Az elkövetkező években három, európai összefogással létesülő központban indulhatnak el ultranagy intenzitású fényt igénylő kísérleti kutatások: a Prága melletti ELI Beamline Berendezésben (ELI Beamline Facility), a Bukarest közelében, Măgurele-ben megvalósuló ELI Fotonukleáris Berendezésnél (ELI Photonuclear Facility) és a Szegeden épülő ELI Attoszekundumos Fényimpulzus Forrásnál (ELI-ALPS). A magyarországi létesítmény a lehető legnagyobb ismétlési frekvenciával biztosítja a lehető legrövidebb időtartamú (femto- és attoszekundumos) elektromágneses impulzusokat a terrahertzestől (1012 Hz) a röntgensugárzásig (1017 Hz) terjedő frekvenciatartományban, ideértve az infravörös, a látható és az ultraibolya fényt is. Ez széles spektrumú fizikai, kémiai, anyagszerkezeti, attoszekundumos kutatások számára nyit egyedülálló teret, melyek mellett lehetővé válik széles körű orvosbiológiai kísérleti tanulmányok végzése is. A közép-infravörös (MIR) spektrális tartomány bizonyos biomolekulák szelektív gerjesztésére, detektálására vagy elbontására alkalmas, amelyek abszorpciós vonalai, a 3–15 µm-es tartományba esnek. Az ELI-ALPS-nál beállítandó ultrarövid impulzus tartamú MIR-lézerrendszereket az eddigi orvostudományi lézeralkalmazások, így a lézeres fogászat, szemészet, bőrgyógyászat, a lézersebészet számos ága, az angioplasztika, endoszkópos lézeres beavatkozások és lézeres kőtörés (vesekő) területei tudják majd hasznosítani, valamint elősegíthetik a lézeres kezelések optimalizálását. A lézeres klinikai alkalmazások palettája is jelentősen bővülhet az új lézerrendszerekkel végzett preklinikai kísérletek eredményei nyomán. További nagy jelentőségű kutatási területek a lézerrendszerekkel gyorsított részecskenyalábok sugárterápiás alkalmazási lehetőségeinek kidolgozása, (melyek nagy költségigényű sugárminőségeket válthatnak ki, és így széles körű elérhetőséget biztosíthatnának), illetve a lézergenerált ionizáló sugárzás potenciális előnyeinek, biológiai hatásainak vizsgálata.

Lézeres részecskegyorsítás

Ha egy közeg megfelelő hőfokot ér el, akkor atomjai ionizálódnak. Az anyagnak ezt az állapotát nevezzük plazmának. Ezt az állapotot nagy intenzitású lézernyalábbal is elérhetjük, miközben a nagy intenzitású lézer keltette elektromágneses tér hatására a töltött részecskék akár relativisztikus energiákra is felgyorsulhatnak. Az elmúlt évtized kutatásai számos mechanizmust tártak fel hatékony, lézeralapú iongyorsításra. Az ELI-ALPS a lézerimpulzusokat 1 kHz, illetve 10 Hz ismétlési frekvenciával kibocsátó lézerrendszerei közül az utóbbi, 1021–1022 W/cm2 csúcsintenzitású fókuszált fény létrehozásával hatékony elektrongyorsítást és proton/szénion sugárforrás létrehozását teszik majd lehetővé. Ezen részecskeforrások paramétereinek monitorozására, a plazmaképződés, céltárgy-sűrűség tulajdonságainak kutatására a nagy lézerberendezéseket speciális diagnosztikai, dozimetriai mérőeszközök egészítik ki. Ezenkívül a szegedi ELI-ALPS központban az intenzív terahertzes impulzusokkal végzett lézeres utógyorsítás teljesen új megközelítéseinek tudományos kipróbálása is elvégezhető lesz. Az ELI-ALPS lézeres részecskegyorsítás révén sugárkezelésre potenciálisan alkalmas ionizáló részecske- és egyéb forrásai közül kiemelendő az ultranagy energiájú és dózisteljesítményű elektronnyaláb, a gyorsított magrészecskék, protonok, ionok létrehozása, valamint az ultrarövid impulzusú infravörös lézer filamentációs mélységi ionizációja. A biztonságos humán alkalmazás előfeltétele a megfelelő komplex berendezések, körülmények kialakítása, a dóziseloszlás kalkulálása, optimalizálása és mérése, valamint széles körű összehasonlító biológiai kísérletek végzése, melyekhez a fejlett hazai orvosbiológiai, biotechnológiai kutatócsoportok nyújtanak megbízható alapot és hátteret.

