Deeltjesfysica biedt nieuwe inzichten op 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="Op weg naar beeldgestuurde FLASH Een PET-scanner ontwikkeld door Karol Lang en zijn collega's kan de effecten van protonentherapie visualiseren en meten terwijl de straal wordt afgeleverd. (Met dank aan: Marek Proga, Universiteit van Texas in Austin)”>

Baanbrekende technologieën die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor de meest ambitieuze experimenten in de deeltjesfysica hebben vaak geleid tot innovaties op het gebied van medische behandeling en diagnose. Vooruitgang op het gebied van versnellers en bundellijntechniek heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van zeer effectieve strategieën voor de behandeling van kanker, terwijl detectoren die zijn ontworpen om de meest ongrijpbare deeltjes op te vangen nieuwe manieren hebben geboden om de innerlijke werking van het menselijk lichaam te bekijken.

In een recente ontwikkeling heeft een in de VS gevestigd onderzoeksteam onder leiding van Karol Lang, een experimentele deeltjesfysicus aan de Universiteit van Texas in Austin, voor het eerst bereikt real-time beeldvorming van de effecten van FLASH-protonentherapie voor, tijdens en na de levering van de balk. Deze opkomende FLASH-behandelingen dienen ultrahoge doses toe over extreem korte tijdsschalen, die kankercellen effectief kunnen uitroeien en tegelijkertijd minder schade aan gezond weefsel veroorzaken. FLASH-behandelingen vereisen minder bestralingen gedurende kortere behandelingscycli, waardoor meer patiënten kunnen profiteren van protonentherapie en het risico op bestralingsgerelateerde bijwerkingen aanzienlijk zou verminderen.

Het onderzoeksteam, waar ook medische fysici van het MD Anderson Proton Therapy Center in Houston bij betrokken zijn, produceerde de beelden met behulp van een speciaal ontworpen scanner voor positron-emissietomografie (PET), een techniek die zelf voortkwam uit baanbrekende experimenten bij CERN in de jaren zeventig. . Met behulp van vijf verschillende fantomen die fungeren als surrogaten voor een menselijke patiënt, exploiteerde het team hun op maat gemaakte PET-instrument om zowel het snelle begin van de protonenbundel als de effecten ervan tot 1970 minuten na de bestraling in beeld te brengen.

“Bestraling door protonen produceert kortlevende isotopen in het lichaam die in veel gevallen positronenemitters zijn”, legt Lang uit. “Bij FLASH-protonentherapie genereert de straal een hogere positronintensiteit, waardoor de sterkte van het signaal toeneemt. Zelfs met kleine PET-detectorarrays konden we beelden produceren en zowel de overvloed aan isotopen als hun evolutie in de loop van de tijd meten.”

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg" data-caption="Klein maar krachtig De detectorarrays die in de PET-scanner worden gebruikt, zijn relatief klein, maar de intensiteit van de FLASH-bundel maakt het mogelijk om beelden te produceren en de overvloed van de isotopen te meten. (Met dank aan: Marek Proga, Universiteit van Texas in Austin)” title=”Klik om de afbeelding in pop-up te openen” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg” >

De metingen die tijdens deze proof-of-principle-experimenten zijn geregistreerd, suggereren dat een PET-scanner in de straal real-time beeldvorming en dosimetrie zou kunnen bieden voor protontherapiebehandelingen. Het team was zelfs in staat de intensiteit van de protonenbundel te bepalen door snelle gamma's te detecteren – zo genoemd omdat ze worden geproduceerd door het verval van kernen op zeer korte tijdschalen – geproduceerd tijdens de extractie van de protonenbundel. Met slechts een kleine aanpassing aan het apparaat gelooft Lang dat de snelle gamma's kunnen worden gemeten om een ​​momentopname van de protonenbundel te verkrijgen, waarbij PET vervolgens kan worden gebruikt om de evolutie van de isotopen te volgen nadat de bundel is afgeleverd.

"Deze resultaten laten zien dat het alleen maar een kwestie zou zijn van het verbeteren van de experimentele opzet van de techniek om bruikbare metingen te leveren in een klinische setting", zegt hij. “Natuurlijk weten we dat er nog veel preklinische tests nodig zijn, maar in dit stadium is het duidelijk dat er geen showstoppers zijn voor de techniek.”

Lang en zijn collega's beschrijven hun aanpak en resultaten in twee artikelen die zijn gepubliceerd in Natuurkunde in de geneeskunde en biologie (PMB), die beide gratis toegankelijk zijn. De onderzoekers profiteerden ook van een opkomend publicatiemodel, een zogenaamde transformatieve overeenkomst, waardoor ze beide artikelen open access konden publiceren zonder de gebruikelijke publicatiekosten voor artikelen te hoeven betalen.

Onder deze zogenaamde transformatieve overeenkomsten, in dit geval tussen IOP Publishing en het University of Texas System, kunnen onderzoekers van elke instelling binnen de academische groep zowel toegang krijgen tot onderzoeksinhoud als hun eigen werk gratis publiceren. IOP Publishing – dat PMB publiceert namens het Institute of Physics and Engineering in Medicine – heeft transformatieovereenkomsten met meer dan 900 instellingen in 33 verschillende landen, die gratis toegang bieden en publiceren in de meeste, zo niet de hele portefeuille van wetenschappelijke tijdschriften.

Het doel van deze read-and-publish-overeenkomsten is om de transitie naar open access publiceren te versnellen, omdat hierdoor wordt vermeden dat onderzoekers zelf financiering voor publicatiekosten moeten zoeken. Voor Lang zal elke stap die de wetenschap openstelt en verschillende gemeenschappen in staat stelt samen te werken, helpen nieuwe ideeën uit andere disciplines teweeg te brengen die toekomstige innovatie zullen stimuleren. “Als ik een interessant artikel tegenkom waar ik geen toegang toe heb, vooral als het over een ander vakgebied gaat, mis ik informatie die mij zou kunnen helpen bij mijn werk”, zegt hij. “Open en vrije informatie is essentieel voor ons om vooruitgang te boeken.”

Vanuit zijn eigen ervaringen in de deeltjesfysica heeft Lang de voordelen gezien die kunnen voortkomen uit een open en collaboratieve onderzoekscultuur. “In de deeltjesfysica deelt iedereen zijn beste gedachten en prestaties, en mensen willen betrokken raken bij het vinden van verschillende manieren om nieuwe ideeën te ontwikkelen en te exploiteren”, zegt hij. “Zonder die collaboratieve mentaliteit zouden de doorbraken die we bij CERN, Fermilab en elders hebben gezien gewoon niet hebben plaatsgevonden.”

<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="Aangepast ontwerp Karol Lang (midden) met ingenieur Marek Proga (links) en postdoc-onderzoeker John Cesar en de speciaal gebouwde PET-scanner ontwikkeld door het team. De configuratie van de scanner maakt metingen in de straal mogelijk terwijl de patiënt wordt behandeld. (Met dank aan: Michael Gajda, Universiteit van Texas in Austin)” title=”Klik om de afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers- nieuwe-visies-op-flash-proton-therapie-fysica-wereld-9.jpg”>

Het is echter duidelijk dat Lang gefrustreerd is omdat sommige mensen in de medische gemeenschap minder open lijken te staan ​​voor nieuwe ideeën, vooral van een natuurkundige die geen eerdere klinische ervaring heeft. “We weten dat veel van de beste technologieën op het gebied van de medische fysica en nucleaire beeldvorming voortkomen uit de vooruitgang in de deeltjes- en kernfysica, maar het is moeilijk om de nieuwste nieuwe ideeën in de geneeskunde te brengen”, zegt hij. “Ik begrijp nu beter waarom dat zo is – het veranderen van beproefde medische procedures en formele behandelprotocollen is veel ingewikkelder dan alleen maar het inruilen van een betere detector – maar ik ben nog steeds teleurgesteld over hoe moeilijk het is om de sector binnen te dringen en betrokken te raken in gezamenlijk onderzoek.”

Hoewel Lang eerder heeft geprobeerd medische detectoren te bouwen, erkent hij dat hij en andere deeltjesfysici zich schuldig kunnen maken aan naïviteit of zelfs arrogantie als het gaat om het introduceren van nieuwe technologieën in de streng gecontroleerde ziekenhuisomgeving. Voor dit nieuwe werk vroeg een groep medisch fysici hem echter om het voortouw te nemen bij een onderzoeksproject waarvoor zijn expertise op het gebied van het bouwen van deeltjesdetectoren nodig was. “Ik zet mijn onderzoek op het gebied van de neutrinofysica nog steeds voort, maar ik geloof dat wat wij kunnen bieden zo uniek en waardevol is dat ik erbij betrokken wilde raken”, zegt Lang. “Naarmate ik meer leerde, raakte ik meer geïntrigeerd en raakte ik echt verslaafd aan het idee van FLASH-behandelingen.”

Hoewel er meer werk nodig zal zijn om de in-beam beeldvormingstechniek voor klinisch gebruik te optimaliseren, gelooft Lang dat deze op de korte termijn een waardevol onderzoeksinstrument zou kunnen bieden om het FLASH-effect te helpen begrijpen. “Niemand weet echt waarom FLASH werkt, of welke straalparameters precies moeten worden gebruikt om de beste resultaten te bereiken”, zegt hij. "Dat suggereert voor mij heel diep dat we niet volledig begrijpen hoe straling interageert met gezond of kankerweefsel."

Met dit nieuwe instrument, zo betoogt Lang, zou het mogelijk zijn om de fysieke mechanismen die een rol spelen tijdens een FLASH-behandeling te onderzoeken. “Deze techniek zou ons kunnen helpen begrijpen hoe het menselijk lichaam reageert nadat het met zulke intense uitbarstingen van energie is bestraald”, zegt hij. “Het biedt een manier om de tijdsafhankelijke effecten van de bestraling te onderzoeken, wat volgens mij nog niet eerder systematisch is gedaan.”

Op de langere termijn is het doel echter om een ​​beeldgestuurde behandelingsmodaliteit te creëren die de effecten van elke bestraling meet om daaropvolgende behandelingen te informeren en bij te werken. Dergelijke adaptieve benaderingen zijn onpraktisch met conventionele behandelprotocollen, waarbij kleinere doses worden toegediend in ongeveer 30 dagelijkse sessies, maar zouden levensvatbaarder kunnen zijn met FLASH-behandelingen die mogelijk slechts een paar doses nodig hebben om voldoende energie te leveren om de kanker uit te roeien.

“Het controleren van de effecten van elke bestraling zou de dynamiek, logistiek en resultaten van de behandeling volledig transformeren”, zegt Lang. “Gecombineerd met een beter begrip van de interacties tussen energetische protonen en het menselijk lichaam, zouden dergelijke adaptieve FLASH-protocollen een revolutionaire impact kunnen hebben op de patiëntresultaten.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy/