Partikelfysik giver nye syn på FLASH protonterapi – Physics World

Partikelfysik giver nye syn på FLASH protonterapi – Physics World

Tidsstempel: 16. januar 2024 kl. 5

En åben og kollaborativ forskningskultur er afgørende for, at fremskridt på ét felt kan inspirere og informere om fremskridt inden for andre discipliner, hævder den eksperimentelle partikelfysiker Karol Lang

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-11.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-11.jpg" data-caption="Mod billedstyret FLASH En PET-scanner udviklet af Karol Lang og hans kolleger kan visualisere og måle effekterne af protonterapi, mens strålen leveres. (Med høflighed: Marek Proga, University of Texas i Austin)”> PET scanner
Mod billedstyret FLASH En PET-scanner udviklet af Karol Lang og hans kolleger kan visualisere og måle effekterne af protonterapi, mens strålen leveres. (Med høflighed: Marek Proga, University of Texas i Austin)

Banebrydende teknologier, der oprindeligt blev skabt til de mest ambitiøse eksperimenter inden for partikelfysik, har ofte udløst innovationer inden for medicinsk behandling og diagnose. Fremskridt inden for acceleratorer og beamline-teknik har hjulpet udviklingen af ​​yderst effektive strategier til behandling af kræft, mens detektorer designet til at fange de mest uhåndgribelige partikler har tilbudt nye måder at se den menneskelige krops indre funktioner på.

I en nylig udvikling har et amerikansk-baseret forskerhold ledet af Karol Lang, en eksperimentel partikelfysiker ved University of Texas i Austin, for første gang opnået real-time billeddannelse af virkningerne af FLASH protonterapi før, under og efter leveringen af ​​strålen. Disse nye FLASH-behandlinger administrerer ultrahøje doser over ekstremt korte tidsskalaer, som effektivt kan udrydde kræftceller og samtidig forårsage mindre skade på sundt væv. FLASH-behandlinger kræver færre bestrålinger over kortere behandlingscyklusser, hvilket vil give flere patienter mulighed for at drage fordel af protonterapi og betydeligt reducere risikoen for strålingsrelaterede bivirkninger.

Forskerholdet, som også involverer medicinske fysikere ved MD Anderson Proton Therapy Center i Houston, producerede billederne ved hjælp af en specialdesignet scanner til positron-emissionstomografi (PET), en teknik, der selv er opstået fra banebrydende eksperimenter på CERN i 1970'erne . Ved at bruge fem forskellige fantomer, der fungerer som surrogater for en menneskelig patient, udnyttede holdet deres tilpassede PET-instrument til at afbilde både den hurtige indtræden af ​​protonstrålen og dens virkninger op til 20 minutter efter bestråling.

"Bestråling af protoner producerer kortlivede isotoper i kroppen, som i mange tilfælde er positronemittere," forklarer Lang. "Med FLASH protonterapi genererer strålen en højere positronintensitet, hvilket øger signalets styrke. Selv med små PET-detektorarrays var vi i stand til at producere billeder og måle både mængden af ​​isotoper og deres udvikling over tid."

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg" data-caption="Lille, men kraftfuld Detektorarrays, der bruges i PET-scanneren, er relativt små, men intensiteten af ​​FLASH-strålen gør det muligt at producere billeder og måle isotopernes overflod. (Courtesy: Marek Proga, University of Texas at Austin)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg” >Et detektorarray, der bruges i PET-scanneren
Lille, men kraftfuld Detektorarrays, der bruges i PET-scanneren, er relativt små, men intensiteten af ​​FLASH-strålen gør det muligt at producere billeder og måle isotopernes overflod. (Med høflighed: Marek Proga, University of Texas i Austin)

De målinger, der blev registreret under disse proof-of-princip-eksperimenter, tyder på, at en in-beam PET-scanner kunne give real-time billeddannelse og dosimetri til protonterapibehandlinger. Holdet var endda i stand til at bestemme intensiteten af ​​protonstrålen ved at detektere prompte gammaer - så navngivet, fordi de er produceret ved henfald af kerner over meget korte tidsskalaer - produceret under udvindingen af ​​protonstrålen. Med blot en lille modifikation af apparatet, mener Lang, at promptgammaerne kunne måles for at opnå et øjebliksbillede af protonstrålen, hvor PET derefter bruges til at følge udviklingen af ​​isotoperne, efter at strålen er blevet leveret.

"Disse resultater viser, at det blot ville være et spørgsmål om at forbedre den eksperimentelle opsætning af teknikken for at give nyttige målinger i en klinisk kontekst," siger han. "Selvfølgelig ved vi, at der stadig skal en masse prækliniske tests til, men på nuværende tidspunkt er det klart, at der ikke er nogen showstoppers for teknikken."

Lang og hans kolleger beskriver deres tilgang og resultater i to artikler offentliggjort i Fysik i medicin og biologi (PMB), som begge er gratis at få adgang til. Forskerne drager også fordel af en spirende publiceringsmodel, kaldet en transformativ aftale, der gjorde det muligt for dem at publicere begge artikler med åben adgang uden at skulle betale de sædvanlige artikeludgivelsesgebyrer.

Under disse såkaldte transformative aftaler, i dette tilfælde mellem IOP Publishing og University of Texas System, kan forskere ved enhver institution inden for den akademiske gruppe både få adgang til forskningsindhold og udgive deres eget arbejde gratis. Faktisk er IOP Publishing – som udgiver PMB på vegne af Institut for Fysik og Teknik i Medicin – nu har transformative aftaler på plads med mere end 900 institutioner i 33 forskellige lande, der giver gratis adgang og publicering på tværs af de fleste, hvis ikke hele, af sin portefølje af videnskabelige tidsskrifter.

