Тяжелые ионы разрушили раковые клетки с помощью ударной волны

Причиной разрушения микрокапель или раковых клеток при прохождении через них пучка ионов оказалась возникающая при этом ударная волна. К такому выводу пришли физики, исследовав подобную систему теоретически и с помощью компьютерного моделирования. В работе, опубликованной в European Physical Journal D, физики оценили размер капли, которую можно таким образом разрушить. Полученные результаты могут оказаться полезными для изучения механизмов радиотерапии тяжелыми ионами, которая используется для лечения онкологических заболеваний.

На поверхность любой капли жидкости действует большое количество сил различной природы, поэтому в некоторых случаях она становится неустойчивой, и капля распадается. Возникают такие неустойчивости, если сила поверхностного натяжения становится неспособна подавить возмущения, которые появляются из-за нагревания, силы тяжести, скорости жидкости или какого-то внешнего поля. При некоторых типах неустойчивостей, например, если слишком сильно зарядить поверхность капли, большие капли могут распадаться на огромное количество очень маленьких капель, превращаясь в наноаэрозоль. Такой эффект используется, например, при лечении раковых заболеваний с помощью радиотерапии тяжелыми ионами. Для этого злокачественная область облучается ионным пучком (обычно для этого используются ионы углерода). Считается, что основной эффект при этом связан с разрушением структуры молекул ДНК под действием ударной волны от ионного пучка. Несмотря на успешность метода и эмпирическое понимание того, как связаны параметры ионного пучка со степенью разрушений раковых клеток, точный физический механизм этого процесса до сих пор оставался не изучен.

Чтобы подробно исследовать влияние пучка сильно заряженных ионов на жидкую каплю или клетку, группа физиков из США, Испании и Германии под руководством Евгения Сурдутовича (Eugene Surdutovich) из Университета Окленда, провела компьютерное моделирование такой системы и предложила теоретическое объяснение для наблюдающихся эффектов. С помощью метода молекулярной динамики ученые промоделировали систему в явном виде и изучили, как меняется поведение системы в зависимости от скорости ионов, их заряда и размера капли. 

Оказалось, что прохождение пучка ионов через каплю из-за линейной передачи энергии вызывает образование в ней ударной волны. Под действием нее примерно в течение примерно 100 пикосекунд капля распадается на отдельные нанокапельки, которые разлетаются в разные стороны, образуя аэрозоль. При этом если за это время капля не успела разрушиться полностью, то поверхность цилиндрической полости, которая образовалась в результате действия ударной волны в области за пролетевшим ионом, начинает охлаждаться и схлопывается обратно. Поэтому слишком большие капли таким образом полностью распылить не удастся.

Оказалось, что если энергия ионов составляет около 0,1 до 0,5 мегаэлектронвольт на атомную единицу массы (что является типичным значением для ионного пучка при радиотерапии), то максимальный размер капли воды которую можно таким способом превратить в аэрозоль, составляет около 2,5 микрон.

Поделиться

При этом максимальный радиус капли, для которой будет наблюдаться такой эффект, зависит от заряда иона и от его энергии. Оказалось, что чем больше заряд (а в реальных приборах обычно используют ионы углерода с большим зарядом: от +4 до +6), тем большего размера капли ионный пучок может разбить. При этом от его энергии зависимость обратная: чем больше энергия, тем меньше размер капли.

Кроме того, физики обнаружили, что для капли существует и нижний предел, при котором ударная волна перестает быть главной причиной распада капли. Связано это с тем, что при прохождении через каплю ионного пучка она заряжается, а слишком большой заряд маленькой капли из-за электростатических сил ведет к ее разрушению даже раньше ударной волны. Такой эффект наблюдается только для совсем маленьких капелек размером от 15 до 25 нанометров, поэтому он сильно не ограничивает диапазон применения ионизирующей радиотерапии. 

По словам авторов работы, других возможных причин, помимо ударной волны, для распада нано- или микрокапли быстрее, чем за одну миллисекунду, предложить нельзя. Поэтому полученные ими результаты помогут после соответствующей экспериментальной проверки лучше понять механизмы разрушения раковых клеток при ионизирующей радиотерапии.

Исследование поведения заряженных капель небольшого размера интересно как с точки зрения различных приложений, в том числе и медицинских, так и для фундаментальных исследований, например, при изучении свойств ядер атомов или вращающихся звезд. Для этого недавно ученые построили полную фазовую диаграмму для вращения заряженных капель в невесомости. Форма некоторых из таких капель оказалась довольно необычной.

