Forschung & Entwicklung

Protonentherapien zielgenauer und patientenschonender

Tumorbestrahlung mit Protonen könnte künftig noch präziser und dank lasergetriebener Protonenerzeugung kostengünstiger werden. Die sogenannte Ionoakustik ermöglicht über Ultraschall den Wirkungsort von Protonenstrahlung in Echtzeit zu verfolgen.

Zurzeit wird Protonenstrahlung noch mit großen und teuren Beschleuniger-Anlagen produziert. Doch neue Laser-Technologien, wie sie am Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) an der Ludwig-Maximilians Universität (LMU) und im daraus entstandenen Laserforschungszentrum Centre for Advanced Laser Applications (CALA) entstehen, versprechen eine kostengünstigere und möglicherweise energetisch besser angepasste Protonenstrahlung für den medizinischen Einsatz. Auch im Hinblick auf die künftig lasergetriebene Strahlenproduktion verspricht die Ionoakustik eine besonders geeignete und hoch präzise Messmethode, um Protonentherapien künftig noch zielgenauer und damit patientenschonender zu konzipieren.

Eine große Zahl von Tumoren kann mit Strahlung bestehend aus Protonen behandelt werden. Protonen treffen dabei auf die Krebszellen des Tumors und zerstören sie. Entscheidend ist, dass die Protonen nur die Zellen des Krebsgeschwürs treffen und abtöten und das umliegende Gewebe verschonen. Die Mediziner müssen also die Energie der Protonen zielgenau im Tumor abladen, um eine maximale Wirkung auf die kranken Zellen zu erzielen.

In der klinischen Anwendung ist es daher wichtig zu wissen, wo die Strahlung aus Protonen ihre Wirkung maximal entfaltet. Das ist genau dort im Körper der Fall, wo sie besonders stark abgebremst wird. Diese Stelle maximaler Dosisabgabe ist der so genannte „Bragg peak“ und sollte ausschließlich im Tumor liegen.

Medizinphysiker des MAP haben in Kooperation mit Arbeitsgruppen der Technischen Universität (TUM) und des Helmholtz Zentrum München (HMGU) sowie der Universität der Bundeswehr München (UniBWM) nun eine neue Methode entwickelt. Dazu haben die Physiker konventionelle Ultraschallmessungen mit der gleichzeitigen Messung des Ultraschallsignals, verursacht durch die Bestrahlung mit Protonen, kombiniert. Ihnen ist es damit in einem präklinischen Experiment erstmals gelungen, einen Strahl aus Protonen im Gewebe zusammen mit dem Ultraschallbild dieses Gewebestücks sichtbar zu machen. Mit der von ihnen entwickelten „Ionoakustik“ sind sie nun in der Lage, in Echtzeit und dreidimensional zu verfolgen, wo im Körper die Strahlung ihre größte Wirkung entfaltet. Die Forscher bestimmten damit die Treffsicherheit des Protonenstrahls mit unter einem Millimeter Genauigkeit. Zusätzlich und gleichzeitig hZurzeit wird Protonenstrahlung noch mit großen und teuren Beschleuniger-Anlagen produziert. Doch neue Laser-Technologien, wie sie am Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) an der Ludwig-Maximilians Universität (LMU) und im daraus entstandenen Laserforschungszentrum Centre for Advanced Laser Applications (CALA) entstehen, versprechen eine kostengünstigere und möglicherweise energetisch besser angepasste Protonenstrahlung für den medizinischen Einsatz.

Aktuell lasererzeugte Ionenstrahlen mit den vorhandenen Lasereinrichtungen haben noch nicht die klinischen Anforderungen erreicht, vor allem in Hinblick auf Energie und Wiederholungsrate. Am CALA planen Wissenschaftler die Leistung eines Titan-Saphir-Lasers auf 3 PW zu steigern, die eine höhere Pulsenergie (60 J) ermöglicht, gepaart mit kurzer Pulsdauer (20 fs). Dadurch können Lichtintensitäten bis zu 1023 W/cm2 erreicht werden. Folglich ist es möglich, Ionenstrahlbündel mit Energien über 100 MeV/u zu erzeugen; ausreichend hoch, um ihre Anwendbarkeit in der Tumortherapie zu erreichen.

Eine große Zahl von Tumoren kann mit Strahlung bestehend aus Protonen behandelt werden. Protonen treffen dabei auf die Krebszellen des Tumors und zerstören sie. Entscheidend ist, dass die Protonen nur die Zellen des Krebsgeschwürs treffen und abtöten und das umliegende Gewebe verschonen. Die Mediziner müssen also die Energie der Protonen zielgenau im Tumor abladen, um eine maximale Wirkung auf die kranken Zellen zu erzielen.

In der klinischen Anwendung ist es daher wichtig zu wissen, wo die Strahlung aus Protonen ihre Wirkung maximal entfaltet. Das ist genau dort im Körper der Fall, wo sie besonders stark abgebremst wird. Diese Stelle maximaler Dosisabgabe ist der so genannte „Bragg peak“ und sollte ausschließlich im Tumor liegen.

Medizinphysiker des MAP haben in Kooperation mit Arbeitsgruppen der Technischen Universität (TUM) und des Helmholtz Zentrum München (HMGU) sowie der Universität der Bundeswehr München (UniBWM) nun eine neue Methode entwickelt. Dazu haben die Physiker konventionelle Ultraschallmessungen mit der gleichzeitigen Messung des Ultraschallsignals, verursacht durch die Bestrahlung mit Protonen, kombiniert. Ihnen ist es damit in einem präklinischen Experiment erstmals gelungen, einen Strahl aus Protonen im Gewebe zusammen mit dem Ultraschallbild dieses Gewebestücks sichtbar zu machen. Mit der von ihnen entwickelten „Ionoakustik“ sind sie nun in der Lage, in Echtzeit und dreidimensional zu verfolgen, wo im Körper die Strahlung ihre größte Wirkung entfaltet. Die Forscher bestimmten damit die Treffsicherheit des Protonenstrahls mit unter einem Millimeter Genauigkeit. Zusätzlich und gleichzeitig haben sie auch durch gezielte Beleuchtung mit Laserlicht ein optoakustisches Bild der bestrahlten Gewebestruktur gemessen.

Auch im Hinblick auf die künftig lasergetriebene Strahlenproduktion verspricht die Ionoakustik eine besonders geeignete und hoch präzise Messmethode, um Protonentherapien künftig noch zielgenauer und patientenschonender zu konzipieren. Um die Ionoakustik in die klinische Praxis zu überführen, wollen die Physiker diese Ultraschalltechnologie so ­modifizieren, dass die Signale auch bei einer, für therapeutische Anwendungen, üblichen Bestrahlungsdosis messbar werden.

Originalveröffentlichung:
[S. Kellnberger, W. Assmann, S. Lehrack, S. Reinhardt, P. Thirolf, D. Queirós, G. Sergiadis, G. Dollinger, K. Parodi, V. Ntziachristos, Ionoacoustic tomography of the proton Bragg peak in combination with ultrasound and optoacoustic imaging, Scientific Reports 6 (2016), DOI: 10.1038/srep29305]

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