Szakirodalmi áttekintés

A technikai fejlesztések nyomán egyes nagyobb lézerkutató központokban, a 2000-es évektől elindulhatott a lézergyorsított ionizáló sugárforrások hatásának biológiai tesztelése. Lézergerjesztett, elektron-, illetve protonforrások, valamint másodlagos fotonnyalábok speciális jellemzője az ultranagy intenzitás, a pulzáló üzemmód és az egyes impulzusok extrém rövidsége. Japán szerzők (Shinohara et al., 2004) L5178Y egérsejteket és ezek XRCC4-deficiens mutáns verzióját sugarazták 1013 Gy/sec dózisteljesítményű fotonimpulzussokkal. A kolónia esszével meghatározott sejttúlélési görbék azonosak voltak a cézium standard sugárforrással felvett görbékkel. Ugyanígy nem volt releváns különbség a drezdai Helmholz Központban lézergyorsított, ismétlődő, nagy intenzitású elektronimpulzusokkal versus folyamatos üzemmódú klinikai elektronnyalábbal besugárzott sejtek túlélése és DNS kettős szál töréseik számában sem (Laschinsky et al., 2012). Lézer által gyorsított nagyon nagy energiájú (150–250 MeV) elektronnyaláb (VHEE) Monte Carlo-szimulációval kalkulált prosztatabesugárzás dóziseloszlását elemezve, ennek számos elméleti előnyére mutattak rá a szerzők (DesRosiers et al., 2008). Továbbá felvetették, hogy ma már meg lehetne valósítani ilyen VHEE-gyorsított lézerplazma technológiával, nagy dózisteljesítmény, valamint szelektív dózírozhatóság mellett a kis átmérőjű mezőegységeket finoman hangolva a céltérfogat pásztázását, nagy felbontású intenzitás modulált besugárzást eredményezve. Münchenben az ATLAS titán-zafír lézerrel (400 mJ energiájú 30 fs-os impulzus) valósították meg a lézerplazma protongyorsítást. Két minikvadrupól mágnest alkalmaztak a protonnyaláb 1,2 m-es távolságon történő fókuszálására és energiaszűrésére, 5,3 ± 0,15 MeV energiájú, kvázi monoenergetikus protonnyalábot létrehozva. Ezzel sugaraztak be humán tumorsejteket 0,13-tól 7 Gy dózistartományban, egyetlen impulzussal. Konvencionális protonforrásként a müncheni tandem gyorsító szolgált, ahol azonos protonenergiával sugarazták a sejteket. Alexa 488 festést alkalmaztak a 53bp1 és Cy3 festést γ-H2AX fókuszok kimutatására. A relatív biológiai hatékonyság meghatározását 200 keV-os referencia fotonforráshoz hasonlítva végezték. Így a lézergyorsított protonnyaláb RBE-je 1,3 ± 0,3–nak adódott, egyezően a ciklotronban gyorsított konvencionális protonok RBE-jével a referencia fotonforráshoz képest (Schmid et al., 2012). Fontos lépés volt az integrált dozimetriai és sejtbesugárzó rendszer kidolgozása, mely a lézerindukált protonbesugárzás alatt lehetővé teszi a pontos dózismonitorozást (Richter et al., 2011). Az in vitro kísérletek után sor került az első kisállatbesugárzásra is Münchenben 23 MeV-os lézergyorsított protonnal. Humán fej-nyak

laphámkarcinóma sejtek hátsó végtagi xenograftjának 20 Gy-vel történő besugárzása után ultrahanggal detektálták a tumorválaszt. Nem észleltek különbséget a hagyományos részecskegyorsítóban keltett protonok és a lézergyorsított protonnyaláb biológiai hatása között, sem pulzáló (RBE:1,22 ± 0,19) sem folyamatos üzemmódban (RBE:1,10 ± 0,18) (7). Összegezve tehát, az eddigi, korlátozott számú sugárbiológiai vizsgálat nem talált különbséget a lézerkeltett és a konvencionálisan gyorsított különböző ionizáló részecskenyalábok biológiai hatásában.