Formålet med disse læs-og-publicer-aftaler er at fremskynde overgangen til open-access-publicering, da det undgår, at forskere skal skaffe deres egen finansiering til publikationsafgifter. For Lang vil enhver bevægelse, der åbner op for videnskaben og sætter forskellige samfund i stand til at samarbejde, være med til at udløse nye ideer fra andre discipliner, som vil drive fremtidig innovation. "Hvis jeg støder på et interessant papir, som jeg ikke kan få adgang til, især hvis det er inden for et andet felt, mangler jeg nogle oplysninger, der kan hjælpe mig i mit arbejde," siger han. "Åben og gratis information er afgørende for, at vi kan gøre fremskridt."

Fra sine egne erfaringer inden for partikelfysik har Lang set de fordele, der kan fremgå af en åben og samarbejdende forskningskultur. "I partikelfysik deler alle deres bedste tanker og præstationer, og folk ønsker at blive involveret i at finde forskellige måder at udvikle og udnytte nye ideer på," siger han. "Uden den kollaborative tankegang ville de gennembrud, vi har set hos CERN, Fermilab og andre steder, bare ikke være sket."

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-9.jpg" data-caption="Brugerdefineret design Karol Lang (i midten) med ingeniør Marek Proga (til venstre) og post-doc forsker John Cesar og den specialbyggede PET-scanner udviklet af teamet. Konfigurationen af ​​scanneren giver in-beam målinger, mens patienten behandles. (Courtesy: Michael Gajda, University of Texas i Austin)” title=”Klik for at åbne billede i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers- new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-9.jpg">Holdet og deres specialbyggede PET-scanner
Brugerdefineret design Karol Lang (i midten) med ingeniør Marek Proga (til venstre) og post-doc forsker John Cesar og den specialbyggede PET-scanner udviklet af teamet. Konfigurationen af ​​scanneren giver in-beam målinger, mens patienten behandles. (Med høflighed: Michael Gajda, University of Texas i Austin)

Det er dog klart, at Lang er frustreret over, at nogle mennesker i det medicinske samfund ser ud til at være mindre åbne over for nye ideer, især fra en fysiker, der ikke har nogen tidligere klinisk erfaring. "Vi ved, at mange af de bedste teknologier inden for medicinsk fysik og nuklear billeddannelse kommer fra fremskridt inden for partikel- og kernefysik, men det er svært at bringe de seneste nye ideer ind i medicin," siger han. "Jeg forstår nu bedre, hvorfor det er - at ændre gennemprøvede medicinske procedurer og formelle behandlingsprotokoller er meget mere kompliceret end blot at bytte ind med en bedre detektor - men jeg er stadig skuffet over, hvor svært det er at trænge ind i sektoren og engagere sig. i forskningssamarbejde."

Mens Lang har forsøgt at bygge medicinske detektorer før, erkender han, at han og andre partikelfysikere kan være skyldige i naivitet eller endda arrogance, når det kommer til at introducere nye teknologier i det stramt kontrollerede hospitalsmiljø. Til dette nye arbejde bad en gruppe medicinske fysikere ham imidlertid om at gå i spidsen for et forskningsprojekt, der krævede hans ekspertise i at bygge partikeldetektorer. "Jeg fortsætter stadig min forskning i neutrinofysik, men jeg tror på, at det, vi kan tilbyde, er så unikt og værdifuldt, at jeg ønskede at blive involveret," siger Lang. "Efterhånden som jeg lærte mere, blev jeg mere fascineret og blev virkelig hooked på ideen om FLASH-behandlinger."

Mens der vil være behov for mere arbejde for at optimere in-beam billeddannelsesteknikken til klinisk brug, mener Lang, at den på kort sigt kan tilbyde et værdifuldt forskningsværktøj til at hjælpe med at forstå FLASH-effekten. "Ingen ved rigtigt, hvorfor FLASH virker, eller præcis hvilke stråleparametre der skal bruges for at opnå de bedste resultater," siger han. "Det tyder meget på, at vi ikke helt forstår, hvordan stråling interagerer med enten sundt eller kræftvæv."

Med dette nye instrument, hævder Lang, ville det være muligt at udforske de fysiske mekanismer, der er i spil under en FLASH-behandling. "Denne teknik kan hjælpe os med at forstå, hvordan den menneskelige krop reagerer, efter at den er blevet bestrålet med så intense energiudbrud," siger han. "Det tilbyder en måde at udforske de tidsafhængige virkninger af bestrålingen, som det forekommer mig ikke er blevet gjort systematisk før."

På længere sigt er målet dog at skabe en billedstyret behandlingsmodalitet, der vil måle virkningerne af hver bestråling for at informere og opdatere efterfølgende behandlinger. Sådanne adaptive tilgange er upraktiske med konventionelle behandlingsprotokoller, hvor mindre doser leveres i omkring 30 daglige sessioner, men kunne være mere levedygtige med FLASH-behandlinger, der måske kun kræver nogle få doser for at levere nok energi til at udrydde kræften.

"At kontrollere virkningerne af hver bestråling ville fuldstændigt transformere dynamikken, logistikken og resultaterne af behandlingen," siger Lang. "Kombineret med en bedre forståelse af interaktionerne mellem energiske protoner og den menneskelige krop kan sådanne adaptive FLASH-protokoller have en revolutionerende indvirkning på patientresultater."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden