Beam-triggered chemical activation in deep aqueous media using laser-wakefield- accelerated electron beams
Questo studio dimostra che fasci di elettroni ultrabrevi accelerati da laser-wakefield possono propagarsi attraverso 20 cm di acqua per innescare attivazione chimica e risposte biologiche dipendenti dalla profondità, stabilendo un quadro di prova di concetto per collegare il deposito di energia del fascio in profondi mezzi acquosi ai risultati funzionali.
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La radioterapia si è a lungo basata sulla capacità di fasci ad alta energia di penetrare in profondità nel corpo per raggiungere i tumori che giacciono nascosti sotto strati di tessuto sano. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che quando questi fasci passano attraverso ambienti ricchi d'acqua, come le cellule umane, non si limitano a depositare energia; essi innescano una cascata di reazioni chimiche. Queste reazioni creano particelle altamente reattive in grado di scomporre le molecole, un processo che è solitamente responsabile del danneggiamento del DNA delle cellule cancerose. Tuttavia, questo stesso potere chimico potrebbe essere sfruttato in modo più controllato. Se un fascio potesse essere utilizzato per attivare un farmaco specifico e innocuo solo nel luogo preciso in cui il fascio colpisce, permetterebbe ai medici di accendere e spegnere un medicinale con la precisione di un interruttore, risparmiando il resto del corpo da effetti collaterali indesiderati. La sfida è sempre stata capire se i tipi più recenti e veloci di fasci di particelle potessero viaggiare abbastanza in profondamente nel corpo da innescare queste reazioni senza perdere le loro proprietà uniche lungo il percorso.
Un team di ricercatori dell'Università di Osaka e del Centro RIKEN SPring-8 in Giappone ha ora dimostrato che questo è possibile. Hanno utilizzato un metodo all'avanguardia chiamato accelerazione a wakefield laser per generare fasci di elettroni incredibilmente brevi nella durata, della portata di pochi quadrilionesimi di secondo. Questi fasci sono stati sparati attraverso un bersaglio di acqua spessa venti centimetri, simulando la profondità del tessuto presente in un corpo umano. L'obiettivo era vedere se questi fasci ultra-rapidi potessero sopravvivere al viaggio attraverso l'acqua e possedere ancora il potere di innescare una reazione chimica alla fine del percorso. I ricercatori hanno posizionato una molecola modello, progettata per cambiare la propria struttura quando colpita dalle specifiche particelle create dal fascio, a varie profondità all'interno del serbatoio d'acqua. Hanno scoperto che il fascio ha attraversato tutti i venti centimetri e ha innescato con successo il cambiamento chimico nelle molecole, provando che la capacità del fascio di guidare la chimica rimane intatta anche dopo il passaggio attraverso un mezzo così denso.
Per capire esattamente come ciò sia avvenuto, il team ha misurato l'energia depositata dal fascio mentre si muoveva attraverso l'acqua. Hanno scoperto che i cambiamenti chimici nelle molecole modello corrispondevano al modello di energia consegnata dal fascio. Dove il fascio era più forte, la reazione chimica era più intensa; dove il fascio si indeboliva, la reazione rallentava. Questo stretto legame suggerisce che l'attivazione chimica è guidata direttamente dalla quantità locale di energia che il fascio rilascia in ogni dato punto. Sebbene il comportamento complessivo del fascio corrispondesse a quanto previsto dai modelli fisici standard, i ricercatori hanno notato una piccola differenza localizzata proprio nel centro del percorso del fascio. Nel mezzo del fascio, la distribuzione dell'energia non corrispondeva perfettamente alle previsioni delle simulazioni informatiche convenzionali. Ciò suggerisce che l'estrema densità e velocità di questi fasci ultra-brevi potrebbero creare effetti sottili e complessi al centro dello stream che non sono ancora pienamente catturati dalle teorie standard, anche se il fascio nel suo complesso si comporta come previsto.
Lo studio non si è fermato all'osservazione di un cambiamento chimico in una provetta. Per dimostrare che questo processo potesse avere applicazioni mediche reali, i ricercatori hanno utilizzato un acceleratore di elettroni convenzionale e più stabile per testare il concetto su sistemi viventi. Hanno utilizzato una versione di un comune farmaco chemioterapico che era stata chimicamente mascherata per essere inattiva. Quando hanno esposto cellule cancerose in una piastra al fascio di elettroni, il fascio ha innescato la rimozione della maschera, rilasciando il farmaco attivo. Le cellule esposte sia al fascio che al farmaco mascherato sono morte con un tasso molto più elevato rispetto a quelle esposte solo al fascio o solo al farmaco. Il team è andato oltre testando il metodo su topi con tumori. Hanno iniettato nei topi il farmaco mascherato e poi hanno irradiato il sito del tumore con il fascio di elettroni. I tumori nei topi che hanno ricevuto sia il farmaco che il fascio sono rimpiccioliti significativamente di più rispetto a quelli di qualsiasi altro gruppo, mentre il tessuto muscolare sano circostante non mostrava segni di danno. Ciò ha confermato che il fascio può agire come un trigger preciso per attivare un farmaco specificamente dove è necessario.
La portata di questo lavoro risiede nella sua dimostrazione di un nuovo modo di utilizzare i fasci di particelle. Dimostra che la nuova generazione di fasci di elettroni ultra-rapidi può viaggiare in profondità in materiali densi e funzionare comunque come trigger efficaci per reazioni chimiche. Provando che questi fasci possono attivare un farmaco in profondità in un bersaglio d'acqua e successivamente uccidere cellule cancerose in un animale vivente, i ricercatori hanno stabilito una prova di concetto per un futuro in cui la radioterapia faccia molto di più che bruciare via i tumori. Invece, potrebbe essere utilizzata per accendere potenti medicinali esattamente dove sono necessari, trasformando il fascio stesso in uno strumento per il controllo chimico localizzato. Sebbene lo studio sia un primo passo e non sia ancora un trattamento medico pronto all'uso, esso apre una via chiara verso l'integrazione di queste sorgenti di particelle avanzate con le terapie chimiche per trattare le malattie con una precisione senza precedenti.
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