Die Teilchenphysik bietet neue Sichtweisen auf die FLASH-Protonentherapie – Physics World

<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="Auf dem Weg zum bildgeführten FLASH Ein von Karol Lang und seinen Kollegen entwickelter PET-Scanner kann die Auswirkungen der Protonentherapie während der Abgabe des Strahls visualisieren und messen. (Mit freundlicher Genehmigung von Marek Proga, University of Texas at Austin)“>

Bahnbrechende Technologien, die ursprünglich für die anspruchsvollsten Experimente in der Teilchenphysik entwickelt wurden, haben oft Innovationen in der medizinischen Behandlung und Diagnose ausgelöst. Fortschritte in der Beschleuniger- und Strahlführungstechnik haben die Entwicklung hochwirksamer Strategien zur Behandlung von Krebs unterstützt, während Detektoren, die die schwer fassbaren Teilchen einfangen sollen, neue Möglichkeiten bieten, das Innenleben des menschlichen Körpers zu betrachten.

Eine aktuelle Entwicklung ist einem in den USA ansässigen Forschungsteam unter der Leitung von Karol Lang, einem experimentellen Teilchenphysiker an der University of Texas in Austin, erstmals gelungen Echtzeit-Bildgebung der Auswirkungen der FLASH-Protonentherapie vor, während und nach der Strahlabgabe. Bei diesen neuen FLASH-Behandlungen werden ultrahohe Dosen über extrem kurze Zeiträume verabreicht, wodurch Krebszellen wirksam beseitigt werden können und gleichzeitig gesundes Gewebe weniger geschädigt wird. FLASH-Behandlungen erfordern weniger Bestrahlungen über kürzere Behandlungszyklen, wodurch mehr Patienten von der Protonentherapie profitieren könnten und das Risiko strahlenbedingter Nebenwirkungen deutlich verringert würde.

Das Forschungsteam, dem auch Medizinphysiker des MD Anderson Proton Therapy Center in Houston angehören, erstellte die Bilder mit einem speziell entwickelten Scanner für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), einer Technik, die ihrerseits aus bahnbrechenden Experimenten am CERN in den 1970er Jahren hervorgegangen ist . Unter Verwendung von fünf verschiedenen Phantomen, die als Ersatz für einen menschlichen Patienten dienen, nutzte das Team sein maßgeschneidertes PET-Instrument, um sowohl das schnelle Einsetzen des Protonenstrahls als auch seine Auswirkungen bis zu 20 Minuten nach der Bestrahlung abzubilden.

„Durch die Bestrahlung mit Protonen entstehen im Körper kurzlebige Isotope, die in vielen Fällen Positronenemitter sind“, erklärt Lang. „Bei der FLASH-Protonentherapie erzeugt der Strahl eine höhere Positronenintensität, was die Signalstärke erhöht. Selbst mit kleinen PET-Detektorarrays konnten wir Bilder erstellen und sowohl die Häufigkeit der Isotope als auch ihre zeitliche Entwicklung messen.“

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg" data-caption="Klein aber oho Die im PET-Scanner verwendeten Detektorarrays sind relativ klein, aber die Intensität des FLASH-Strahls ermöglicht es, Bilder zu erzeugen und die Häufigkeit der Isotope zu messen. (Mit freundlicher Genehmigung von Marek Proga, University of Texas at Austin)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg“ >