Szegedi sugárbiológiai kísérletek

Munkacsoportunk számos tudományos műhellyel együttműködve kezdte 2010-ben a sugárbiológiai kísérleteket a Pécsi és a Szegedi Egyetem Onkoterápiás Klinikáján elérhető, konvencionális humán sugárkezelésre használt foton-, elektron-forrásokkal (kobaltágyú, lineáris gyorsító) és BrainLab sztereotaktikus rendszerrel, célzottan a lézerközpont ionizáló sugárforrásainak tesztelésére készülve. Minden kísérletsorozathoz speciális kollimátorok, biológiai objektumok kezelésére alkalmas kiegészítő eszközök fejlesztése történt, és ezekkel pontos dozimetriai méréseket végeztünk. A sejtkultúra-kísérletek klasszikus sugárbiológia végpontjai kutatásaink alapján kiegészíthetők a sejttúlélés dinamikus követésére alkalmas impedancia alapú mérésekkel (Mán et al., 2015). Kisállatkísérleteinkhez kidolgoztuk hat patkány egyidejű, nagy pontosságú fokális agyi besugárzási módszerét (Hideghéty et al., 2013). A besugárzás hatásának detektálását komplex neurofunkcionális, képalkotó (MRI), hisztopatológiai és molekuláris vizsgálatokkal végeztük. E tradicionális sugárbiológiai rendszerek mellett bevezettük a zebradánió (Danio rerio) embrió gerinces modellt, köztes lépésként az in vitro sejttenyészet-alapú és kisemlősállat-vizsgálatok között. A zebrahal gyorsan és bőségesen szaporodik, könnyen tartható, tenyészthető, akár a hadronforrás melletti helyen is. Az 1–2 mm-es embriók és a korai felnőtt egyedek optikailag átlátszók, a szervi elváltozások, illetve egyes szervek fejlődése a fluoreszcens festéket termelő transzgenikus típusoknál könnyen detektálható. Számos kulcsfontosságú génje jól konzervált, megfelel humán DNS-szakaszoknak, amelyek fontos szerepet töltenek be a fejlődés, a sejtciklus, proliferáció és differenciálódás során, illetve a DNS-károsodások kijavító folyamataiban. Mind a megtermékenyítés, mind az embrionális fejlődés extrakorporálisan történik, jól manipulálható, tanulmányozható. A legtöbb szerv, például a szem, agy, szív, máj, izmok, csontok valamint a gyomor-bél rendszer kifejlődése közel 48 óra alatt teljessé válik. A kis méret nagy térbeli felbontást nyújt, a teljes organizmus nagyszámú egyedeinek besugárzása megbízható letalitási adatokat eredményez. Eddigi kíséreteink során különböző posztfertilizációs szakaszokban dánióembriók dózis-túlélés görbe meghatározását végeztük vad, illetve transzgenikus halembrió vonalaknál. Az 50%-os letalitást okozó dózis (LD50) 20 Gy-nek bizonyult. Sugárvédő anyag hatására bekövetkező túlélés javulást, illetve a kutatóreaktorban elérhető neutronnyalábbal relatív biológiai hatékonyság meghatározást végeztünk, eredményeinket sejtkultúra-kísérletekkel verifikálva. A halembrió modell ígéretesnek tűnik a lézerkeltett ionizáló sugárzás által okozott károsodások vizsgálatára, különböző sugárminőségek összehasonlítására. A továbbiakban ezen gerinces modell sugárbiológiai kutatásokra optimalizált módszerének, a túlélés mellett egyéb jól reprodukálható, megbízhatóan mérhető morfológiai, funkcionális, szövettani és molekuláris végpontjainak kidolgozását végezzük az ELI-ALPS központban lézergyorsított ionizáló sugárforrások sugárbiológiai kutatásának céljából.
 

