28.05.18 12:58

DFG fördert Verbundprojekt Düsseldorf / Duisburg Essen

Grundlagen der spezifischen radiobiologischen Effekte von Laser-induzierten Protonen

Von: Susanne Dopheide

Die gängige Strahlentherapie nutzt überwiegend energiereiche Photonenstrahlung (Röntgen- und gamma-Strahlen). Die energiereiche Partikelstrahlung, wie die Protonen- oder Schwerionenbestrahlung, erreicht zwar deutlich höhere Strahlendosen, vor allem bei tiefsitzenden soliden Tumoren, und schont besser das umgebende Gewebe, sie wird aber derzeit therapeutisch wenig genutzt, weil die investiven und betrieblichen Kosten viel zu hoch sind.

Schematische Darstellung der LAP

Weltweit wird dieser Therapieansatz jedoch intensiv weiter verfolgt. Deutschland steht dabei mit mehreren Protonen- und Schwerionentherapiezentren in vorderster Front. In einem Verbundprojekt der Universitäten Düsseldorf und Essen wollen Forscher nun die wissenschaftlichen Grundlagen für ein neues, weniger aufwändiges Verfahren zur Erzeugung von Protonenstrahlung schaffen, indem sie die biologischen Effekte der neuen Laser-Beschleunigungstechnik (LAP), untersuchen und mit konventioneller Protonentechnik (CAP) direkt vergleichen.

Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hat bereits wesentlich in dieses Forschungsgebiet investiert. Unter der Leitung von Prof. Dr. Oswald Willi, Institut für Laser- und Plasmaphysik, betreibt sie einen 200 TW-Laser, der für die Produktion Laser-beschleunigter Protonen (LAP) eingerichtet ist. Referenz-Protonen (CAP) stehen im Westdeutschen Protonentherapiezentrum des Universitätsklinikums Essen unter der Ärztlichen Leitung von Prof. Dr. Beate Timmermann zur Verfügung. Das aktuelle Forschungsprojekt baut auf den Erkenntnissen zu radio-biologischen Effekten der LAP auf, die durch ein Konsortium von Prof. Dr. Oswald Willi (Math.-Nat.-Fakultät) und Prof. Dr. Fritz Boege (Med. Fakultät) von der HHU, sowie Prof. Dr. George Iliakis, Universität Essen entdeckt wurden (vgl. Nature Scientific Reports 6:32441 | DOI: 10.1038/srep32441).

Die Forscher gehen davon aus, dass die biochemischen und biologischen Wirkungen der beiden Protonen Verfahren LAP und CAP unterschiedlich sind, weil LAP als gepulste Strahlung eine wesentlich höhere Energiedichte aufweist. Hierdurch ändern sich die biologischen Wirkungen. Sie müssen experimentell untersucht und geklärt werden, um den Weg für die klinische Einführung des neuen LAP-Verfahrens ebnen zu können. Prof. Iliakis, Institut für Strahlenbiologie der Universität Essen, Prof. Dr. Friedrich Boege, Direktor des Instituts für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik, und Prof. Dr. Christoph V. Suschek, Unfallchirurgische Forschergruppe der Klinik für Unfall- und Handchirurgie des Universitätsklinikums Düsseldorf, werden die radio-biologischen Wirkungen – wie DNA-Schädigung, die  zellulären Stressreaktionen und die tumortoxischen Konsequenzen der LAP im direkten Vergleich mit konventioneller Protonenstrahlung untersuchen. Prof. Oswald Willi, Institut für Laser- und Plasmaphysik, wird die notwendigen Methoden erarbeiten um die Energiedichte von LAP gezielt zu beeinflussen.

Die entscheidenden Vorteile gegenüber der Energie von Röntgenstrahlen, die mit zunehmender Eindringungstiefe exponentiell abnimmt, liegen in den physikalischen Eigenschaften der Partikelstrahlung: Sie erreicht ihre höchste Energie am Ende ihrer Flugbahn. Bei Bestrahlung tief sitzender Tumoren wird das umgebendes Gewebe deutlich weniger mit bestrahlt und potentiell geschädigt. Auch die Streubreite der Strahlung kann über die Anfangsgeschwindigkeit der Strahlung besser reguliert werden als bei gamma-Strahlen.

Im Prinzip kann jeder solide Tumor mit der entsprechenden Strahlendosis zerstört werden. Tumoren sind nun aber von gesundem Gewebe umgeben, das unausweichlich mit erheblichen Nebenwirkungen mit bestrahlt wird. So entscheidet also die Strahlentoleranz des umgebenden Gewebes die maximal anwendbare Strahlendosis gegen einen Tumor. Die physikalischen Eigenschaften der Protonenstrahlung erlauben höhere Dosen gegen den Tumor bei gleichzeitig größerer Schonung des umgebenden, gesunden Gewebes.

Das Projekt klärt grundlegende Fragen der biologischen Wirkung von LAP. Es bereitet so die zukünftige radiotherapeutische Anwendung dieser Strahlengattung vor und verstärkt die Position Deutschlands auf diesem internationalen Forschungsfeld. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rd. 500.000 Euro (ges. Bewilligungssumme für das Verbundprojekt) gefördert.

Literatur: S. Raschke, S. Spickermann, T. Toncian, M. Swantusch, J. Boeker, U. Giesen, G. Iliakis, O. Willi & F. Boege, „Ultra-short laser-accelerated proton pulses have similar DNA-damaging effectiveness but produce less immediate nitroxidative stress than conventional proton beams, Nature Scientific Reports 6:32441 | DOI: 10.1038/srep32441

Verantwortlich für den Inhalt: E-Mail sendenDekanat der Medizinischen Fakultät der HHU