמשים בטיפול קרינה קונבנציונלי.
"האנרגיה הנצפית של האלקטרונים (MeV) מאפשרת להם לנוע יותר מ-3 מטרים באוויר או כמה מילימטרים מתחת לעור", אמר Vallières, "מה שמהווה סיכון לחשיפה לקרינה למשתמשים במקור האור הלייזר. גילוי סכנת קרינה זו היא הזדמנות ליישם שיטות בטוחות יותר במעבדה".
