文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀：
電離輻射在醫(yī)學(xué)中有多種用途，包括醫(yī)學(xué)成像、診斷、癌癥治療等。借助輻射對生物體的殺傷作用，可開發(fā)一系列治療手段。但是輻射不僅可以殺死或減緩癌細(xì)胞的生長,也會對附近的健康細(xì)胞造成損傷。如何更好地區(qū)分健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞？怎樣提高電離輻射對癌癥的治療效率？激光等離子體在電離輻射中起到何種作用？本期為《Lasers: promising applications for research and beyond》系列一，作者Isabelle Dumé帶我們了解電離輻射在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，以及激光在該領(lǐng)域的應(yīng)用。
一覽：
- 激光等離子體加速器利用高能、超短的激光脈沖，在短距離內(nèi)發(fā)射高能微粒子。
- 電離輻射在醫(yī)學(xué)中有多種用途，包括醫(yī)學(xué)成像、診斷、癌癥治療等。
- 放療利用的是電離輻射對生命體的殺傷力。健康細(xì)胞的輻射耐受性比癌細(xì)胞略高，科學(xué)家正是基于此開發(fā)出放療方案，以恰到好處的輻射劑量殺死腫瘤細(xì)胞。
- 當(dāng)前有學(xué)者在研究超高能電子束的使用，理論上能用其治療體內(nèi)深處的腫瘤，實現(xiàn)更徹底的療效。
激光等離子體加速器利用高能、超短的激光脈沖，在短距離內(nèi)發(fā)射高能微粒子。此類加速器可以產(chǎn)生高質(zhì)量的粒子束（包括電子束、質(zhì)子束、X射線光子束），用于放射生物學(xué)研究，以探尋輻射損傷DNA的機理，改良基于電離輻射的癌癥療法。
最新的研究顯示，放療的生理效果不僅取決于輻射總劑量，還取決于照射的時間間隔和次數(shù)。巴黎綜合理工學(xué)院聯(lián)盟應(yīng)用光學(xué)實驗室的學(xué)者們正在研究超高輻射劑量的治療效果，以開發(fā)能更好地區(qū)分健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的新型放療方案。
應(yīng)用光學(xué)實驗室所使用的激光儀器產(chǎn)生的脈沖超短，時間數(shù)量級在10-15s（飛秒）到10-12s（皮秒）之間，但脈沖的能量超大，擊中靶向目標(biāo)時可瞬間將其電離，轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)——原子內(nèi)的電子脫離原子核的吸引，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的離子共存。在這種狀態(tài)下，自由電子便能與激光發(fā)生相互作用。
若形成的等離子體密度極高，激光無法穿透，脫離原子核的電子會導(dǎo)致靶向物質(zhì)爆炸，讓離子加速，從而在半徑幾毫米的范圍內(nèi)產(chǎn)生兆電子伏能級的離子。
若形成的等離子體密度低，激光脈沖的擴散會產(chǎn)生尾波場。尾波場的擴散速度等于光速，陷入其中的電子會被加速，獲得能量（就像被卷到浪尖的沖浪手）。通過這一手段形成的電場梯度可高達(dá)100 GeVm-1，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)（射頻諧振腔）所形成的電場梯度（0.1 GeVm-1）。
電離輻射在醫(yī)學(xué)中有多種用途，包括醫(yī)學(xué)成像、診斷、癌癥治療等。借助輻射對生物體的殺傷作用，可開發(fā)一系列治療手段。電子束對癌細(xì)胞的損傷效果與臨床放療最常用的質(zhì)子束類似。高能電子束會通過”軔致輻射“效應(yīng)將其大部分動能轉(zhuǎn)化為X射線粒子，從而觸發(fā)負(fù)電子、正電子和光子的級聯(lián)，并通過非彈性碰撞使癌細(xì)胞等目標(biāo)物質(zhì)直接電離，或者間接生成有殺傷力的自由基，從而破壞腫瘤。
