Szintillationsdetektoren aus Kunststoff erweisen sich als Win-Win-Situation in der Forschung und Lehre der klinischen Physik – Physics World

Disruptive Innovation, Kundenzusammenarbeit, klinische Übersetzung: Dies sind die strategischen Bezugspunkte, die der Produktentwicklungs-Roadmap bei zugrunde liegen Medizin, ein in Québec City ansässiges Technologieunternehmen, das Fachwissen in den Bereichen Photonik, Szintillationsdosimetrie und medizinische Physik vereint. Das Endergebnis: nichts weniger als ein Paradigmenwechsel in der Best Practice der Strahlentherapie-Dosimetrie, ermöglicht durch eine neue Generation von Kunststoffszintillatoren, die nahezu Wasseräquivalenz und Echtzeitreaktion mit hoher räumlicher Auflösung und MR-Linac-Kompatibilität kombinieren. Die optischen Detektoren von Medscint – im Handel als bekannt HYPERSCINT-Forschungsplattform – bieten außerdem Mehrpunktfähigkeit mit einer kompakten Grundfläche (0.5 mm lang, 0.5 mm Durchmesser), was sie ideal für die Kleinfelddosimetrie und die fortgeschrittene Phantomentwicklung macht.

„Unser proprietäres Know-how in den Bereichen optische Wissenschaft und Kunststoffszintillatoren kommt zum Tragen, da die Behandlungsfelder der Strahlentherapie immer kleiner und geometrisch komplexer werden“, erklärt Jonathan Turcotte, Mitbegründer und Chief Marketing Officer von Medscint. Da für die Charakterisierung des Geräteverhaltens keine Kleinfeldkorrekturfaktoren erforderlich sind, bieten Medscint-Dosimeter ein Echtzeit-Messwerkzeug, das eine hohe Linearität in Bezug auf Dosis und Dosisleistung kombiniert. Dieser große lineare Dynamikbereich ist an beiden Enden des Behandlungsspektrums relevant, sei es für neuartige Bestrahlungsschemata mit niedriger Dosisleistung oder – mit maßgeschneiderter Funktionalität für die Zählung von Linac-Pulsen und die Messung der Dosis pro Puls – als Ergänzung zu Ultrahochdosis-Bestrahlungssystemen. Bewerten Sie FLASH-Strahlentherapieanwendungen (die das Potenzial haben, Kollateralschäden und Toxizität in normalem, gesundem Gewebe drastisch zu reduzieren und gleichzeitig die Antitumoraktivität aufrechtzuerhalten).

Raus aus dem Labor, rein in die Klinik

Während die klinische Übersetzung kurz- und mittelfristig die kommerzielle Priorität hat, haben Turcotte und seine Kollegen bisher die HYPERSCINT-Forschungsplattform mit einer Kohorte innovativer, interdisziplinärer F&E-Teams positioniert, die an der Realisierung von Strahlentherapiesystemen der nächsten Generation arbeiten. „Als Technologieunternehmen im Frühstadium“, erklärt er, „haben wir eine kooperative Beziehung zu unseren Kunden und Forschungspartnern – insgesamt 25 Gruppen in Nordamerika, Europa und Asien, die unsere Produktentwicklung mitgestalten und letztendlich informieren.“ der Weg zur groß angelegten klinischen Übersetzung.“

Eine Fallstudie hierzu ist Markus Foley und sein Team im Forschungscluster Medizinphysik am Universität Galway im Westen Irlands. Foleys weitreichende Forschungsinteressen konzentrieren sich auf verbesserte Strahlentherapiesysteme, mit Pionierarbeiten zur Monte-Carlo-Modellierung und -Simulation sowie zu Szintillationsdosimetriesystemen der nächsten Generation. Sein Forschungsprogramm ist eng mit einer umfangreichen Lehrtätigkeit verbunden und umfasst Grundstudiengänge in Biomedizin und Strahlenphysik sowie in Galway MSc in medizinischer Physik, der erste Masterstudiengang in Europa, der von Nordamerika offiziell akkreditiert wurde Kommission zur Akkreditierung von Studiengängen in Medizinphysik (CAMPEP).

„Mit dem Kauf der HYPERSCINT-Forschungsplattform im Sommer 2021 wurden wir Medscints erster europäischer Kunde“, erklärt Foley. Seitdem wurde das System in einer Reihe von fünf Pilotprojekten unter Beteiligung von MSc- und Doktoranden innerhalb des Medizinphysik-Clusters in Galway auf Herz und Nieren geprüft – die damit verbundenen Forschungsaktivitäten dürften jedoch schon bald skalieren. „Wir haben einen speziellen Forschungszweig eingerichtet, um die Kunststoffszintillationsdetektoren von Medscint zu bewerten und zu vergleichen“, sagt Foley. „Diese Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen gehen einher mit einem etablierten Arbeitsprogramm, in dem wir eine neue Klasse anorganischer Szintillationsdetektoren für fortgeschrittene Dosimetrieanwendungen entwickeln.“

Nachdem seine Medizinphysik-Studenten mit der HYPERSCINT-Forschungsplattform vertraut sind, ermutigt Foley sie, ihr Fachwissen und Know-how in der Szintillationsdosimetrie weiter zu vertiefen – hauptsächlich durch kurzfristige Forschungspraktika in Partnerlabors innerhalb des internationalen Netzwerks von Galway. „Wir vermitteln unseren MSc- und Doktoranden die Fähigkeiten und technischen Fachkenntnisse, die sie benötigen, um durchstarten zu können“, erklärt Foley. „Wir möchten sicherstellen, dass es zu Beginn ihrer Forschungsprojekte keine übermäßig steile Lernkurve gibt.“

Eine etablierte Zusammenarbeit in diesem Zusammenhang besteht mit Magdalena Bazalova-Carter XCITE-Labor an der University of Victoria in British Columbia, Kanada. Das XCITE-Team ist ein früher Anwender der Echtzeit-Kleinfeld-Dosimetrielösung von Medscint für Forschungsstudien zu FLASH-Bestrahlungsschemata in Experimenten mit sehr kleinen Tieren – indem es beispielsweise Fruchtfliegenlarven ultrahohen Dosisraten aussetzt und das vergleichende Überleben verfolgt im Vergleich zu herkömmlichen Bestrahlungssystemen. Das Labor untersucht außerdem den FLASH-Effekt auf gesundes Gewebe bei Mäusen.