Александр Дубов

Причиной разрушения микрокапель или раковых клеток при прохождении через них пучка ионов оказалась возникающая при этом ударная волна. К такому выводу пришли физики, исследовав подобную систему теоретически и с помощью компьютерного моделирования. В работе, опубликованной в European Physical Journal D, физики оценили размер капли, которую можно таким образом разрушить. Полученные результаты могут оказаться полезными для изучения механизмов радиотерапии тяжелыми ионами, которая используется для лечения онкологических заболеваний.

На поверхность любой капли жидкости действует большое количество сил различной природы, поэтому в некоторых случаях она становится неустойчивой, и капля распадается. Возникают такие неустойчивости, если сила поверхностного натяжения становится неспособна подавить возмущения, которые появляются из-за нагревания, силы тяжести, скорости жидкости или какого-то внешнего поля. При некоторых типах неустойчивостей, например, если слишком сильно зарядить поверхность капли, большие капли могут распадаться на огромное количество очень маленьких капель, превращаясь в наноаэрозоль. Такой эффект используется, например, при лечении раковых заболеваний с помощью радиотерапии тяжелыми ионами. Для этого злокачественная область облучается ионным пучком (обычно для этого используются ионы углерода). Считается, что основной эффект при этом связан с разрушением структуры молекул ДНК под действием ударной волны от ионного пучка. Несмотря на успешность метода и эмпирическое понимание того, как связаны параметры ионного пучка со степенью разрушений раковых клеток, точный физический механизм этого процесса до сих пор оставался не изучен.

Чтобы подробно исследовать влияние пучка сильно заряженных ионов на жидкую каплю или клетку, группа физиков из США, Испании и Германии под руководством Евгения Сурдутовича (Eugene Surdutovich) из Университета Окленда, провела компьютерное моделирование такой системы и предложила теоретическое объяснение для наблюдающихся эффектов. С помощью метода молекулярной динамики ученые промоделировали систему в явном виде и изучили, как меняется поведение системы в зависимости от скорости ионов, их заряда и размера капли. 

Оказалось, что прохождение пучка ионов через каплю из-за линейной передачи энергии вызывает образование в ней ударной волны. Под действием нее примерно в течение примерно 100 пикосекунд капля распадается на отдельные нанокапельки, которые разлетаются в разные стороны, образуя аэрозоль. При этом если за это время капля не успела разрушиться полностью, то поверхность цилиндрической полости, которая образовалась в результате действия ударной волны в области за пролетевшим ионом, начинает охлаждаться и схлопывается обратно. Поэтому слишком большие капли таким образом полностью распылить не удастся.

Оказалось, что если энергия ионов составляет около 0,1 до 0,5 мегаэлектронвольт на атомную единицу массы (что является типичным значением для ионного пучка при радиотерапии), то максимальный размер капли воды которую можно таким способом превратить в аэрозоль, составляет около 2,5 микрон.

Поделиться

При этом максимальный радиус капли, для которой будет наблюдаться такой эффект, зависит от заряда иона и от его энергии. Оказалось, что чем больше заряд (а в реальных приборах обычно используют ионы углерода с большим зарядом: от +4 до +6), тем большего размера капли ионный пучок может разбить. При этом от его энергии зависимость обратная: чем больше энергия, тем меньше размер капли.

Кроме того, физики обнаружили, что для капли существует и нижний предел, при котором ударная волна перестает быть главной причиной распада капли. Связано это с тем, что при прохождении через каплю ионного пучка она заряжается, а слишком большой заряд маленькой капли из-за электростатических сил ведет к ее разрушению даже раньше ударной волны. Такой эффект наблюдается только для совсем маленьких капелек размером от 15 до 25 нанометров, поэтому он сильно не ограничивает диапазон применения ионизирующей радиотерапии. 

По словам авторов работы, других возможных причин, помимо ударной волны, для распада нано- или микрокапли быстрее, чем за одну миллисекунду, предложить нельзя. Поэтому полученные ими результаты помогут после соответствующей экспериментальной проверки лучше понять механизмы разрушения раковых клеток при ионизирующей радиотерапии.

Исследование поведения заряженных капель небольшого размера интересно как с точки зрения различных приложений, в том числе и медицинских, так и для фундаментальных исследований, например, при изучении свойств ядер атомов или вращающихся звезд. Для этого недавно ученые построили полную фазовую диаграмму для вращения заряженных капель в невесомости. Форма некоторых из таких капель оказалась довольно необычной.

Александр Дубов