În timp ce efectul moleculelor radiosensibilizatoare în cadrul radioterapiilor utilizate în lupta anti-cancer se cunoaște de multă vreme, mecanismele moleculare exacte din spatele acestuia – capacitatea radiosensibilizatorului administrat intratumoral de a crește la nivel local potențialul de distrugere, prin efectul radiațiilor, a celulelor canceroase – nu au fost descifrate încă.
O echipă internațională de cercetători din Japonia, Finlanda, SUA, Franța, China, Coreea și România (prin IFIN-HH – Institutul de Fizica si Inginerie Nucleara – Horia Hulubei, respectiv ELI-NP – Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics) a pus în evidență modul în care molecula se destramă și natura fragmentelor ionice formate prin „explozia” edificiului molecular imediat după ionizare, făcând astfel lumină asupra rolului ionilor energetici în inițierea reacțiilor de distrugere a materialului genetic, ducând în cele din urmă la eliminarea celulelor canceroase.
Experimentul a fost realizat în Japonia, la SACLA, a doua infrastructură laser cu electroni liberi în domeniul razelor X din lume. Pulsurile de raze X ale acestui laser sunt atât de luminoase și atât de scurte, încât au capacitatea de a „despuia” (stripping) nucleele atomice, îndepărtând majoritatea electronilor din moleculele vizate, care apoi explodează în doar o fracțiune de secundă.
Echipa a reușit să măsoare energiile cinetice și direcțiile de emisie a fragmentelor ionice ejectate din 5-iodouracil (IU), o moleculă analoagă cu o bază azotată cu relevanță biologică, a cărui efect radiosensibilizator se cunoaște de multă vreme. Măsurătorile au putut fi reproduse în mod fidel cu ajutorul modelării teoretice.
Acest efort comun al experimentatorilor și teoreticienilor, publicat în Physical Review X, revistă de primă importanță a APS (Societatea Americană de Fizică), dar ale cărui rezultate se vor publica de asemenea și în Faraday Discussions (revista Societății Regale de Chimie), dovedește fără echivoc producția locală a unui „mix de radiații”, constând în ioni energetici, al căror efect de distrugere locală se adaugă celui genotoxic, deja cunoscut, al electronilor de energie joasă generați prin mecanismele de relaxare electronică în cascadă.
Cătălin Miron, ELI-NP, care a contribuit la realizarea experimentală și la interpretarea acestor rezultate, afirmă următoarele:
Ne așteptăm ca producerea „mixului de radiații” descoperită aici să contribuie la înțelegerea în ansamblu a modului în care funcționează radiosensibilizatorii la nivel molecular și ca ea să inspire conceperea de noi medicamente de radiosensibilizare, ameliorând astfel eficiența radioterapiilor.
Kiyoshi Ueda, de la Universitatea Tohoku, cel care a conceput acest studiu în calitate de
coordonator, completează:
Prezentul studiu indică în mod clar, faptul că, încă din stadiile incipiente ale dinamicii moleculare inițiate de către interacția cu radiația laserului X cu electroni liberi, doar atomii de hidrogen au timp să se deplaseze semnificativ, în vreme ce legăturile dintre atomii mai grei se alungesc doar puțin. Acest rezultat validează astfel și metodologia pentru imagistica difractivă single-shot a biomacromoleculelor, confirmând laserul cu electroni liberi în domeniul razelor X ca fiind un instrument fiabil.
Radiația laser în femtosecunde (10-15 s) de mare putere și combinarea acesteia cu cea mai strălucitoare sursă acordabilă de raze g construită vreodată, așa cum va fi cea în curând disponibilă la ELI-NP, ar putea permite parcurgerea următorilor pași în vederea implementării mecanismelor descoperite aici pentru aplicații biomedicale practice.
Rezultatul a fost obținut de o echipă internațională de oameni de știință de la Universitatea Tohoku, Universtitatea Kyoto, Universtitatea Hiroshima, Institutul Tehnologic Hiroshima, Universitatea Hokkaido, Centrul RIKEN Spring-8 și JASRI (Japonia), Universitatea Turku (Finlanda), Universitatea Statului Kansas (SUA), Synchrotron SOLEIL (Franța), Universitatea Beihang, SARI și SINAP (China), POSTECH (Coreea) și IFIN-HH / ELI-NP (România).
Detaliile publicațiilor:
- Ultrafast Dynamics of a Nucleobase Analogue Illuminated by a Short Intense X-ray Free Electron Laser Pulse
K. Nagaya, K. Motomura, E. Kukk, H. Fukuzawa, S. Wada, T. Tachibana, Y. Ito, S. Mondal, T. Sakai, K. Matsunami, R. Koga, S. Ohmura, Y. Takahashi, M. Kanno, A. Rudenko, C. Nicolas, X.J. Liu, Y. Zhang, J. Chen, M. Anand, Y. H. Jiang, D.E. Kim, K. Tono, M. Yabashi, H. Kono, C. Miron, M. Yao, K. Ueda;
Physical Review X 6, 021035 (2016);
DOI: 10.1103/PhysRevX.6.021035, publicat online pe data de 16 iunie 2016.
- Femtosecond charge and molecular dynamics of I-containing organic molecules Induced by intense x-ray freeelectron laser pulses
K. Nagaya, K. Motomura, E. Kukk, Y. Takahashi K. Yamazaki, S. Ohmura, H. Fukuzawa, S. Wada, S. Mondal, T. Tachibana, Y. Ito, R. Koga, T. Sakai, K. Matsunami, K. Nakamura, M. Kanno, A. Rudenko, C. Nicolas, X.-J. Liu, C. Miron, Y. Zhang, Y. Jiang, J. Chen, M. Anand, D.E. Kim, K. Tono, M. Yabashi, M. Yao, H. Kono, K. Ueda;
Faraday Discussions, acceptat (2016).
ELI-NP este pilonul românesc al Extreme Light Infrastructure (ELI), prima infrastructură de cercetare internațională pentru utilizatori în domeniul laserilor. Construit la București-Măgurele (România), ELI-NP prezintă o oportunitate unică de deschidere a unor noi direcții de cercetare în fizică la frontiera între două domenii.
Pe de o parte realizarea de experimente laser în fizica nucleară, electrodinamica cuantică în câmp puternic și studierea efectelor iradierii laser a vidului, prin utilizarea a doi laseri de 10 PW fiecare. Cel de-al doilea domeniu are la bază fasciculul de raze gamma (până la 20 MeV) de înaltă strălucire și intensitate, obținut prin împrăștierea Compton inversă, utilizând o combinație de laser și accelerator convențional, si care va permite investigarea structurii nucleare și a reacțiilor nucleare cu ajutorul fotonilor, precum și astrofizica nucleară cu o precizie și acuratețe fără precedent.
ELI-NP va reuni două comunități științifice foarte importante, respectiv cea a laserilor și cea a fizicii nucleare și a astrofizicii, care nu au avut niciodată oportunitatea unei astfel de întâlniri, pentru a realiza integrarea celor două discipline, dând naștere fotonicii nucleare.
Numeroase aplicații în știința materialelor, fizica plasmei și biologia radiației vor fi explorate de către o vastă comunitate internațională de utilizatori. Mai multe informații puteți găsi accesând www.eli-np.ro.
