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Präzisere Krebsbestrahlung durch Teilchenphysik

Eine neue, von Forscher/innen der ÖAW mitentwickelte Methode soll die medizinische Bildgebung für die Planung von Ionentherapien, die zur Behandlung von Tumoren eingesetzt werden, verbessern. Dabei werden Detektoren verwendet, die ursprünglich für Großexperimente mit Teilchenbeschleunigern am CERN entwickelt wurden.

© Klaus Pichler/ÖAW

In der Therapie von Krebs mittels Bestrahlung werden mehrheitlich die bekannten Röntgenstrahlen oder Gamma- und Elektronenstrahlen verwendet. In den letzten Jahren wurde das Spektrum der verwendeten Strahlungsarten aufgrund neuer medizinischer Erkenntnisse aber erweitert. Nun kommen auch schwere geladene Teilchen wie zum Beispiel Protonen oder Kohlenstoffionen zum Einsatz. Protonen sind Bausteine von Atomen, also jenen Elementen, aus denen unsere Materie zusammengesetzt ist. Diese neue Form der Strahlentherapie mit Protonen ist mittlerweile an vielen Standorten weltweit zu einer etablierten Behandlungsmöglichkeit geworden. Mit der Inbetriebnahme des Krebstherapie-zentrums MedAustron in Wiener Neustadt ist sie nun auch in Österreich verfügbar.

Damit aber die Strahlen in Wiener Neustadt den Tumor auch gezielt treffen können, ist eine präzise Bildgebung Voraussetzung. Und die wiederum erfordert umfangreiches Wissen aus der teilchenphysikalischen Grundlagenforschung und Detektortechnik. Daher ist das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) führend in die Entwicklung einer experimentellen Form der Bildgebung mit Protonen und anderen Ionen zur Optimierung der Bestrahlungsplanung am MedAustron eingebunden.

Video: Wie kann die Physik die Krebsbestrahlung verbessern?

 

Präziser als herkömmliche Bestrahlung

Um die Strahlentherapie bestmöglich zu planen und so den maximalen Therapieerfolg sicherzustellen, wird die Zusammensetzung des umliegenden Gewebes, das die Protonen auf dem Weg zum Tumor durchqueren müssen, genauestens untersucht und charakterisiert. Derzeit wird diese Information durch Computertomographie mittels Photonen – das sind, vereinfacht gesagt, masselose Lichtteilchen – gewonnen. Für die konventionelle Strahlentherapie ist diese Information ausreichend, nicht aber für die neue Therapie mit Protonen.

Denn die Protonen, die in der deutlich präziseren und für Patient/innen mit weniger Strahlenbelastung auskommenden Therapie verwendet werden, folgen gänzlich anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten als Photonen. Die Protonen treten nämlich am Weg zum Tumor mit dem durchquerten Gewebe in Wechselwirkung. Das hat zur Folge, dass sie abhängig von ihrer Energie von einer geraden Flugbahn abgelenkt werden. Das erschwert die Bestimmung der Position der Teilchen – ein Nachteil, der allerdings bei der Bildrekonstruktion genutzt werden kann.  

Dreidimensionales Bild des Tumors

Und genau hier kommen die ÖAW-Teilchenphysiker/innen ins Spiel. Sie haben sehr ähnliche Detektoren für physikalische Großexperimente, wie etwa am Large Hadron Collider am europäischen Kernforschungszentrum CERN entwickelt. Dort werden in einem kilometerlangen unterirdischen Beschleunigerring Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht, wobei neue Teilchen entstehen, die mit Hilfe von Detektoren genau vermessen werden. Am CERN erhofft man sich dadurch neue Erkenntnisse zum Aufbau und zur Entstehung von Materie. Die Detektortechnik lässt sich aber auch bei der Bestrahlung von Krebs im menschlichen Körper anwenden.

„Für die Optimierung der Bildgebung in der Bestrahlungsplanung benutzen wir Siliziumdetektoren zur Bestimmung der Flugbahn sowie ein Kalorimeter zur Energiemessung der Protonen. Mit den so gewonnenen Daten können wir ein dreidimensionales Bild des durchquerten Mediums, also zum Beispiel eines Tumors und des umliegenden Gewebes, berechnen“, sagt Thomas Bergauer, Projektleiter am ÖAW-Institut. „Damit finden Methoden und Technologien aus der Teilchenphysik Anwendung in der medizinischen Bildgebung, um die Präzision der Tomographie mit hochenergetischen Protonen und dadurch auch die Genauigkeit der Bestrahlung insgesamt zu verbessern.“

Präklinische Testphase angelaufen

Aktuell sind die Forschungen in der präklinischen Phase angekommen. Das bedeutet, dass die ÖAW-Teilchenphysiker/innen durch Simulationen und Experimente am MedAustron untersuchen, wie man die höchstmögliche Präzision bei der Bestrahlung von Tumoren erreichen kann. Dafür verwenden sie sogenannte „Phantome“, die Eigenschaften menschlichen Gewebes nachbilden können.  Die Ergebnisse sollen schließlich in den laufenden Betrieb bei MedAustron und darüber hinaus in die Krebsbehandlung insgesamt einfließen. Für Patient/innen bedeutet das in Zukunft, dass auch Krebsarten behandelt werden können, die derzeit noch schwer therapierbar sind.