激光质子刀离应用又近一步 新一代“治癌神器”将更便于普及

来源/视觉中国

新民晚报讯（记者 董纯蕾）质子刀，被形容为“治癌神器”“肿瘤杀手”。价格不再那么高不可攀、占地不再那么“兴师动众”的新一代质子刀——激光质子刀，距离由实验室方案变为现实应用，又迈进了关键一步。记者从中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室获悉，激光驱动的质子刀研究取得重要进展，在世界上处于前沿水平。

在徐至展院士、李儒新研究员的领导下，科研人员使用400太瓦的超强超短激光脉冲，轰击厚度仅40纳米的薄膜靶，成功获得极高品质的准单能质子束，质子能谱峰能量高达9 兆电子伏特（MeV），峰值流强高达3×1012 质子/兆电子伏特/立体角（protons/MeV/sr）。专杀癌细胞的激光质子刀所要求的三大条件—— 能量高、准单能、流强大，它统统都做到了！这一令人兴奋的研究进展，近日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

高能质子束在物质中传输时会产生奇特的能量沉积峰“布拉格峰”，也就是说，质子在传输途中上很少损失能量，这一路传下来，能量主要沉积在“终点站”，质子只有“停下脚步”时才会“尽情释放”能量。这也正是质子刀用于肿瘤治疗的原理。采用高能质子束治疗癌症时，“专一”杀死癌细胞，不会殃及健康细胞。

据介绍，基于传统加速器的质子刀肿瘤治疗在国内外都已取得很大进展——如上海市质子重离子医院，临床效果非常好，但是治疗费用十分昂贵，普及起来难度很高。论文的第一作者、助理研究员张辉告诉记者，基于传统加速器的质子刀，质子加速梯度（即单位长度内粒子获得的能量）相对较小，需跑上好长一段路，才能把能量提到位，产生足以杀死癌细胞的“神力”。这样一整套设备，占地面积和造价可想而知。“激光驱动的质子刀，加速梯度可以提高1000-10000倍，无疑有助于大大缩小加速器规模，大大减少治疗费用。”

图说：高品质质子束是这样“打造”的 中科院上海光机所供图

然而，如此“能干”的激光质子刀，方案诞生已近20年，也取得了诸多理论和实验进展，但距离应用始终“差了一口气”。缘何如此困难重重？张辉解释说，主要是因为肿瘤治疗对质子束的品质要求非常严苛，这把“刀”既要“锋利”（能量高），又得“纯净”（准单能），还需“宽刃”（流强大）。“消灭不同位置的癌细胞，需要对应能量的质子束，如果混杂了其他能量的质子束，就有可能误杀健康细胞。而如果质子束的质子数量不达标，则有可能杀不完癌细胞。”此次获得的9 MeV质子束，可杀死浅层肿瘤，也就是近皮肤的癌细胞。如需消灭人体深处的癌细胞，估计需要100 MeV量级的质子束。“重要的是，我们开发了用激光器获取高品质质子束的机制。”目前，上海超强超短激光实验装置（SULF）正在建设中，去年已成功实现5拍瓦（1拍瓦=1000太瓦）激光脉冲输出。“待SULF明年建成投入使用后，利用SULF输出的激光脉冲就可以获得100 MeV量级的高品质高能质子束了。”

肿瘤治疗不是唯一能从该项研究中获益的领域。据悉，超强超短激光驱动产生的超短脉冲、高品质高能质子束，还可应用于质子照相与材料检测、激光核聚变快点火、实验室天体物理、激光核物理和核医学等方面的研究。