La protonthérapie est une forme prometteuse de radiothérapie utilisée pour tuer les cellules cancéreuses et arrêter efficacement leur reproduction rapide. Bien que ce traitement puisse également être délivré sous différentes modalités (c'est-à-dire électrons et rayons X), La protonthérapie limite les dommages aux tissus sains en déposant de l'énergie dans un volume de dose très localisé.

La compréhension fondamentale de la protonthérapie est contenue dans la chimie de l'eau induite par le rayonnement qui se produit immédiatement après l'interaction. En effet, jusqu'à 66 pour cent du rayonnement déposé dans un volume tumoral est initialement absorbé par les molécules d'eau dans les cellules cancéreuses. Les processus qui en découlent font donc l'objet d'un intérêt scientifique considérable.

"C'est à ces niveaux fondamentaux que sont semées les graines de la chimie des radiations ultérieure, " a expliqué Brendan Dromey, chercheur principal sur ce projet et lecteur au Center for Plasma Physics de l'Université Queen's de Belfast. "Et c'est à partir de là que nous pouvons commencer à construire des modèles à partir des premiers principes qui nous permettront de mieux comprendre comment ces processus précoces affectent finalement la mort des cellules tumorales."

Lorsque des protons énergétiques pénètrent dans l'eau, ils peuvent ioniser les molécules d'eau générant des électrons libres. En réponse, les molécules d'eau voisines peuvent se déplacer de sorte que leurs côtés positifs s'orientent vers ces électrons libérés et protègent leur charge négative. À ce jour, la méthodologie pour surveiller les premières étapes de ce processus reposait sur des "techniques de balayage indirect". Cette, cependant, nécessite l'utilisation d'additifs chimiques qui augmentent simultanément la complexité de l'observation. La nouvelle approche remplace les charognards chimiques par une configuration expérimentale avec une résolution temporelle améliorée.

Dromey et ses collègues en Suède, L'Allemagne et l'Irlande du Nord décrivent leur travail cette semaine dans le journal Lettres de physique appliquée .

"Pour utiliser une analogie avec la photographie, la méthodologie existante avait une résolution temporelle qui fonctionnait comme une caméra avec une vitesse d'obturation lente. Si les processus, tels que ces changements chimiques initiaux, progressaient rapidement, la vitesse d'obturation lente signifiait que l'on ne saisirait pas les détails du mouvement et que l'image générée serait floue. La nouvelle configuration et la nouvelle méthodologie que nous décrivons dans notre article fonctionnent comme un appareil photo avec une vitesse d'obturation rapide. Il nous permet de capturer l'évolution chimique rapide dans les moindres détails, " dit Dromey.

« Étant donné que notre méthodologie n'utilise pas de produits chimiques de balayage, nous pouvons travailler avec des molécules d'eau dans un vierge, environnement contrôlé. De plus, notre technique présente une résolution temporelle fondamentale inférieure à une picoseconde ou à un billionième de seconde. Même lorsque nous prenons en compte les diagnostics, la résolution temporelle est inférieure à cinq picosecondes. Nous pouvons maintenant suivre la chimie du rayonnement qui suit l'ionisation initiale des molécules d'eau au fur et à mesure qu'elles se déroulent en temps réel, " Dromey a dit, dont la recherche est également financée par le Engineering and Physical Sciences Research Council au Royaume-Uni.

« Deux innovations majeures expliquent cette amélioration. nous utilisons des salves de protons accélérées par l'installation laser TARANIS à haute puissance de l'université Queen's de Belfast. L'accélération sub-picoseconde d'une population de protons initialement froide permet la génération d'une impulsion ultrarapide avec un faible étalement thermique inhérent. Seconde, nous utilisons le même laser pour générer à la fois l'impulsion de protons et la sonde qui nous permet de suivre les progrès de la chimie du rayonnement. Cela élimine la gigue électrique que l'on trouve dans les modèles plus traditionnels, systèmes à cavité radiofréquence, " dit Dromey. " Cela dit, il est important de noter qu'en termes de stabilité énergétique et de qualité du faisceau, des développements importants sont encore nécessaires pour que les accélérateurs à laser correspondent aux performances de ces machines."

Lovisa Senje, doctorant du Département de physique de l'Université de Lund et auteur principal de l'article, ajoutée, "Les impulsions de protons ultracourtes produites dans notre dispositif expérimental, en combinaison avec le nombre élevé de protons par impulsion, conduire à une possibilité unique d'étudier comment l'eau réagit à une irradiation extrême par des protons. Nous pouvons en fait voir que dans ces conditions, les processus qui suivent le dépôt d'énergie de protons dans l'eau changent."

"L'une des choses les plus intéressantes que nous ayons découvertes avec l'avantage d'une meilleure résolution temporelle est qu'il semble y avoir un retard dans la formation de la bande d'absorption des électrons solvatés après exposition aux protons, " a déclaré Dromey. " C'était surprenant parce que des recherches antérieures suggèrent que vous ne voyez généralement pas ce délai lorsque vous exposez des molécules d'eau aux rayons X ou aux électrons. Nos futurs travaux se concentreront sur l'exploration systématique de ce retard. »