Die während dieser Proof-of-Principle-Experimente aufgezeichneten Messungen legen nahe, dass ein In-Beam-PET-Scanner Echtzeit-Bildgebung und Dosimetrie für Protonentherapiebehandlungen ermöglichen könnte. Das Team war sogar in der Lage, die Intensität des Protonenstrahls zu bestimmen, indem es Prompt-Gammastrahlen (so genannt, weil sie durch den Zerfall von Kernen in sehr kurzen Zeiträumen entstehen) detektierte, die während der Extraktion des Protonenstrahls erzeugt wurden. Mit nur einer geringfügigen Modifikation des Geräts könnte Lang glaubt, dass die sofortigen Gammastrahlen gemessen werden könnten, um eine Momentaufnahme des Protonenstrahls zu erhalten, wobei PET dann verwendet werden könnte, um die Entwicklung der Isotope nach der Abgabe des Strahls zu verfolgen.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass es nur darum ginge, den Versuchsaufbau zu verbessern, damit die Technik nützliche Messungen in einem klinischen Umfeld liefern kann“, sagt er. „Natürlich wissen wir, dass noch viele präklinische Tests erforderlich sind, aber zum jetzigen Zeitpunkt ist klar, dass es für diese Technik keine echten Überraschungen gibt.“

Lang und seine Kollegen beschreiben ihren Ansatz und ihre Ergebnisse in zwei Artikeln, die in veröffentlicht wurden Physik in Medizin und Biologie (PMB), beide sind frei zugänglich. Die Forscher profitierten auch von einem neuen Veröffentlichungsmodell, einer so genannten Transformationsvereinbarung, das es ihnen ermöglichte, beide Artikel Open Access zu veröffentlichen, ohne die üblichen Gebühren für die Veröffentlichung von Artikeln zahlen zu müssen.

Im Rahmen dieser sogenannten transformativen Vereinbarungen, in diesem Fall zwischen IOP Publishing und dem University of Texas System, können Forscher an jeder Institution innerhalb der akademischen Gruppe sowohl auf Forschungsinhalte zugreifen als auch ihre eigenen Arbeiten kostenlos veröffentlichen. In der Tat, IOP Publishing – das PMB im Auftrag des Institute of Physics and Engineering in Medicine veröffentlicht – jetzt verfügt über transformative Vereinbarungen Mit mehr als 900 Institutionen in 33 verschiedenen Ländern bietet das Unternehmen kostenlosen Zugang und Veröffentlichungen in den meisten, wenn nicht allen, wissenschaftlichen Zeitschriften seines Portfolios.

Das Ziel dieser Read-and-Publish-Vereinbarungen besteht darin, den Übergang zum Open-Access-Publizieren zu beschleunigen, da dadurch vermieden wird, dass Forscher ihre Publikationskosten selbst finanzieren müssen. Für Lang wird jeder Schritt, der die Wissenschaft öffnet und die Zusammenarbeit verschiedener Gemeinschaften ermöglicht, dazu beitragen, neue Ideen aus anderen Disziplinen hervorzurufen, die zukünftige Innovationen vorantreiben werden. „Wenn ich auf eine interessante Arbeit stoße, auf die ich keinen Zugriff habe, insbesondere wenn sie sich auf ein anderes Fachgebiet bezieht, fehlen mir einige Informationen, die mir bei meiner Arbeit helfen könnten“, sagt er. „Offene und kostenlose Informationen sind für unseren Fortschritt unerlässlich.“

Aus seinen eigenen Erfahrungen in der Teilchenphysik hat Lang die Vorteile erkannt, die sich aus einer offenen und kollaborativen Forschungskultur ergeben können. „In der Teilchenphysik teilt jeder seine besten Gedanken und Erfolge, und die Menschen möchten sich daran beteiligen, unterschiedliche Wege zu finden, um neue Ideen zu entwickeln und zu nutzen“, sagt er. „Ohne diese kollaborative Denkweise wären die Durchbrüche, die wir am CERN, im Fermilab und anderswo gesehen haben, einfach nicht zustande gekommen.“

<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="Custom Design Karol Lang (Mitte) mit dem Ingenieur Marek Proga (links) und dem Postdoktoranden John Cesar und dem speziell vom Team entwickelten PET-Scanner. Die Konfiguration des Scanners ermöglicht In-Beam-Messungen, während der Patient behandelt wird. (Mit freundlicher Genehmigung von Michael Gajda, University of Texas at Austin)“ title=“Klicken Sie hier, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers- new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-9.jpg“>

