Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht der Elektronenbeschleuniger PITZ am DESY-Standort in Zeuthen (Brandenburg). Es habe sich gezeigt, dass mit dem dort erzeugten, sehr intensiven und präzise steuerbaren Elektronenstrahl in Computersimulationen Dosisverteilungen für oberflächennahe Hirnmetastasen berechenbar waren, die bisherigen Methoden überlegen seien.
FLASH und SFRT kombinieren
Ein viel diskutierter Ansatz in der Strahlentherapie ist der sogenannte FLASH-Ansatz. Dabei wird die Strahlendosis nicht über mehrere Minuten, Tage und Wochen verteilt, sondern in Sekundenbruchteile, also in extrem kurzer Zeit abgegeben. In präklinischen Studien gibt es Hinweise darauf, dass gesundes Gewebe dadurch weniger stark geschädigt werden könnte, während die Wirkung auf Tumoren erhalten bleibt. Analog hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass auch ein Raster von Hochdosis-Punkten (Spatially Fractionated Radiation Therapy- SFRT) den Tumor zerstört und gesundes Gewebe schont. Die nun vorliegende Studie soll eine Grundlage schaffen, um die Kombination beider Methoden zur besseren Behandlung von Krebspatienten zu entwickeln.
FLASH besser verstehen
PITZ, die Photo Injector Testanlage bei DESY in Zeuthen, wurde ursprünglich für die Entwicklung moderner Beschleunigertechnologien aufgebaut. Seine Elektronenstrahlen erreichen jedoch Dosisraten, die weit über denen heutiger klinischer Geräte liegen. Das mache die Anlage zu einem besonders interessanten Testfeld, um die physikalischen und biologischen Grundlagen der FLASH-Bestrahlung besser zu verstehen, so die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. „Diese Studie ist ein wichtiger Schritt, um die besonderen Möglichkeiten unserer Beschleunigertechnologie für die Weiterentwicklung der Krebs-Strahlentherapie bei DESY nutzbar zu machen“, sagt Frank Stephan, Leiter von PITZ und Mitautor der Veröffentlichung. „Wir zeigen, dass sich der Elektronenstrahl von PITZ gewinnbringend in realistische Bestrahlungsplanungen integrieren lässt. Das ist eine zentrale Voraussetzung, um das Potenzial der FLASH- und SFRT-Therapien sowie ihrer Kombination systematisch weiterzuentwickeln.“
Test mit oberflächennahen Hirnmetastasen
Für die Studie entwickelte das Team in London ein mathematisches Modell des Elektronenstrahls und kombinierte es mit einem schnellen Rechenverfahren zur Dosisberechnung. Bei PITZ wurde zunächst der 17,5-Mega-Elektronenvolt-Elektronenstrahl in einem Wasserphantom vermessen. Die berechneten Dosisverteilungen stimmten dabei innerhalb der experimentellen Unsicherheit von drei Prozent mit den Messungen überein. Anschließend wurde das Verfahren auf anonymisierte Patientendaten von sechs Personen mit oberflächennahen Hirnmetastasen übertragen. Solche Metastasen liegen dicht an der Schädeloberfläche. Deshalb seien sie ein besonders naheliegender Anwendungsfall für Elektronenstrahlen, deren Eindringtiefe begrenzt ist. Die berechneten Behandlungspläne mit gescannten Elektronenstrahlen wurden mit etablierten Verfahren verglichen, darunter Photonenbestrahlung mit einem robotischen Cyberknife-System sowie verschiedene Protonenbestrahlungen.
Bessere Formanpassung der Dosis
Demnach ergaben die Simulationen, dass die gescannten Elektronenstrahlen sehr präzise auf das Zielvolumen ausgerichtet werden konnten. Bei den untersuchten Fällen hätten sie für oberflächennahe Hirnmetastasen eine bessere Formanpassung der Dosis an das Zielgebiet erreicht als die anderen Methoden. Gleichzeitig seien die berechneten Dosen für gesundes Hirngewebe und Haut im akzeptablen Bereich geblieben. Die Forschenden geben jedoch zu bedenken, dass es sich noch nicht um eine klinische Behandlung, sondern um eine Planungs- und Machbarkeitsstudie handele. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass die Kombination aus einer sehr schnellen Folge von Elektronenpulsen, Strahlablenkung und moderner Dosisberechnung ein vielversprechender Weg sein könnte, um künftige Krebsbehandlungen mit FLASH und SFRT vorzubereiten.
Welche klinischen Anwendungen sind realistisch?
„Der entscheidende Punkt ist, dass wir nun besser verstehen, welche Behandlungsgeometrien mit einem solchen Strahl prinzipiell möglich sind“, erklärt Matthias Gross (DESY), Koordinator der Strahlenstudien bei PITZ und Mitautor der Studie. „Damit schaffen wir eine Grundlage für die nächsten Schritte – von weiteren physikalischen Messungen über biologische Untersuchungen bis hin zur Frage, welche klinischen Anwendungen langfristig realistisch sein könnten.“ Christian Stegmann, DESY Astroteilchenphysik-Direktor und Leiter des DESY Standorts Zeuthen, sagt: „Die Strahlentherapie könnte mit dieser hier in Zeuthen entwickelten Technologie einen neuen und beispiellosen Schritt nach vorne machen. Dieses Ergebnis ist ein Zeichen dafür, dass wir auf dem besten Weg sind, diese potenzielle Behandlungsmethode der praktischen Anwendung näher zu bringen.“
*Die rote Kontur stellt das zu behandelnde Tumorvolumen dar, die blaue Kontur das nahegelegene Gehirn und die grüne Kontur die nahegelegene Haut. Obere Reihe: Elektronenbestrahlungen mit unterschiedlich starkem FLASH Effekt: W - mit schwachem FLASH-Effekt, M - mit mittlerem FLASH-Effekt, S - mit starkem FLASH-Effekt. Untere Reihe: Alternative Bestrahlungsmethoden: PPS - Protonen mit passiver Streuung und mittlerem FLASH-Effekt, PARC - Protonenbogentherapie, CK - Photonen mit dem System Cyberknife. A = anterior, P = posterior, L = links, R = rechts (Bild: ICR)
Quelle: DESY
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