Proton Minibeam Radiotherapy
Proton-Minibeam-Strahlentherapie
In der Strahlentherapie von Tumoren ist das Risiko von Nebenwirkungen im Normalgewebe häufig limitierend für die Dosis die im Tumor appliziert werden kann. Proton-Minibeam-Strahlentherapie wurde am Ionenmikrostrahl SNAKE in München entwickelt, um die Schädigung von Normalgewebe, insbesondere der Haut, zu minimieren. Durch die Verwendung von submillimeter großen Protonenstrahlen erfolgt die Bestrahlung räumlich fraktioniert, d.h. nur auf kleinen Flächen innerhalb des Bestrahlungsfeldes auf der Haut wird Dosis appliziert. Die Tumorkontrolle kann wie in der konventionellen Strahlentherapie durch eine homogene Tumordosis gewährleistet werden, die sich nach Aufweitung der Minibeams durch Wechselwirkungen der Protonen mit dem durchquerten Gewebe im gesamten Tumor ergibt. Die homogene Tumorbestrahlung wird durch eine individuell an die Tumorgröße und -lage angepasste Optimierung der Minibeam-Abstände erreicht. Auch heterogene Dosisverteilungen im Tumor mit einer hohen minimalen Dosis, die bei einer Verflechtung von Minibeams aus mehreren Richtungen mit großen Minibeam-Abständen enstehen, können für Tumorkontrolle bei noch geringeren Nebenwirkungen sorgen.
Die reduzierten Nebenwirkungen von Minibeam-Bestrahlungen wurden bereits in mehreren in-vivo-Studien im Mausohrmodell an SNAKE nachgewiesen, wobei auch der Einfluss der Minibeam-Größe und einer zeitlichen Fraktionierung untersucht wurde.
Konzept für eine vorklinische Protonen Minibeam Bestrahlungsanlage
Um die Vorteile der innovativen Bestrahlungsmethode mit Protonen Minibeams unter möglichst realitätsnahen, therapeutischen Bedingungen zu demonstrieren, wird derzeit eine vorklinische Bestrahlungsanlage konzipiert. Diese neue Anlage soll am Garchinger Beschleunigerlabor der TUM und LMU aufgebaut werden und große Teile dessen Infrastruktur nutzen. So ist neben den bisher durchgeführten Bestrahlungen von Mausohren auch die Bestrahlung anderer Gewebearten wie Muskel, Lunge, Hirn bis hin zu Tumoren in Kleintieren geplant. Um dies durchführen zu können reicht die Eindringtiefe von ca. 4 mm im Gewebe der Protonen, so wie sie aus dem existierenden Beschleuniger kommen, nicht mehr aus. Das bedeutet die Energie der Protonen – und damit die Eindringtiefe - muss mit Hilfe eines Nachbeschleunigers soweit erhöht werden, dass man ca. 40 mm in Gewebe eindringen kann.
Die technische Herausforderung besteht nun darin, die hohe Brillanz des Strahls aus dem Tandembeschleuniger durch den Nachbeschleuniger weitestgehend zu erhalten, um die Möglichkeit zu haben den Protonenstrahl auf eine Strahlfleckgröße von 0,1 mm zu fokussieren. Die derzeit vielversprechendste Beschleunigertechnologie dafür ist ein Hochfrequenz-Linearbeschleunigersystem, ähnlich wie sie derzeit von zwei Arbeitsgruppen in Europa zur Anwendung für eine Standard Protonentherapie-Anlage entwickelt wird. Erste Simulationen zeigen, dass die Strahlqualität des beschleunigten Protonenstrahls in einem Bereich liegen, der die gewünschte Fokussierung erlaubt.
Derzeit forscht eine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl LRT2 daran mit Hilfe von strahloptischen Simulationen eine optimale Fokussieranordnung unter den gegebenen Randbedingungen zu finden. Des Weiteren wird an der Auswahl von geeigneten Hardware- und Software-Komponenten gearbeitet, um sowohl einen derartigen Nachbeschleuniger als auch das anschließende Fokussiersystem und den Experimentierplatz aufbauen zu können.