Международная группа физиков с участием исследователей из МФТИ создала лазерный источник ионизирующего излучения с рекордной мощностью дозы и впервые применила его для прямого изучения FLASH-эффекта — явления, которое обещает сделать лучевую терапию рака щадящей для здоровых тканей. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Радиотерапия — один из трех главных методов лечения рака наряду с хирургией и химиотерапией. Ее принцип прост: ионизирующее излучение ломает ДНК опухолевых клеток, разрушая их способность делиться. Проблема в том, что излучение не умеет различать злокачественные и здоровые клетки — оно поражает все на своем пути. Именно поэтому после курса лучевой терапии пациенты нередко страдают от воспалений, фиброза, потери волос и других тяжелых побочных эффектов.
Что если опухоль можно уничтожить, почти не задев здоровые ткани? Открытие FLASH-эффекта в 2010-е годы перевернуло базовые представления о том, что вообще возможно. Оказалось, что при мощности дозы выше 40 Гр/с здоровые ткани повреждаются заметно слабее, чем при стандартном облучении той же суммарной дозой, тогда как опухоль подавляется столь же эффективно.
Сначала это выглядело как артефакт или ошибка эксперимента — слишком велик был разрыв между скоростью подачи дозы и биологическим эффектом. Однако по мере накопления данных — сначала на мышах, затем на более крупных животных, а в последние годы и в первых клинических испытаниях на пациентах — FLASH-эффект подтверждался снова и снова. Его механизм по-прежнему не ясен до конца, однако ключевую роль, по-видимому, играет радикальное истощение кислорода в облучаемой ткани за ничтожно малое время. Кислород является «усилителем» радиационного повреждения: чем его меньше в момент облучения, тем менее эффективно излучение поражает нормальные клетки. При сверхвысокой мощности дозы кислород просто не успевает восстановиться в ткани, и она оказывается временно «защищенной».
Главная экспериментальная трудность состоит в следующем: для изучения FLASH-эффекта нужны источники, которые дают достаточно высокую дозу при достаточно высокой интенсивности и одновременно позволяют точно измерить обе величины и контролировать условия эксперимента.
Обычные медицинские линейные ускорители работают на несопоставимо больших временах и принципиально не могут разделить физическую стадию облучения (когда происходит ионизация молекул) и химическую (когда образующиеся радикалы диффундируют и вступают в реакции).
Установка работает с использованием двух лазерных импульсов по одной и той же мишени. Мишень — не металлическая фольга, как в большинстве лазерных ускорителей, а тонкий слой сверхлегкой полимерной пены (2–5 миллиграммов на кубический сантиметр). Сначала на мишень приходит наносекундный импульс: он превращает пену в плазму строго нужной плотности — не слишком плотную и не слишком разреженную. Через несколько наносекунд, когда плазма готова, на нее воздействует главный, субпикосекундный импульс очень большой интенсивности, около 10¹⁹ Вт/см².
Лазерный луч создает в плазме ионный канал, вытесняя из него электроны, в котором возникают сильные квазистатические электрические и магнитные поля. В этих полях захваченные в канал электроны начинают колебаться поперек луча, и когда эти колебания попадают в резонанс с волной лазера, электроны эффективно набирают энергию от лазера и разгоняются почти до скорости света. Так за пикосекунду рождается плотный направленный пучок электронов с энергиями до десятков мегаэлектронвольт, которым и облучают водяные фантомы и биологические среды.
Ключевых находок две. Во-первых, именно двухимпульсная схема с пенной мишенью дает пучок электронов с потоком и энергией в 10–15 раз больше, чем при облучении обычной металлической фольги,— отсюда и рекордная мощность дозы. Во-вторых, эксперимент назван пилотным потому, что это первая проверка нового источника в деле: авторы впервые показали, что таким пучком можно не только дозировано облучать, но и проводить точные радиохимические измерения — и сразу измерили то, что прежде не удавалось никому (об этом — ниже).
При каждом лазерном выстреле импульс длительностью около 750 фемтосекунд вкладывает в биологическую мишень 20–50 Гр дозы ионизирующего излучения. Мощность дозы достигает 70 Гр/пс, это мировой рекорд. Для сравнения: клинические FLASH-установки выдают до нескольких сотен грей в секунду, а лучшие лазерные исследовательские прототипы — порядка миллиарда грей в секунду. Новый источник мощнее их в десятки тысяч раз и открывает пикосекундный режим, недостижимый никакими другими средствами.
Ключевое физическое преимущество пикосекундного пучка — возможность разделить во времени две стадии лучевого воздействия, которые обычные ускорители смешивают воедино. На физической стадии — в первую пикосекунду — происходит непосредственная ионизация молекул, в том числе молекулярного кислорода О₂. На химической стадии — от пикосекунд до микросекунд — образовавшиеся агрессивные частицы (гидроксил-радикалы, супероксид, перекись водорода) расползаются по клетке и атакуют ДНК и другие биомолекулы.
Именно пикосекундная длительность лазерного пучка позволяет «сфотографировать» момент между этими двумя стадиями: в момент попадания пучка ионизация молекулярного кислорода происходит, но химические реакции еще не начались. Измерив падение концентрации O₂ в этот момент, можно напрямую определить, сколько молекул кислорода было ионизировано за один выстрел — ключевую величину для понимания механизма FLASH-эффекта.
В пилотном эксперименте авторы впервые количественно измерили скорость потребления кислорода в воде и биологических средах при мгновенной мощности дозы 50–70 Гр/пс. Ключевые реакции — захват молекулами кислорода медленных электронов и атомов водорода — идентифицированы по характерному падению концентрации растворенного кислорода с ростом дозы.
Результаты измерений оказались хорошо согласованы с расчетами методом Монте-Карло. Это первое в мире измерение такого рода: прежде химическую стадию радиационного воздействия никто не мог наблюдать в чистом виде, отдельно от физической, из-за недостаточного временного разрешения источников излучения.
Николай Андреев, профессор кафедры физики высоких плотностей энергии МФТИ, прокомментировал: «Лазерный источник позволил нам впервые в истории разделить физическую и химическую стадии радиационного воздействия и исследовать каждую по отдельности. Если мы поймем физику FLASH-эффекта на молекулярном уровне, это даст нам в руки инструмент для управляемой прецизионной терапии — где доза убивает опухоль, а не пациента».
Научная статья: Gyrdymov M., Bukharskii N., Fabian V., Häfner M., Karoon P., Borisenko N. G., Cikhardt J., Zähter S., Korneev P., Jacoby J., Andreev N. E., Rosmej O. N. Ultra-intense pulsed source of ionizing radiation based on direct laser acceleration of electrons for studying the FLASH effect // Scientific Reports 16, 7164 (2026). DOI: 10.1038/s41598-026-40281-4
Работа была сделана сотрудниками МФТИ совместно с коллегами из Объединенного института высоких температур РАН, Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, НИЯУ МИФИ, Института прикладной физики Университета имени Гёте (Франкфурт-на-Майне), Центра по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI (Дармштадт), Исследовательской академии Гельмгольца Гессена для FAIR, Чешского технического университета в Праге, Университета Суранари (Таиланд) и компании Focused Energy.