Es scheint, dass solche Kooperationen eine Win-Win-Situation darstellen. Ein typisches Beispiel ist Kevin Byrne, ein ehemaliger MSc-Student in Foleys Gruppe, der nach einem Forschungspraktikum am XCITE jetzt als medizinischer Forschungsphysiker in der Abteilung für translationale Strahlungswissenschaften am XCITE arbeitet Universität von Maryland School of Medicine (Baltimore, MD). Unter Beobachtung von Kai JiangByrne, Assistenzprofessor für Radioonkologie, arbeitet weiterhin an plastischen und anorganischen Szintillationsdetektoren im Rahmen eines umfassenderen Forschungsprogramms, das die FLASH-Effekte von Elektronen- und Protonenstrahlen mit ultrahoher Dosisleistung auf präklinische Modelle untersucht. „Hier ist so etwas wie ein ‚positiver Kreislauf‘ im Spiel“, erklärt Foley, „wobei Kevin andere MSc- und Doktoranden-Gaststudenten aus Galway bei ihren Projekten zur Szintillationsdosimetrie betreut.“

Kreative Bildung

Ungeachtet der Nutzung der Medscint-Technologie in Galway im Kontext der medizinischen Physikforschung stellt Foley die HYPERSCINT-Forschungsplattform auch in den Mittelpunkt seiner Bachelor-Lehre. „Die Aufgabe besteht darin, durch den Einsatz tragbarer Demonstrationsgeräte wie des Medscint-Systems eine dynamischere, forschungsgeleitete Lernumgebung zu schaffen“, erklärt er. „Auf diese Weise nutzen wir die Plastikszintillationsdetektoren von Medscint, um Studienanfängern die Grundlagen der Strahlungsdosimetrie näherzubringen, und vertiefen diese Konzepte gleichzeitig mit einem strukturierten Lernpfad durch den gesamten Lehrplan bis hin zum Bachelor- und Masterstudium im vierten Studienjahr .“

Gleichzeitig, so argumentiert Foley, wird der Status des MSc in medizinischer Physik in Galway durch die CAMPEP-Akkreditierung weiter gestärkt, was bedeutet, dass Masterstudenten als Teil des akademischen Pakets mit „inhärenter Übertragbarkeit und Mobilität“ abschließen. „Sie werden feststellen, dass unsere MSc-Studenten in führenden Radioonkologiezentren im Vereinigten Königreich und Irland sowie in Nordamerika, Australien und Neuseeland Forschungs- und klinische Physikstellen übernehmen“, schließt er. „Ein weiterer großer Vorteil der CAMPEP-Konformität besteht darin, dass sie uns den Weg erleichtert, neue Kooperationen mit anderen von CAMPEP akkreditierten Forschungsprogrammen in den USA und Kanada aufzubauen.“

Disruptive Innovation, klinische Übersetzung

Ziel von Medscint ist es, „das Regelwerk für die Kleinfelddosimetrie neu zu schreiben“, basierend auf seinem proprietären optischen Know-how im Bereich der Kunststoffszintillationsdetektoren. Das ist die Behauptung von Jonathan Turcotte, Mitbegründer und Chief Marketing Officer des Anbieters, dessen Fokus sich zusammen mit dem seiner Kollegen unaufhaltsam auf die Feinheiten der klinischen Übersetzung und die Qualitätssicherungsanforderungen klinischer Endbenutzer für die nächste Generation verlagert Strahlentherapiemodalitäten.

„Wir haben das Geschäft bisher aufgebaut, indem wir mit einer Kohorte innovativer, forschungsgeleiteter medizinischer Physikprogramme Fuß gefasst haben – alle arbeiten daran, die beste Praxis der Strahlentherapiedosimetrie von morgen zu definieren“, erklärt er. „Der nächste Schritt in der Entwicklung von Medscint wird eine eher zweigleisige Strategie sein – weiterhin auf Spitzenkunden aus der Forschung abzielen und sich kurzfristig dem Markt für klinische Qualitätssicherung zuwenden.“

Turcotte und sein Team gehen beispielsweise davon aus, noch in diesem Jahr die behördliche 510(k)-Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für ein klinisches System zu erhalten, das für Kleinfeld-Dosimetrieanwendungen in der maschinellen Qualitätssicherung vorgesehen ist. Die anschließende CE-Kennzeichnung ist für 2024 als Vorstufe für Installationen bei klinischen Kunden im Europäischen Wirtschaftsraum (EWR) geplant.

„Während Kunststoffszintillatoren eine bahnbrechende Technologie in der Qualitätssicherung und Dosimetrie der Strahlentherapie darstellen“, bemerkt Turcotte, „ist es bezeichnend, dass etwa jeder sechste klinische Physikstudiengang mit CAMPEP-Akkreditierung bereits mit unseren Produkten in einem Forschungsumfeld arbeitet.“

Weiterführende Literatur

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• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• BlockOffsets. Modernisierung des Eigentums an Umweltkompensationen. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/plastic-scintillation-detectors-prove-a-win-win-in-clinical-physics-research-and-education/