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Laser-beschleunigte Protonen zur Krebstherapie

Ein interdisziplinäres Team von Physikern und Medizinern hat die grundsätzliche Eignung von Laser-beschleunigten Protonen für die Strahlentherapie untersucht. Diese können noch geeigneter sein als Protonen aus klassischen Beschleunigern.

Die Tumorbestrahlung mit Protonen hat den großen Vorteil, dass man in einem eng umrissenen Tumorgewebe hohe Energiedosen deponieren kann, ohne dass das umliegende Gewebe stark geschädigt wird. Denn Protonen durchlaufen Materie auf der größten Wegstrecke mit nur geringem Energieverlust. Erst am Ende ihrer Bahn bremsen sie sehr stark ab und verlieren den größten Teil ihrer anfänglichen Energie in einem sehr kleinen Volumen. Außerdem können auch tiefer liegende Tumore effizient bestrahlt werden. Allerdings benötigt man komplexe und teure Teilchenbeschleuniger, um die Protonen mit den notwendigen Energien erzeugen zu können.

Als mögliche zukünftige Alternative zu klassischen Teilchenbeschleunigern wird der Einsatz von Laserbeschleunigern getestet. Hierbei wird ein extrem starker Laserstrahl auf eine Folie geschossen. Der Laserstrahl verdampft die Folie und ionisiert die atomaren Bauteile. Dadurch entsteht auf sehr kleinem Raum ein hohes elektrisches Feld, welches etwa Protonen beschleunigen kann. Diese Anlagen sind erheblich kleiner, einfacher aufgebaut und können deshalb auch an kleineren Einrichtungen betrieben werden.

Wissenschaftler der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf um Prof. Dr. Oswald Willi (Institut für Laser- und Plasmaphysik) und Prof. Dr. Friedrich Boege (Institut für Klinische Chemie und Labordiagnostik) haben zusammen mit Kollegen der Universität Duisburg-Essen und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig die Eignung von Laser-beschleunigten Protonen für die Protonenstrahltherapie untersucht. An Zellproben stellten sie fest, dass so beschleunigte Protonen bei identischer Strahlendosis die gleiche Zahl an DNA-Schäden verursachen wie Protonen aus konventionellen Beschleunigern. Sie zerstören damit genauso effizient Krebszellen.

Die Laser-beschleunigten Protonen bieten möglicherweise sogar einen therapeutischen Vorteil. Sie erzeugen deutlich weniger Sauerstoffradikale, die wiederum zu unerwünschten Nebenwirkungen führen können. Eine mögliche Ursache: Die Protonenpulse aus dem Laser-Beschleuniger sind nur Pikosekunden lang; zu kurz, um Moleküle wie Sauerstoffradikale bilden zu können. Allerdings ist noch viele Jahre Grundlagenforschung zu leisten, bis die Laser-beschleunigten Protonen tatsächlich in den klinischen Einsatz am Patienten kommen können.

Originalveröffentlichung:

[S. Raschke, S. Spickermann, T. Toncian, M. Swantusch, J. Boeker, U. Giesen, G. Iliakis, O. Willi, F. Boege, Ultra-short laser-accelerated proton pulses have similar DNA-damaging effectiveness but produce less immediate nitroxidative stress than conventional proton beams, Scientific Reports 6 (2016), DOI: 10.1038/srep32441]

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