健康細(xì)胞與癌細(xì)胞的輻射耐受性差異
無論何種治療方案，都需要權(quán)衡療效和副作用。放療利用的是電離輻射對生命體的殺傷力特質(zhì)。健康細(xì)胞的輻射耐受性比癌細(xì)胞略高，科學(xué)家正是基于此開發(fā)出放療方案，以恰到好處的輻射劑量殺死腫瘤細(xì)胞，同時避免對健康細(xì)胞造成太大影響。
激光加速的粒子束有兩類變量可控。我們首先討論粒子類別?，F(xiàn)在放療最常用的兩種粒子是光子和質(zhì)子，但它們進(jìn)入生物組織內(nèi)的效應(yīng)曲線差異較大。光子釋放能量的效應(yīng)曲線從皮層由淺到深，呈倒指數(shù)曲線，組織表面接受的劑量最大，越深處劑量越小。因此，制定針對體內(nèi)深處腫瘤的放療方案時，既要控制組織表面的輻射劑量不能過高，又要確保輻射到達(dá)腫瘤所在處時仍有療效。這一平衡難以把握。
光子束由于生成容易，在放療中廣為應(yīng)用。質(zhì)子束的應(yīng)用現(xiàn)仍處于初期，因為所需設(shè)備體量較大。光子放療儀僅需約20平米的房間放置，但質(zhì)子放療需要回旋加速器，只有數(shù)百平米的大樓才能容納得下。
電子束在近幾十年來的放療中幾乎沒有得到應(yīng)用。一方面是因為其效應(yīng)曲線較平緩，另一方面是因為相比光子，電子束更難加速。
閃光效應(yīng)
早在上世紀(jì)70年代，學(xué)者們便發(fā)現(xiàn)了閃光效應(yīng)，該效應(yīng)于00年代在法國奧塞的科研機構(gòu)被再次發(fā)現(xiàn)，代表著放療領(lǐng)域的一大突破。
研究顯示，同樣劑量的電離輻射，暴露時長不同，療效也不同。
放療曾經(jīng)的一個基礎(chǔ)假設(shè)是，同樣的輻射劑量，對人體的效果必相同——就像泰諾一樣：服用多少，藥效就有多大。但研究表明，如果同樣的劑量在超短時間內(nèi)遞送，療效會發(fā)生變化：對健康組織的損害小了，但對腫瘤組織的殺傷力不變。這意味著同樣劑量的輻射，照射時間由10分鐘降低到50微秒內(nèi)，就能大大降低對健康組織的副作用，同時對腫瘤的治療效果不打折扣。
利用閃光效應(yīng)，可以更有效、高效地開展癌癥治療。
2016-2020年間，學(xué)者利用低能電子束（低于5兆電子伏），對閃光效應(yīng)在臨床中的應(yīng)用展開了初步實驗。之所以選用電子束而非其他粒子束，是因為電子是最容易生成的。但遺憾的是，閃光效應(yīng)下的電子束只能穿透幾毫米的組織，故無法用于治療體內(nèi)深處的腫瘤。
超高能電子束和“快速分級法”
接下來討論超高能電子束（能級超過150兆電子伏）。過去對此類粒子束研究較少。高能電子束可以穿透至組織深處，破壞光子輻射無法波及的腫瘤細(xì)胞。但是，基于電子直線加速器的治療儀器若想要與光子放療儀爭奪市場，首先必須縮小體量，小到醫(yī)院診療室能容納得下。
超高能電子束的成本可能會高于光子束，但低于質(zhì)子束。深度-劑量曲線顯示，超高能電子束不僅能到達(dá)組織深處，還更不容易受到組織不均勻性的意外影響，比X射線更優(yōu)。
通過輻射濃縮，超高能電子束能精準(zhǔn)破壞體內(nèi)深處的腫瘤。由于電子束劑量易控，故有利于治療對放射不敏感的腫瘤。電子束可以局部照射，只讓一小部分組織暴露在輻射下，這一特性也有利于開發(fā)高精度療法。此外，濃縮的超高能電子束的進(jìn)入劑量、遠(yuǎn)端劑量、近端劑量都低，可最大限度地減少對健康組織和敏感器官的損害。
以上新型療法的臨床應(yīng)用仍處于開發(fā)階段，待激光技術(shù)和加速器進(jìn)步后才能投入實際使用。我們將這種放療手段稱為“快速分級法”（fast fractionation），已經(jīng)開始對其生理效果進(jìn)行研究。初步結(jié)果顯示，激光脈沖率高低會影響電離輻射的毒性。閃光照射的長度、單次脈沖的輻射劑量都會影響毒性高低。因為現(xiàn)在的科研仍處于早期，閃光效應(yīng)的原理尚無法解釋，但可以確定的是，這方面的研究潛力無限，必定能促進(jìn)更高效的放療方案的開發(fā)。