Kulcsszavak: lézerplazma gerjesztett ionizáló sugárforrás, ELI-ALPS, orvosbiológiai kutatás, kisállat fokális agybesugárzás, zebrahal-embrió modell
 

SZAKIRODALOM

DesRosiers, Colleen – Moskvin, V. – Cao, M. – Joshi, C. J. – Langer, M. (2008): Laser-plasma Generated Very High Energy Electrons in Radiation Therapy of the Prostate. SPIE Proceedings. 6881, Commercial and Biomedical Applications of Ultrafast Lasers VIII, 688109 (15 February 2008), DOI:10.1117/12.761663 • WEBCÍM

Hideghéty Katalin – Plangár I. – Mán I. – Fekete G. – Nagy Z. – Volford G. – Tőkés T. – Szabó E. – Szabó Z. – Brinyiczki K. – Mózes P. – Németh I. (2013): Development of a Small-animal Focal Brain Irradiation Model To Study Radiation Injury And Radiation-Injury Modifiers. International Journal of Radiation Biology. 89, 8, 645–655. DOI: 10.3109/09553 002.2013.784424 • WEBCÍM

Hofmann, Kerstin M. – Schell, S. – Wilkens, J. J. (2012): Laser-driven Beam Lines for Delivering Intensity Modulated Radiation Therapy With Particle Beams. Journal of Biophotonics. 5, 11–12, 903–911. DOI: 10.1002/jbio.201200078 • WEBCÍM

Laschinsky, Lydia – Baumann, M. – Beyreuther, E. – Enghardt, W. – Kaluza, M. – Karsch, L. – Lessmann, E. – Naumburger, D. – Nicolai, M. – Richter, C. – Sauerbrey, R. – Schlenvoigt, H. P. – Pawelke, J. (2012): Radiobiological Effectiveness of Laser Accelerated Electrons in Comparison to Electron Beams from a Conventional Linear Accelerator. Journal of Radiation Research. 53, 3, 395–403. doi:10.1269/jrr.1108 • WEBCÍM

Mán Imola – Szebeni G. J. – Plangár,I. – Szabó R. E. – Tőkés T. – Szabó Z. – Nagy Z. – Fekete G. – Fajka-Boja R. – Puskás L. G. – Hideghéty K. – Hackler L. (2015): Novel Realtime Cell Analysis Platform for the Dynamic Monitoring of Ionizing Radiation Effects on Human Tumor Cell Lines and Primary Fibroblasts. Molecular Medicine Reports. 12, 3, 4610–41619. DOI: 10.3892/mmr.2015.4004 • WEBCÍM

Richter, C . – Karsch, L. – Dammene, Y. – Kraft, S. D. – Metzkes, J. – Schramm, U. – Schürer, M. – Sobiella, M. – Weber, A. – Zeil, K. – Pawelke, J. (2011): A Dosimetric System for Quantitative Cell Irradiation Experiments with Laser-accelerated Protons. Physics in Medicine and Biology. Mar, 21, 56, 6,1529–1543. DOI: 10.1088/0031-9155/56/6/002 • WEBCÍM

Shinohara, Kunio – Nakano, H. – Miyazaki, N. – Tago, M. – Kodama, R. (2004): Effects of Single-pulse (< or = 1 ps) X-rays from Laser-produced Plasmas on Mammalian Cells. Journal of Radiation Research. 45, 4, 509–514. DOI: 10.1269/jrr.45.509 • WEBCÍM

Schmid, Thomas – Allinger, K. – Bin, J. – Dollinger, G. – Drexler, G. – Humble, N. –Reinhardt, S. – Zlobinskaya, O. – Schreiber, J . – Wilkens, J. (2012): Relative Biological Effectiveness of Single-shot Irradiation with Laser-driven Nanosecond Proton Bunches. IJROPB – International Journal of Radiation Oncology • Biology • Physics. 84, 3, S684–S685. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2012.07.1828 • WEBCÍM

Zlobinskaya, Olga – Siebenwirth, C. – Greubel, C. – Hable, V. – Hertenberger, R. – Humble N. – Reinhardt S. – Michalski, D. – Röper, B. – Multhoff, G. – Dollinger, G. – Wilkens, J. J. – Schmid, T. E. (2014): The Effects of Ultra-high Dose Rate Proton Irradiation on Growth Delay in the Treatment of Human Tumor Xenografts in Nude Mice. Radiation Research. Feb; 181, 2, 177–183. DOI: 10.1667/RR13464.1 • WEBCÍM