Es ist jedoch klar, dass Lang frustriert darüber ist, dass einige Leute in der medizinischen Gemeinschaft neuen Ideen weniger aufgeschlossen gegenüberstehen, insbesondere von einem Physiker, der über keine klinische Erfahrung verfügt. „Wir wissen, dass viele der besten Technologien in der medizinischen Physik und der nuklearen Bildgebung auf Fortschritten in der Teilchen- und Kernphysik basieren, aber es ist schwierig, die neuesten neuen Ideen in die Medizin zu übertragen“, sagt er. „Ich verstehe jetzt besser, warum das so ist – die Änderung bewährter medizinischer Verfahren und formeller Behandlungsprotokolle ist viel komplizierter als nur der Austausch eines besseren Detektors – aber ich bin immer noch enttäuscht darüber, wie schwierig es ist, in den Sektor einzudringen und sich zu engagieren in der Verbundforschung.“

Obwohl Lang bereits zuvor versucht hat, medizinische Detektoren zu bauen, räumt er ein, dass er und andere Teilchenphysiker sich Naivität oder sogar Arroganz schuldig machen können, wenn es darum geht, neuartige Technologien in die streng kontrollierte Krankenhausumgebung einzuführen. Für diese neue Arbeit bat ihn jedoch eine Gruppe medizinischer Physiker, die Leitung eines Forschungsprojekts zu übernehmen, das seine Fachkenntnisse im Bau von Teilchendetektoren erforderte. „Ich setze meine Forschung in der Neutrinophysik immer noch fort, aber ich glaube, dass das, was wir anbieten können, so einzigartig und lohnenswert ist, dass ich mich engagieren wollte“, sagt Lang. „Je mehr ich erfuhr, desto mehr faszinierte ich mich und war von der Idee der FLASH-Behandlungen wirklich begeistert.“

Während weitere Arbeiten erforderlich sein werden, um die In-Beam-Bildgebungstechnik für den klinischen Einsatz zu optimieren, glaubt Lang, dass sie kurzfristig ein wertvolles Forschungsinstrument zum Verständnis des FLASH-Effekts darstellen könnte. „Niemand weiß wirklich, warum FLASH funktioniert oder welche Strahlparameter genau verwendet werden sollten, um die besten Ergebnisse zu erzielen“, sagt er. „Das legt für mich den Schluss nahe, dass wir nicht vollständig verstehen, wie Strahlung mit gesundem oder krebsartigem Gewebe interagiert.“

Mit diesem neuen Instrument, argumentiert Lang, sei es möglich, die physikalischen Mechanismen zu erforschen, die bei einer FLASH-Behandlung ablaufen. „Diese Technik könnte uns helfen zu verstehen, wie der menschliche Körper reagiert, nachdem er mit solch intensiven Energiestößen bestrahlt wurde“, sagt er. „Es bietet eine Möglichkeit, die zeitabhängigen Auswirkungen der Bestrahlung zu untersuchen, was meiner Meinung nach bisher noch nicht systematisch durchgeführt wurde.“

Längerfristig besteht das Ziel jedoch darin, eine bildgesteuerte Behandlungsmodalität zu schaffen, die die Auswirkungen jeder Bestrahlung misst, um nachfolgende Behandlungen zu informieren und zu aktualisieren. Solche adaptiven Ansätze sind bei herkömmlichen Behandlungsprotokollen, bei denen kleinere Dosen in etwa 30 täglichen Sitzungen verabreicht werden, unpraktisch, könnten jedoch bei FLASH-Behandlungen praktikabler sein, bei denen möglicherweise nur wenige Dosen erforderlich sind, um genügend Energie zur Ausrottung des Krebses abzugeben.

„Die Überprüfung der Auswirkungen jeder Bestrahlung würde die Dynamik, Logistik und Ergebnisse der Behandlung völlig verändern“, sagt Lang. „In Kombination mit einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen energiereichen Protonen und dem menschlichen Körper könnten solche adaptiven FLASH-Protokolle einen revolutionären Einfluss auf die Patientenergebnisse haben.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy/