Сегодня ионные пучки часто используются при лечении рака: при этом в опухоль направляются электрически заряженные атомы, разрушающие раковые клетки. Хотя на самом деле не сами ионы наносят решающий урон.
Когда ионы проникают через твердый материал, они могут делиться частью своей энергии со многими отдельными электронами, которые затем продолжают двигаться с относительно низкой скоростью – и именно эти электроны затем разрушают ДНК раковых клеток.
Этот механизм сложен и еще не полностью изучен. Исследователи из TU Wien теперь смогли продемонстрировать, что ранее мало наблюдавшийся эффект на самом деле играет ключевую роль в этом контексте: благодаря процессу, называемому межатомным кулоновским распадом, ион может передавать дополнительную энергию окружающим атомам.
Это освобождает огромное количество электронов с нужным количеством энергии, чтобы нанести оптимальное повреждение ДНК раковых клеток. Чтобы понять и улучшить эффективность ионной терапии, необходимо обязательно учитывать этот механизм. Результаты были недавно опубликованы в специализированном издании Journal of Physical Chemistry Letters.
Одна быстрая частица – или много медленных
Когда заряженная частица проникает в материал с большой скоростью, например в ткани человека, она оставляет после себя гигантский атомный беспорядок: «Это может вызвать целый каскад эффектов», – говорит Джанин Швестка, ведущий автор недавней публикации: которая в настоящее время работает над диссертацией в коллективе под руководством проф.
Фридрих Аумайр и доктор Ричард Вильгельм. Когда ион движется через другие атомы, эти и другие частицы могут ионизироваться, быстрые электроны летают и затем сталкиваются с другими частицами.
В конечном итоге быстрый заряженный ион может вызвать ливень частиц из сотен электронов, каждый с гораздо меньшей энергией.
В повседневной жизни мы привыкли к тому, что быстрые предметы производят более драматический эффект, чем более медленные – футбольный мяч, нанесенный с полной силой, наносит гораздо больший урон в посудной лавке, чем тот, который осторожно катят внутрь. Однако на атомном уровне это неприменимо: «Вероятность того, что медленный электрон разрушит цепь ДНК, намного выше. И наоборот, чрезвычайно быстрый электрон обычно просто пролетает мимо молекулы ДНК, не оставляя следов », – объясняет Джанин Швестка.
От одной электронной оболочки к другой
Команда из TU Wien недавно внимательно изучила чрезвычайно специальный эффект, а именно межатомный кулоновский распад. "Электроны иона могут принимать разные состояния.
В зависимости от того, сколько у них энергии, они могут располагаться в одной из внутренних оболочек, рядом с ядром или во внешней оболочке », – говорит Янин Швестка. Не все возможные электронные пространства заняты. Если электронная оболочка в диапазоне средних энергий свободна, электрон может перейти туда из оболочки с более высокой энергией.
Это высвобождает энергию, которая затем может быть передана материалу через межатомный кулоновский распад: «Ион передает эту энергию нескольким атомам в непосредственной близости одновременно. По одному электрону отделяется от каждого из этих атомов, но поскольку энергия делится между несколькими атомами, мы говорим о множестве очень медленных электронов », – объясняет Швестка.
Ксенон и графен
С помощью оригинальной экспериментальной установки теперь можно было доказать эффективность этого процесса. Многозарядные ионы ксенона стреляют в слой графена. Электроны из внешних ксеноновых оболочек переключаются в положение в другой оболочке с меньшей энергией, в результате чего электроны отделяются от многочисленных атомов углерода в слое графена, которые затем регистрируются детектором для измерения их энергии. «Фактически, таким образом мы смогли показать, что межатомный кулоновский распад играет жизненно важную роль в генерации большого количества свободных электронов в материале», – говорит профессор.
Фридрих Аумайр.
Чтобы правильно описать взаимодействие ионных пучков с твердыми материалами или органическими тканями, этот эффект необходимо обязательно учитывать.
Это важно, с одной стороны, для оптимизации ионно-лучевой терапии для лечения рака, но также и для других важных областей, таких как защита здоровья экипажей космических станций, где вы постоянно подвергаетесь бомбардировке частицами космического излучения.