Важкі іони зруйнували ракові клітини за допомогою ударної хвилі

Причиною руйнування мікрокапель або ракових клітин при проходженні через них пучка іонів виявилася виникаюча при цьому ударна хвиля. До такого висновку прийшли фізики, дослідивши подібну систему теоретично і за допомогою комп'ютерного моделювання. У роботі, опублікованій в, фізики оцінили розмір краплі, яку можна таким чином зруйнувати. Отримані результати можуть виявитися корисними для вивчення механізмів радіотерапії важкими іонами, яка використовується для лікування онкологічних захворювань.

На поверхню будь-якої краплі рідини діє велика кількість сил різної природи, тому в деяких випадках вона стає нестійкою, і крапля розпадається. Виникають такі нестійкості, якщо сила поверхневого натягнення стає нездатна придушити обурення, які з'являються через нагрівання, сили тяжкості, швидкості рідини або якогось зовнішнього поля. При деяких типах нестійкостей, наприклад, якщо занадто сильно зарядити поверхню краплі, великі краплі можуть розпадатися на величезну кількість дуже маленьких крапель, перетворюючись на наноаерозоль. Такий ефект використовується, наприклад, при лікуванні ракових захворювань за допомогою радіотерапії важкими іонами. Для цього злоякісна область опромінюється іонним пучком (зазвичай для цього використовуються іони вуглецю). Вважається, що основний ефект при цьому пов'язаний з руйнуванням структури молекул ДНК під дією ударної хвилі від іонного пучка. Незважаючи на успішність методу та емпіричне розуміння того, як пов'язані параметри іонного пучка зі ступенем руйнувань ракових клітин, точний фізичний механізм цього процесу досі залишався не вивчений.

Щоб детально дослідити вплив пучка сильно заряджених іонів на рідку краплю або клітку, група фізиків із США, Іспанії та Німеччини під керівництвом Євгена Сурдутовича (Eugene Surdutovich) з Університету Окленда, провела комп'ютерне моделювання такої системи і запропонувала теоретичне пояснення для спостережених ефектів. За допомогою методу молекулярної динаміки вчені промоделювали систему в явному вигляді і вивчили, як змінюється поведінка системи залежно від швидкості іонів, їх заряду і розміру краплі.

Виявилося, що проходження пучка іонів через краплю через лінійну передачу енергії викликає утворення в ній ударної хвилі. Під дією неї приблизно протягом приблизно 100 пікосекунд крапля розпадається на окремі нанокапельки, які розлітаються в різні боки, утворюючи аерозоль. При цьому якщо за цей час крапля не встигла зруйнуватися повністю, то поверхня циліндричної порожнини, яка утворилася в результаті дії ударної хвилі в області за пролетілим іоном, починає охолоджуватися і схлопується назад. Тому занадто великі краплі таким чином повністю розпорошити не вдасться.

Виявилося, що якщо енергія іонів становить близько 0,1 до 0,5 мегаелектронвольт на атомну одиницю маси (що є типовим значенням для іонного пучка при радіотерапії), то максимальний розмір краплі води яку можна таким способом перетворити на аерозоль, становить близько 2,5 мікрон.

При цьому максимальний радіус краплі, для якої буде спостерігатися такий ефект, залежить від заряду іона і від його енергії. Виявилося, що чим більше заряд (а в реальних приладах зазвичай використовують іони вуглецю з більшим зарядом: від + 4 до + 6), тим більшого розміру краплі іонний пучок може розбити. При цьому від його енергії залежність зворотна: чим більше енергія, тим менше розмір краплі.

Крім того, фізики виявили, що для краплі існує і нижня межа, при якій ударна хвиля перестає бути головною причиною розпаду краплі. Пов'язано це з тим, що при проходженні через краплю іонного пучка вона заряджається, а занадто великий заряд маленької краплі через електростатичні сили веде до її руйнування навіть раніше ударної хвилі. Такий ефект спостерігається тільки для зовсім маленьких капелек розміром від 15 до 25 нанометрів, тому він сильно не обмежує діапазон застосування іонізуючої радіотерапії.

За словами авторів роботи, інших можливих причин, крім ударної хвилі, для розпаду нано- або мікрокаплі швидше, ніж за одну мілісекунду, запропонувати не можна. Тому отримані ними результати допоможуть після відповідної експериментальної перевірки краще зрозуміти механізми руйнування ракових клітин при іонізуючій радіотерапії.

Дослідження поведінки заряджених крапель невеликого розміру цікаво як з точки зору різних додатків, в тому числі і медичних, так і для фундаментальних досліджень, наприклад, при вивченні властивостей ядер атомів або обертових зірок. Для цього нещодавно вчені побудували повну фазову діаграму для обертання заряджених крапель у невагомості. Форма деяких з таких крапель виявилася досить незвичайною.