Krebsbehandlung: Wegstrecke der Protonen sichtbar gemacht

Ziel der Protonen-Strahlen­therapie gegen Krebs ist es, Tumorzellen abzutöten und das umliegende, gesunde Gewebe zu schonen. Bisher gibt es keine direkte Methode, um die Reichweite des Strahls während der Dosisabgabe abzubilden. Deshalb arbeiten Mediziner mit Sicherheits­abständen um den Tumor herum. Wissen­schaftler um Prof. Aswin Hoffmann vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der TU Dresden ist es mit einem In-Beam-MRT-Prototyp gelungen, die Wegstrecke des Protonen­strahls in einem flüssigkeits­gefüllten Phantom zu visualisieren und die Reichweite des Protonen­strahls während der Bestrahlung aufzuzeigen.

Im Vergleich zu Photonen besitzen Protonen einen wichtigen Vorteil: Sie haben eine definierte Reichweite, also einen Punkt, an dem sie ihre maximale Energie abgeben. Diese Eigenschaft ermöglicht es, in der Protonen-Strahlen­therapie die Strahlen im Tumorgewebe stoppen zu lassen, dort eine hohe Bestrahlungs­dosis zu applizieren, und gleichzeitig die in das umliegende gesunde Gewebe eingetragene Dosis stark zu reduzieren. Daher wird die Protonen-Strahlen­therapie vor allem zur Behandlung von Kindern, aber auch bei Erwachsenen mit Tumoren in der Nähe sehr strahlen­empfind­licher Normalgewebe eingesetzt.

Zur Kontrolle der Dosisabgabe ist eine direkte Methode notwendig, die die Reichweite des Strahls im Verhältnis zur Anatomie des Patienten während der Dosisabgabe misst und abbildet. Da ein solches Verfahren bislang fehlt, werden bisher Sicherheits­säume um das Tumorgewebe eingebaut, was auch zur Bestrahlung von Normal­geweben führt und die maximal mögliche Dosis im Tumor einschränkt.

Seit 2016 forscht die Gruppe um Hoffmann an der technischen Integration von Magnet­resonanz­tomographie und Protonen­therapie. Mit einem In-Beam-MRT-Prototyp ist es Hoffmann und seiner Gruppe weltweit erstmalig gelungen, den Protonenstrahl in einem flüssigkeits­gefüllten Phantom zu visualisieren und mit dieser Methode die Reichweite des Protonenstrahls während der Bestrahlung aufzuzeigen.

„Das Ergebnis unserer Arbeit kann die Qualitäts­sicherung in der Protonen­therapie maßgeblich verändern. Bislang wurden Messungen häufig indirekt gemacht, nun kann die Abbildung des Protonenstrahls direkt während Dosis­appli­zierung geschehen“, erklärt Hoffmann. „Mein Traum ist es, dieses Verfahren künftig für die Überwachung von Patienten­behand­lungen einsetzen zu können.“

In der Studie wurde die Machbarkeit einer Visuali­sierung des Protonenstrahls in flüssigen Medien verdeutlicht. Wie vorhergesagt, zeigten die während der Bestrahlung aufgenommenen MRT-Bilder, dass die Eindring­tiefe mit zunehmender Protonen­energie zunahm und so auch die Stärke des MRT-Signals mit zunehmendem Protonenstrom.

Die Ergebnisse geben Hoffnung, dass eine neue Dimension der Behandlung von Krebs­patienten ermöglicht wird. Aktuell wird ein neues MRT-Großgerät im Institut für Radio­onkologie des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf installiert. Mit diesem wird es erstmals möglich sein, Protonen­bestrahlung und Echtzeit-MRT gleichzeitig durchzuführen und zudem die Richtung und Stärke des Magnetfelds relativ zum Patienten zu variieren. Hiermit könnte die Protonen­therapie in einigen Jahren für bewegliche Tumoren noch präziser eingesetzt werden, um das gesunde Gewebe noch besser zu schonen und das Tumorgewebe mit einer höheren Dosis zu bestrahlen.

HZDR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Gantz et al.: Direct visualization of proton beam irradiation effects in liquids by MRI, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2301160120 (2023); DOI: 10.1073/pnas.2301160120
• Oncoray – Institut für Radioonkologie, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf