Recentemente, pesquisadores da Universidade de Quebec conduziram um experimento bem-sucedido no Laboratório Avançado de Fonte de Luz Laser do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá (INRS), demonstrando o uso promissor da tecnologia laser ultrarrápida para radioterapia contra o câncer.
"Demonstramos pela primeira vez que, sob certas condições, um feixe de laser fortemente focado no ar ambiente pode acelerar elétrons até a faixa de energia MeV (mega-elétron-volt), que é a mesma energia de alguns dos radiadores usados na radiação do câncer. terapia." disse François Légaré, professor do INRS e líder científico do Laboratório de Fontes de Luz Avançadas (ALLS).
Ao focar firmemente vários ciclos de laser infravermelho (IR) de nível de milijoule (mJ), femtosegundo (fs), os pesquisadores geram feixes de elétrons relativísticos no ar ambiente e alcançam altas taxas de dose de até 0.15 Gray por segundo (Gy/s). À pressão atmosférica, a intensidade do laser atingiu 1 × 1019 watts por centímetro quadrado (W/cm-2). A equipe mediu o feixe de elétrons resultante e descobriu que ele tinha uma energia máxima de até 1,4 MeV.
A equipe mostrou como o foco estreito do laser, o comprimento de onda longo e a duração do pulso de ciclo curto se combinam para limitar o efeito da integração b no feixe de laser focado. A alta densidade de moléculas de ar no volume focal ionizável é suficiente para formar um plasma próximo à densidade crítica, o que proporciona uma alta eficiência de conversão de lasers em elétrons. Através de simulações tridimensionais de partículas na célula, os pesquisadores confirmaram que o mecanismo de aceleração é baseado relativisticamente, tem um potencial de movimento de massa e é teoricamente consistente com as energias e dispersão dos elétrons medidas.
Esquema da configuração experimental: pulsos de luz laser infravermelha ultracurta são fortemente focados no ar circundante, produzindo uma alta dose de radiação ionizante.
Os pesquisadores acreditam que a força desta fonte de elétrons acionada por laser decorre de sua simplicidade. Uma única óptica focada no ar circundante pode produzir um feixe de elétrons que fornece uma dose de radiação equivalente a um ano a uma pessoa que esteja a um metro de distância em menos de um segundo. Não são necessárias configurações complicadas ou câmaras de vácuo, tornando este método adequado para muitas aplicações de irradiação, reduzindo os requisitos para a produção de fontes de elétrons MeV ultrarrápidas.
Os avanços na tecnologia laser permitiram que a aceleração do campo de esteira do laser - um processo que acelera elétrons a altas energias em um período muito curto de tempo, gerando plasma - funcionasse no infravermelho médio com sistemas da classe mJ para produzir altos fluxos de partículas de elétrons MeV. que pode ser usado em pesquisas de radiobiologia. No entanto, estas fontes de elétrons acionadas por laser de alta energia requerem instalações complexas e volumosas em câmaras de vácuo, que limitam o acesso ao feixe.
Fontes de elétrons MeV acionadas por laser poderiam fornecer novas abordagens para o tratamento do câncer, como a radioterapia FLASH, um método de tratamento de tumores resistentes à radioterapia convencional. Com a terapia FLASH, altas doses de radiação podem ser administradas em microssegundos em vez de minutos. Esta velocidade de entrega ajuda a proteger o tecido saudável que envolve o tumor dos efeitos da radiação. Embora os efeitos do FLASH não sejam totalmente compreendidos, os cientistas acreditam que o FLASH pode causar desoxigenação rápida de tecidos saudáveis, reduzindo a sensibilidade do tecido à radiação.
Taxa de dose de radiação medida (escala logarítmica) em função da distância do ponto focal para três diferentes energias de pulso de laser.
"Nenhum estudo ainda foi capaz de explicar a natureza do efeito flash", disse o pesquisador Simon Vallières, "No entanto, a fonte de elétrons usada na radioterapia FLASH tem características semelhantes àquela que geramos ao focar intensamente o laser no ar ambiente. Uma vez que as fontes de radiação sejam melhor controladas, estudos adicionais nos permitirão investigar as causas do efeito flash e, em última análise, fornecer uma melhor radioterapia para pacientes com câncer”.
Os pesquisadores acreditam que a escalabilidade de sua abordagem aumentará com o desenvolvimento contínuo de lasers de alta potência média na classe mJ. O rápido desenvolvimento de fontes de laser, visando o aumento das energias de pulso disponíveis e das taxas de repetição, poderia permitir que a técnica INRS fosse estendida para energias de elétrons mais altas e taxas de dose maiores.
Os pesquisadores também enfatizaram a importância da segurança ao lidar com raios laser fortemente focados no ar circundante. Quando as medições foram feitas nas proximidades da fonte de radiação, a equipe observou taxas de dose de radiação dos elétrons que eram três a quatro vezes maiores do que as usadas na radioterapia convencional.
“A energia observada dos elétrons (MeV) permite que eles se movam mais de 3 metros no ar ou alguns milímetros sob a pele”, disse Vallières, “o que representa um risco de exposição à radiação para os usuários da fonte de luz laser. este risco de radiação é uma oportunidade para implementar práticas mais seguras no laboratório."
