La terapia de protones es una forma prometedora de tratamiento con radiación que se utiliza para matar células cancerosas y detener eficazmente su rápida reproducción. Si bien este tratamiento también se puede administrar en diferentes modalidades (es decir, electrones y rayos X), La terapia de protones limita el daño al tejido sano al depositar energía en un volumen de dosis muy localizado.

La comprensión fundamental de la terapia de protones está contenida en la química del agua inducida por radiación que ocurre inmediatamente después de la interacción. Esto se debe a que hasta el 66 por ciento de la radiación depositada en el volumen del tumor es absorbida inicialmente por las moléculas de agua de las células cancerosas. Los procesos subsiguientes son, por tanto, un tema de considerable interés científico.

"Es en esos niveles fundamentales donde se siembran las semillas de la química de la radiación subsiguiente, "explicó Brendan Dromey, investigador principal de este proyecto y lector del Centro de Física del Plasma de la Queen's University de Belfast. "Y es a partir de ahí que podemos comenzar a construir modelos a partir de los primeros principios que nos permitirán obtener una comprensión completa de cómo estos primeros procesos afectan en última instancia a la muerte de las células tumorales".

Cuando los protones energéticos entran en el agua, pueden ionizar las moléculas de agua generando electrones libres. En respuesta, Las moléculas de agua cercanas pueden desplazarse a sí mismas para que sus lados positivos se orienten hacia estos electrones liberados y protejan su carga negativa. Hasta la fecha, La metodología para monitorear las primeras etapas de este proceso se basó en "técnicas de barrido indirecto". Esta, sin embargo, requiere el uso de aditivos químicos que aumentan simultáneamente la complejidad de la observación. El nuevo enfoque sustituye a los depuradores químicos por una configuración experimental con una resolución temporal mejorada.

Dromey y sus colegas en Suecia, Alemania e Irlanda del Norte describen su trabajo esta semana en la revista Letras de física aplicada .

"Para usar una analogía de la fotografía, la metodología existente tenía una resolución de tiempo que funcionaba como una cámara con una velocidad de obturación lenta. Si los procesos, como estos cambios químicos iniciales, estaban progresando rápidamente, la velocidad de obturación lenta significaba que uno no capturaría los detalles del movimiento y la imagen generada sería borrosa. La nueva configuración y metodología que describimos en nuestro artículo funciona como una cámara con una velocidad de obturación rápida. Nos permite capturar la evolución química rápida con gran detalle, "Dijo Dromey.

"Dado que nuestra metodología no utiliza productos químicos de eliminación, podemos trabajar con moléculas de agua en un prístino, ambiente controlado. Es más, nuestra técnica presenta una resolución de tiempo fundamental que es menos de un picosegundo o una billonésima de segundo. Incluso cuando tenemos en cuenta los diagnósticos, la resolución de tiempo es inferior a cinco picosegundos. Ahora podemos rastrear la química de la radiación que sigue a la ionización inicial de las moléculas de agua a medida que se desarrollan en tiempo real, "Dromey dijo, cuya investigación también está financiada por el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido.

"Dos innovaciones importantes explican esta mejora. Primero, utilizamos ráfagas de protones aceleradas por la instalación láser TARANIS de alta potencia en la Queen's University de Belfast. La aceleración de subpicosegundos de una población de protones inicialmente fría permite la generación de un pulso ultrarrápido con baja dispersión térmica inherente. Segundo, utilizamos el mismo láser para generar tanto el pulso de protones como la sonda que nos permite seguir el progreso de la química de la radiación. Esto elimina la fluctuación eléctrica que se encuentra en los más tradicionales, sistemas basados ​​en cavidades de radiofrecuencia, "Dromey dijo". Dicho eso, Es importante señalar que, en términos de estabilidad energética y calidad del haz, todavía se requiere un desarrollo significativo para que los aceleradores basados ​​en láser igualen el rendimiento de estas máquinas ".

Lovisa Senje, estudiante de doctorado del Departamento de Física de la Universidad de Lund y autor principal del artículo, adicional, "Los pulsos de protones ultracortos producidos en nuestra configuración experimental, en combinación con el alto número de protones por pulso, conducen a una posibilidad única de estudiar cómo reacciona el agua a la irradiación extrema de los protones. De hecho, podemos ver que, en estas condiciones, los procesos que siguen a la deposición de energía de los protones en el agua cambian ".

"Una de las cosas más interesantes que hemos descubierto con el beneficio de una mejor resolución temporal es que parece haber un retraso en la formación de la banda de absorción de electrones solvatados después de la exposición a protones, "Dijo Dromey." Esto fue sorprendente porque investigaciones anteriores sugieren que normalmente no se ve este retraso cuando se exponen moléculas de agua a rayos X o electrones. Nuestro trabajo futuro se centrará en seguir explorando sistemáticamente este retraso ".