Các electron chậm chiến đấu với bệnh ung thư

Nghiên cứu sinh Janine Schestka. Nguồn: TU Wien

Các chùm ion thường được sử dụng ngày nay để điều trị ung thư: nó bao gồm các nguyên tử được tích điện để đốt tại điểm có khối u để phá hủy các tế bào ung thư. Mặc dù trên thực tế các ion tự nó không phải là nguyên nhân mang tính quyết định. Khi các ion thâm nhập qua các vật liệu rắn, chúng có thể chia sẻ một phần năng lượng với từng electron, khiến sau đó chúng tiếp tục chuyển với tốc độ chậm tương ứng và các electron này phá hủy DNA của các tế bào ung thư một cách chính xác.

Cơ chế này phức tạp và chưa được hiểu một cách đầy đủ. Nhưng giờ các nhà nghiên cứu tại trường TU Wien đã có thể chứng minh được hiệu ứng ít được quan sát trên thực tế đóng một vai trò cốt lõi trong bối cảnh này: do một quá trình được gọi là phân rã liên nguyên tử Coulomb (ICD), một ion có thể chuyển một năng lượng tăng thêm xung quanh các hạt nhân. Sự giải phóng một số lượng lớn các electron với lượng năng lượng phù hợp một cách chính xác để tối ưu khả năng hủy diệt DNA của các tế bào ung thư. Để hiểu và tăng cường hơn hiệu quả của liệu pháp ion, cơ chế này hoàn toàn phải được tính đến. Kết quả nghiên cứu đã được xuất bản trong ấn bản Journal of Physical Chemistry Letters.

Một hạt nhanh - hoặc mất mát của những hạt chậm

Khi một hạt mang điện tích thâm nhập vào một vật liệu với tốc độ cực lớn – như mô người – nó để lại một đống lộn xộn hạt nhân khổng lồ phía sau: “Điều này có thể kích hoạt một loạt những tầng hiệu ứng”, Janine Schwestka, tác giả chính của công bố, hiện đang thực hiện luận văn tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của giáo sư Friedrich Aumayr và tiến sĩ Richard Wilhelm, nói. Khi ion chuyển động qua các nguyên tử, các hạt ở đó và các hạt khác có thể trở nên ion hóa, các electron nhanh bay xung uanh và sau đó va chạm với các hạt khác. Cuối cùng, một ion nhanh mang điện tích có thể kích hoạt một trận mưa hạt với hàng trăm electron mang năng lượng thấp hơn nhiều.

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường quen dùng các vật thể nhanh mang hiệu ứng lớn hơn hẳn các vật thể chậm – một cú đá bóng với lực tác động lớn có thể là nguyên nhân phá hủy một cửa hàng hơn một cú đá tương tự nhưng lực yếu. Ở cấp độ nguyên tử, dẫu sau, điều này không thể áp dụng được: “Khả năng một electron chậm phá hủy một sợi DNA còn lớn hơn. Ngược lại, một electron có tốc độ nhanh thông thường chỉ bay qua phân tử DNA mà không để lại dấu vết nào”, Janine Schwestka giải thích.

Từ một vỏ electron đến một electron khác

Nhóm nghiên cứu TU Wien mới đây đã có một cái nhìn gần hơn vào một hiệu ứng đặc biệt, phân ra Coulomb liên hạt nhân. “Các electron của ion có thể đảm đương nhiều trạng thái khác biệt. Phụ thuộc vào việc có bao nhiêu năng lượng, chúng có thể định được một trong những lớp vỏ bên trong, gần hơn với các hạt nhân, hoặc trong lớp vỏ ở phía ngoài”, Janine Schwestka nói. Electron không thể chiếm hữu được tất cả các không gian. Nếu một lớp vỏ electron trong phạm vi năng lượng trung gian là tự do thì từ một lớp vỏ với năng lượng cao, một electron có thể vượt qua đó. Chính năng lượng được phát ra đó, vốn sau đó có thể tiếp tục đến vật liệu theo đường phân rã liên nguyên tử Coulomb: “Ion này vận chuyển năng lượng này tới phần lớn các nguyên tử theo hướng thẳng vùng lân cận tại cùng thời điểm. Một electron bị tách ra từ từng nguyên tử đó nhưng bởi năng lượng được phân chia giữa các nguyên tử mà chúng ta đang đề cập đến có nhiều eletron chậm”, Schwestka giải thích.

Xenon và graphene

Với sự hỗ trợ của một cài đặt trong một thực nghiệm được sắp đặt một cách kỹ lưỡng, bây giờ có thể chứng minh tính hiệu quả của quá trình này. Các ion xenon mang điện tích được nhân lên bội phần được bắn vào một lớp graphene. Các electron từ các lớp vỏ phía bên ngoài xenon chuyển đến một vị trí trong lớp vỏ khác với ít năng lượng hơn, dẫn đến các electron bị tách ra từ một số lượng lớn các nguyên tử carbon trong lớp graphene, vốn sau đó được một máy dò ghi lại, để đo đạc năng lượng của chúng. “Trên thực tế, theo cách này, chúng tôi đã có thể chứng tỏ phân rã liên nguyên tử Coulomb đóng vai trò trung tâm trong việc phát ra một lượng lớn các electron tự do trong vật liệu này”, giáo sư Friedrich Aumayr nói.

Để có thể miêu tả được chính xác sự tương tác của các chùm tia ion với các vật liệu rắn hoặc các mô hữu cơ, người ta hoàn toàn phải tính đến hiệu ứng này. Điều này rất quan trọng, bởi một mặt, để tối ưu liệu pháp chùm tia ion trong điều trị ung thư, cũng như trong nhiều lĩnh vực quan trọng khác như bảo vệ sức khỏe của những phi hành đoàn tại các trạm vũ trụ, vốn bị phơi nhiễm trước sự bắn phá của các hạt từ bức xạ vũ trụ.

https://phys.org/news/2019-08-electrons-combat-cancer.html