Hochleistungslaser für die Krebstherapie nutzen
Im Jahr 2020 gab es nach Angaben von Cancer Research UK(öffnet in neuem Fenster) weltweit 18 Millionen neue Fälle von Krebs. Bis zum Jahr 2040 wird ein Anstieg der jährlichen Neuerkrankungen um etwa 55 % prognostiziert. Die Protonentherapie (PT) ist eine Art der Strahlentherapie, bei der hochenergetische Protonen zur Zerstörung von Krebszellen eingesetzt werden. Studien haben gezeigt, dass es sich dabei um eine vielversprechende und wirksame Behandlungsmethode für viele Arten von Tumoren handelt, darunter Tumore im Gehirn, im Kopf- und Halsbereich, im zentralen Nervensystem, in der Lunge, im Magen-Darm-Trakt und in der Prostata sowie inoperable Krebsarten. Allerdings sind die gegenwärtigen PT-Systeme sehr groß und teuer. Behandlungsräume können die Größe eines Fußballfeldes erreichen und kosten bis zu 120 Millionen EUR für ein System mit mehreren Räumen, dessen Bau Jahre erfordert. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts LPT haben Forschende ein ultrakompaktes, hochleistungsfähiges PT-System mit einem neuartigen Aufbau entwickelt, der den Kostenaufwand so weit senken könnte, dass die Protonentherapie in den Vordergrund der Krebsbehandlungsmöglichkeiten rückt. „Bei diesem Aufbau kommt ein hochintensiver Laser zum Einsatz, der mit einem stark mit Protonen angereicherten Plasma interagiert, das aus einem nanotechnisch hergestellten Polymertarget stammt“, erklärt Moshe Cohen-Erner, Vpizepräsident für Forschung und Entwicklung bei HIL Medical(öffnet in neuem Fenster) und Projektkoordinator von LPT.
Einfangen hochintensiver Laser
Das neuartige PT-System von LPT verwendet einen gepulsten, hochintensiven Laser, der ein protonenreiches, nanotechnisch hergestelltes Ziel bestrahlt. Die Protonen werden auf ein klinisch relevantes Energieniveau beschleunigt, eingegrenzt und durch ein Magnetfeld auf den Krebstumor gebündelt. „Dieser neue Aufbau macht die Protonentherapie einer breiten Öffentlichkeit zugänglich, indem er kosteneffiziente Behandlungssysteme für einen oder mehrere Räume bietet“, fügt Cohen-Erner hinzu. „Dadurch werden die wichtigsten Hindernisse für die breite Einführung von PT-Systemen beseitigt.” Zu den innovativen Aspekten von LPT gehören die Verwendung eines laserbasierten Protonenbeschleunigers zur Erzeugung verstärkter Protonenbündel, eine optimierte Strahlausrüstung und ein festes Portalkonzept für die Strahlextraktion sowie der Einsatz spezieller Magnete und magnetischer Elemente zur Steuerung des schnellen Protonenstrahls. Die Zusammenführung dieser Neuerungen ermöglicht die Fertigung eines PT-Systems mit geringerer Stellfläche (50 % weniger), geringerem Volumen (75 % weniger) und geringerem Gewicht (99 % weniger Beschleuniger) – bei einer Kostenersparnis von 50-75 %. „Durch den Einsatz eines Laserprotonenbeschleunigers mit fester Strahlführungsanlage entfällt die Notwendigkeit eines langen Weges für die geladenen Teilchen, der Bedarf an einer großen Anzahl von Magneten und einer riesigen und schweren Strahlführungsanlage. Dadurch verringert sich die Größe des Gehäuses, das bis zu 500 Tonnen wiegen kann“, erklärt Cohen-Erner.
Steigerung der Laserleistung
Die ersten Experimente im Rahmen des LPT-Projekts zur laserbasierten Protonenbeschleunigung mit nanotechnisch hergestellten Targets führten zu Protonenbeschleunigungen auf relativ niedrige Energien. „Das war spannend und ein überzeugender Beweis, um die ersten(öffnet in neuem Fenster) von Fachleuten begutachteten(öffnet in neuem Fenster) wissenschaftlichen Artikel(öffnet in neuem Fenster) zu diesem Thema zu veröffentlichen“, sagt Cohen-Erner. Das Team entwickelte den Protonenbeschleuniger weiter und erhöhte die Energieabgabe, indem es die nanotechnisch hergestellten Targets verbesserte und einen Laser mit höherer Intensität verwendete. Diese Experimente wurden am deutschen Max-Born-Institut(öffnet in neuem Fenster) (MBI) von einem gemeinschaftlichen internationalen Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des HIL, MBI, des Naval Research Laboratory(öffnet in neuem Fenster) in Washington DC und der Universität Strathclyde(öffnet in neuem Fenster) in Glasgow durchgeführt. Die erfolgreichen Ergebnisse wurden in von Fachleuten begutachteten Fachzeitschriften(öffnet in neuem Fenster) veröffentlicht.
Umsetzung des neuen Lasersystems in Kliniken
„Wir sind stolz auf unsere innovative Idee, die Rückmeldungen von wichtigen Meinungsführenden, medizinischen Fachkräften und potenzieller Kundschaft erhält, die ihren Bedarf an einem solchen kostengünstigen und erschwinglichen PT-System zum Ausdruck bringen“, so Cohen-Erner. „Das gibt uns den Rückenwind und die Unterstützung, unsere Bemühungen auf dem Weg in die Kliniken zu beschleunigen.“ Das Team geht nun in die nächste Phase des Projekts über und stellt eine 200 TW-Laseranlage zum Nachweis klinisch relevanter Protonenpakete zusammen. Die Beta-Tests dieses Systems werden der Forschungsgruppe dazu verhelfen, die Behandlung in naher Zukunft in klinischen Umgebungen einzusetzen.
Schlüsselbegriffe
LPT, Krebs, Protonen, Therapie, neu, Laser, Kliniken, Beschleunigung, Strahlführung
