A terapia de prótons é uma forma promissora de tratamento por radiação usada para matar células cancerosas e interromper efetivamente sua reprodução rápida. Embora este tratamento também possa ser administrado em diferentes modalidades (ou seja, elétrons e raios-X), a terapia de prótons limita os danos ao tecido saudável, depositando energia em um volume de dose altamente localizado.

O entendimento fundamental para a terapia de prótons está contido na química da água induzida por radiação que ocorre imediatamente após a interação. Isso ocorre porque 66% da radiação depositada no volume do tumor é inicialmente absorvida pelas moléculas de água nas células cancerosas. Os processos subsequentes são, portanto, um assunto de considerável interesse científico.

"É nesses níveis fundamentais que as sementes para a química de radiação subsequente são plantadas, "explicou Brendan Dromey, o pesquisador principal neste projeto e um leitor do Centro de Física de Plasma da Queen's University em Belfast. "E é a partir daí que podemos começar a construir modelos a partir dos primeiros princípios que nos permitirão obter uma compreensão completa de como esses processos iniciais afetam, em última análise, a morte das células tumorais."

Quando os prótons energéticos entram na água, eles podem ionizar as moléculas de água gerando elétrons livres. Em resposta, as moléculas de água próximas podem se deslocar de modo que seus lados positivos se orientem para esses elétrons liberados e protejam sua carga negativa. A data, A metodologia para monitorar os estágios iniciais desse processo dependia de "técnicas de eliminação indireta". Esse, Contudo, requer o uso de aditivos químicos que aumentam simultaneamente a complexidade da observação. A nova abordagem substitui sequestrantes químicos por uma configuração experimental com resolução temporal aprimorada.

Dromey e seus colegas na Suécia, Alemanha e Irlanda do Norte descrevem seu trabalho nesta semana no jornal Cartas de Física Aplicada .

"Para usar uma analogia da fotografia, a metodologia existente tinha uma resolução de tempo que funcionava como uma câmera com baixa velocidade do obturador. Se processos, como essas mudanças químicas iniciais, estavam progredindo rapidamente, a baixa velocidade do obturador significava que não se capturariam os detalhes do movimento e a imagem gerada ficaria borrada. A nova configuração e metodologia que delineamos em nosso artigo opera como uma câmera com uma velocidade de obturador rápida. Ele nos permite capturar a evolução química rápida em detalhes, "Dromey disse.

"Uma vez que nossa metodologia não usa produtos químicos de eliminação, podemos trabalhar com moléculas de água em uma forma intocada, ambiente controlado. Além disso, nossa técnica apresenta uma resolução de tempo fundamental que é inferior a um picossegundo ou um trilionésimo de segundo. Mesmo quando levamos em consideração o diagnóstico, a resolução de tempo é inferior a cinco picossegundos. Agora podemos rastrear a química da radiação que segue a ionização inicial das moléculas de água conforme elas se desdobram em tempo real, "Dromey disse, cuja pesquisa também é financiada pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Físicas e de Engenharia do Reino Unido.

"Duas grandes inovações são responsáveis ​​por essa melhoria. Primeiro, usamos rajadas de prótons aceleradas pela instalação de laser TARANIS de alta potência na Queen's University em Belfast. A aceleração sub-picossegundo de uma população de prótons inicialmente fria permite a geração de um pulso ultrarrápido com baixa propagação térmica inerente. Segundo, usamos o mesmo laser para gerar o pulso de prótons e a sonda que nos permite rastrear o progresso da química da radiação. Isso elimina o jitter elétrico que se encontra em mais tradicionais, sistemas baseados em cavidades de radiofrequência, "Disse Dromey." Dito isso, é importante notar que em termos de estabilidade de energia e qualidade do feixe, ainda há um desenvolvimento significativo necessário para que os aceleradores baseados em laser correspondam ao desempenho dessas máquinas. "

Lovisa Senje, estudante de doutorado do Departamento de Física da Universidade de Lund e principal autor do artigo, adicionado, "Os pulsos de prótons ultracurtos produzidos em nossa configuração experimental, em combinação com o alto número de prótons por pulso, levam a uma possibilidade única de estudar como a água reage à irradiação extrema de prótons. Na verdade, podemos ver que, nessas condições, os processos que seguem a deposição de energia dos prótons na água mudam. "

"Uma das coisas mais interessantes que descobrimos com o benefício de uma melhor resolução temporal é que parece haver um atraso na formação da banda de absorção de elétrons solvatados após a exposição aos prótons, "Dromey disse." Isso foi surpreendente porque pesquisas anteriores sugerem que você normalmente não vê esse atraso quando você expõe moléculas de água a raios-X ou elétrons. Nosso trabalho futuro se concentrará em explorar sistematicamente esse atraso. "