في الآونة الأخيرة، أجرى باحثون من جامعة كيبيك تجربة ناجحة في مختبر مصدر ضوء الليزر المتقدم التابع للمجلس الوطني للبحوث في كندا (INRS)، مما يدل على الاستخدام الواعد لتكنولوجيا الليزر فائق السرعة لعلاج السرطان الإشعاعي.
"لقد أثبتنا لأول مرة أنه في ظل ظروف معينة، يمكن لشعاع الليزر الذي يركز بشدة على الهواء المحيط أن يسرع الإلكترونات إلى نطاق طاقة MeV (ميجا إلكترون فولت)، وهي نفس الطاقة التي تستخدمها بعض المشعاعات المستخدمة في إشعاع السرطان مُعَالَجَة." قال فرانسوا ليغاري، أستاذ INRS والقائد العلمي لمختبر مصادر الضوء المتقدمة (ALLS).
من خلال التركيز المحكم لعدة دورات من مستوى المللي جول (mJ)، الفيمتو ثانية (fs)، ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR)، قام الباحثون بتوليد حزم إلكترونية نسبية في الهواء المحيط وتحقيق معدلات جرعات عالية تصل إلى 0.15 جراي في الثانية (غراي/ث). عند الضغط الجوي، وصلت شدة الليزر إلى 1 × 1019 واط لكل سنتيمتر مربع (W/cm-2). قام الفريق بقياس شعاع الإلكترون الناتج ووجد أن لديه طاقة قصوى تصل إلى 1.4 ميغا إلكترون فولت.
أظهر الفريق كيف يجتمع التركيز الضيق لليزر، والطول الموجي الطويل، ومدة النبضة قصيرة الدورة للحد من تأثير التكامل b على شعاع الليزر المركز. إن الكثافة العالية لجزيئات الهواء في الحجم البؤري القابل للتأين كافية لتكوين بلازما قريبة من الكثافة الحرجة، مما يوفر كفاءة تحويل عالية من الليزر إلى الإلكترونات. ومن خلال عمليات محاكاة ثلاثية الأبعاد للجسيمات في الخلايا، أكد الباحثون أن آلية التسارع تعتمد على النسبية، ولها إمكانية الحركة الجماعية، وتتوافق نظريًا مع طاقات الإلكترون المقاسة والتشتت.
رسم تخطيطي للإعداد التجريبي: يتم تركيز نبضات ضوء الليزر بالأشعة تحت الحمراء فائقة القصر بإحكام على الهواء المحيط، مما ينتج عنه جرعة عالية من الإشعاع المؤين.
ويعتقد الباحثون أن قوة مصدر الإلكترون الموجه بالليزر تنبع من بساطته. يمكن لبصرية واحدة مركزة في الهواء المحيط أن تنتج شعاعًا إلكترونيًا يوفر جرعة إشعاعية تكفي لمدة عام لشخص يقف على بعد متر واحد في أقل من ثانية. ليست هناك حاجة إلى أي إعدادات معقدة أو غرف مفرغة، مما يجعل هذه الطريقة مناسبة للعديد من تطبيقات التشعيع عن طريق تقليل متطلبات إنتاج مصادر الإلكترون فائقة السرعة MeV.
لقد مكّن التقدم في تكنولوجيا الليزر تسريع مجال إيقاظ الليزر - وهي عملية تعمل على تسريع الإلكترونات إلى طاقات عالية في فترة زمنية قصيرة جدًا عن طريق توليد البلازما - للعمل في منتصف الأشعة تحت الحمراء مع أنظمة من فئة mJ لإنتاج تدفقات جسيمات عالية من إلكترونات MeV والتي يمكن استخدامها في أبحاث البيولوجيا الإشعاعية. ومع ذلك، تتطلب مصادر الإلكترونات عالية الطاقة التي تعمل بالليزر تركيبات معقدة وضخمة في غرف مفرغة، مما يحد من الوصول إلى الشعاع.
يمكن لمصادر الإلكترون MeV التي تعمل بالليزر أن توفر طرقًا جديدة لعلاج السرطان، مثل العلاج الإشعاعي FLASH، وهي طريقة لعلاج الأورام المقاومة للعلاج الإشعاعي التقليدي. مع العلاج بالفلاش، يمكن إيصال جرعات عالية من الإشعاع في ميكروثانية بدلاً من دقائق. تساعد سرعة التوصيل هذه على حماية الأنسجة السليمة المحيطة بالورم من تأثيرات الإشعاع. على الرغم من أن تأثيرات فلاش ليست مفهومة تمامًا، إلا أن العلماء يعتقدون أن فلاش قد يتسبب في إزالة الأكسجين بسرعة من الأنسجة السليمة، مما يقلل من حساسية الأنسجة للإشعاع.
معدل الجرعة الإشعاعية المقاسة (المقياس اللوغاريتمي) كدالة للمسافة من نقطة التركيز لثلاث طاقات نبض ليزر مختلفة.
قال الباحث سيمون فاليير: "لم تتمكن أي دراسة حتى الآن من تفسير طبيعة تأثير الفلاش، ومع ذلك، فإن مصدر الإلكترون المستخدم في العلاج الإشعاعي للفلاش له خصائص مشابهة لتلك التي نولدها من خلال تركيز الليزر بشكل مكثف على الهواء المحيط. وبمجرد التحكم بشكل أفضل في مصادر الإشعاع، فإن المزيد من الدراسات ستسمح لنا بالتحقيق في أسباب تأثير الوميض وتوفير علاج إشعاعي أفضل لمرضى السرطان في نهاية المطاف".
يعتقد الباحثون أن قابلية التوسع في نهجهم ستزداد مع التطوير المستمر لأشعة الليزر ذات الطاقة المتوسطة العالية في فئة mJ. التطور السريع لمصادر الليزر، الذي يستهدف زيادة طاقات النبض المتاحة ومعدلات التكرار، يمكن أن يسمح بتوسيع تقنية INRS لتشمل طاقات الإلكترون الأعلى ومعدلات الجرعات الأكبر.
كما أكد الباحثون على أهمية السلامة عند التعامل مع أشعة الليزر المركزة بإحكام على الهواء المحيط. وعندما تم إجراء القياسات بالقرب من مصدر الإشعاع، لاحظ الفريق معدلات جرعة الإشعاع من الإلكترونات التي كانت أعلى بثلاث إلى أربع مرات من تلك المستخدمة في العلاج الإشعاعي التقليدي.
وقال فاليير: "إن الطاقة المرصودة للإلكترونات (MeV) تسمح لها بالتحرك لمسافة تزيد عن 3 أمتار في الهواء أو بضعة ملليمترات تحت الجلد، مما يشكل خطر التعرض للإشعاع على مستخدمي مصدر ضوء الليزر". يشكل خطر الإشعاع هذا فرصة لتطبيق ممارسات أكثر أمانًا في المختبر."
