La terapia protonica è una forma promettente di radioterapia utilizzata per uccidere le cellule cancerose e arrestare efficacemente la loro rapida riproduzione. Sebbene questo trattamento possa anche essere somministrato in diverse modalità (cioè elettroni e raggi X), la terapia protonica limita i danni ai tessuti sani depositando energia in un volume di dose altamente localizzato.

La comprensione fondamentale per la terapia protonica è contenuta nella chimica dell'acqua indotta dalle radiazioni che si verifica immediatamente dopo l'interazione. Questo perché fino al 66 percento delle radiazioni depositate in un volume tumorale viene inizialmente assorbito dalle molecole d'acqua nelle cellule tumorali. I processi che ne conseguono sono quindi oggetto di notevole interesse scientifico.

"È a quei livelli fondamentali che vengono seminati i semi per la successiva chimica delle radiazioni, " ha spiegato Brendan Dromey, il ricercatore capo su questo progetto e un lettore nel Center for Plasma Physics presso la Queen's University di Belfast. "Ed è da lì che possiamo iniziare a costruire modelli dai primi principi che ci consentiranno di acquisire una piena comprensione di come questi primi processi influiscano alla fine sulla morte delle cellule tumorali".

Quando i protoni energetici entrano in acqua, possono ionizzare le molecole d'acqua generando elettroni liberi. In risposta, le molecole d'acqua vicine possono spostarsi in modo che i loro lati positivi si orientino verso questi elettroni liberati e schermano la loro carica negativa. Ad oggi, La metodologia per monitorare le prime fasi di questo processo si è basata su "tecniche di scavenging indirette". Questo, però, richiede l'uso di additivi chimici che aumentano contemporaneamente la complessità dell'osservazione. Il nuovo approccio sostituisce gli scavenger chimici per un setup sperimentale con una risoluzione temporale migliorata.

Dromey e i suoi colleghi in Svezia, La Germania e l'Irlanda del Nord descrivono il loro lavoro questa settimana sulla rivista Lettere di fisica applicata .

"Per usare un'analogia con la fotografia, la metodologia esistente aveva una risoluzione temporale che funzionava come una fotocamera con una bassa velocità dell'otturatore. Se processi, come questi cambiamenti chimici iniziali, stavano procedendo rapidamente, la bassa velocità dell'otturatore significava che non si sarebbero catturati i dettagli del movimento e l'immagine generata sarebbe stata sfocata. La nuova configurazione e metodologia che descriviamo nel nostro articolo funziona come una fotocamera con una velocità dell'otturatore elevata. Ci consente di catturare la rapida evoluzione chimica in modo molto dettagliato, " disse Drome.

"Dal momento che la nostra metodologia non utilizza prodotti chimici di scavenging, possiamo lavorare con molecole d'acqua in modo incontaminato, ambiente controllato. Inoltre, la nostra tecnica presenta una risoluzione temporale fondamentale che è inferiore a un picosecondo o un trilionesimo di secondo. Anche quando teniamo conto della diagnostica, la risoluzione temporale è inferiore a cinque picosecondi. Ora possiamo tracciare la chimica delle radiazioni che segue la ionizzazione iniziale delle molecole d'acqua mentre si dispiegano in tempo reale, "Dromey ha detto, la cui ricerca è anche finanziata dall'Engineering and Physical Sciences Research Council nel Regno Unito.

"Due importanti innovazioni spiegano questo miglioramento. Primo, usiamo esplosioni di protoni accelerati dalla struttura laser ad alta potenza TARANIS nella Queen's University di Belfast. L'accelerazione sub-picosecondo di una popolazione di protoni inizialmente fredda consente la generazione di un impulso ultraveloce con una bassa diffusione termica intrinseca. Secondo, usiamo lo stesso laser per generare sia l'impulso dei protoni che la sonda che ci permette di seguire l'andamento della chimica delle radiazioni. Questo elimina il jitter elettrico che si riscontra nei più tradizionali, sistemi basati su cavità a radiofrequenza, "Dromey ha detto. "Detto questo, è importante notare che in termini di stabilità energetica e qualità del raggio c'è ancora bisogno di uno sviluppo significativo per gli acceleratori basati su laser per eguagliare le prestazioni di queste macchine."

Lovisa Senje, uno studente di dottorato del Dipartimento di Fisica dell'Università di Lund e autore principale dell'articolo, aggiunto, "Gli impulsi protonici ultracorti prodotti nel nostro set-up sperimentale, in combinazione con l'elevato numero di protoni per impulso, portare a una possibilità unica di studiare come l'acqua reagisce all'irradiazione estrema da parte dei protoni. Possiamo effettivamente vedere che in queste condizioni i processi che seguono la deposizione di energia dei protoni nell'acqua cambiano".

"Una delle cose più interessanti che abbiamo scoperto con il vantaggio di una migliore risoluzione temporale è che sembra esserci un ritardo nella formazione della banda di assorbimento degli elettroni solvatati dopo l'esposizione ai protoni, " Ha detto Dromey. "Questo è stato sorprendente perché la ricerca passata suggerisce che in genere non si vede questo ritardo quando si espongono le molecole d'acqua ai raggi X o agli elettroni. Il nostro lavoro futuro si concentrerà sull'esplorazione sistematica di questo ritardo ulteriormente".