Nieuwe op versnellers gebaseerde technologie die wordt ontwikkeld door het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University, heeft tot doel de bijwerkingen van kankerbestralingstherapie te verminderen door de duur van de behandeling te verkorten van minuten tot minder dan een seconde. Ingebouwd in toekomstige compacte medische apparaten, technologie die is ontwikkeld voor hoge-energiefysica kan ook helpen om bestralingstherapie over de hele wereld toegankelijker te maken.

Nutsvoorzieningen, het SLAC/Stanford-team heeft cruciale financiering ontvangen om door te gaan met twee projecten om mogelijke behandelingen voor tumoren te ontwikkelen:een met behulp van röntgenstralen, de andere met behulp van protonen. Het idee achter beide is om kankercellen zo snel op te blazen dat organen en andere weefsels geen tijd hebben om te bewegen tijdens de belichting, net zoals het nemen van een enkel stilstaand beeld van een video. Dit verkleint de kans dat straling gezond weefsel rond tumoren raakt en beschadigt, bestralingstherapie nauwkeuriger te maken.

"Het leveren van de stralingsdosis van een hele therapiesessie met een enkele flits die minder dan een seconde duurt, zou de ultieme manier zijn om de constante beweging van organen en weefsels te beheersen, en een grote vooruitgang vergeleken met de methoden die we vandaag gebruiken, " zei Billy Loo, een universitair hoofddocent stralingsoncologie aan de Stanford School of Medicine.

Sami Tantawi, een professor in deeltjesfysica en astrofysica en de hoofdwetenschapper voor de RF Accelerator Research Division in SLAC's Technology Innovation Directorate, die aan beide projecten met Loo samenwerkt, zei, "Om de straling met hoge intensiteit efficiënt genoeg af te leveren, we hebben versnellerstructuren nodig die honderden keren krachtiger zijn dan de huidige technologie. De financiering die we hebben ontvangen, zal ons helpen deze structuren op te bouwen."

Kanker uitstralen met röntgenstralen

Het project genaamd PHASER zal een flitsafgiftesysteem voor röntgenstralen ontwikkelen.

In de medische apparaten van tegenwoordig, elektronen vliegen door een buisachtige versnellerstructuur van ongeveer een meter lang, het verkrijgen van energie uit een radiofrequent veld dat tegelijkertijd en in dezelfde richting door de buis gaat. De energie van de elektronen wordt dan omgezet in röntgenstraling. De afgelopen jaren is het PHASER-team heeft prototypes van versnellers ontwikkeld en getest met speciale vormen en nieuwe manieren om radiofrequente velden in de buis te voeden. Deze componenten presteren al zoals voorspeld door simulaties en maken de weg vrij voor acceleratorontwerpen die meer vermogen ondersteunen in een compact formaat.

"Volgende, we bouwen de versnellerstructuur en testen de risico's van de technologie, die, in drie tot vijf jaar, zou kunnen leiden tot een eerste echt apparaat dat uiteindelijk kan worden gebruikt in klinische onderzoeken, ' zei Tantawi.

Het Stanford Department of Radiation Oncology zal het komende jaar ongeveer $ 1 miljoen verstrekken voor deze inspanningen en een campagne ondersteunen om meer onderzoeksfinanciering in te zamelen. De afdeling Stralingsoncologie, in samenwerking met de School of Medicine, heeft ook het Radiation Science Center opgericht dat zich richt op precisiestralingsbehandeling. De PHASER-divisie, onder leiding van Loo en Tantawi, heeft tot doel het PHASER-concept om te zetten in een functioneel apparaat.

Protontherapie wendbaarder maken

In principe, protonen zijn minder schadelijk voor gezond weefsel dan röntgenstralen omdat ze hun tumordodende energie in een meer beperkt volume in het lichaam afzetten. Echter, protonentherapie vereist grote faciliteiten om protonen te versnellen en hun energie aan te passen. Het maakt ook gebruik van magneten met een gewicht van honderden tonnen die langzaam rond het lichaam van een patiënt bewegen om de straal in het doel te leiden.

"We willen innovatieve manieren bedenken om de protonenbundel te manipuleren die toekomstige apparaten eenvoudiger zullen maken, compacter en veel sneller, " zei Emilio Nanni, een stafwetenschapper bij SLAC, die samen met Tantawi en Loo het project leidt.

Dat doel zou binnenkort binnen bereik kunnen zijn, dankzij een recente subsidie ​​van 1,7 miljoen dollar van het DOE Office of Science Accelerator Stewardship-programma om de technologie de komende drie jaar te ontwikkelen.

"We kunnen nu verder met ontwerpen, het fabriceren en testen van een versnellerstructuur vergelijkbaar met die in het PHASER-project die in staat zal zijn om de protonenbundel te sturen, het afstemmen van zijn energie en het leveren van hoge stralingsdoses vrijwel onmiddellijk, ' zei Nannie.

Snel, effectief en toegankelijk

Naast het nauwkeuriger maken van kankertherapie, flitsafgifte van straling lijkt ook andere voordelen te hebben.

"We hebben bij muizen gezien dat gezonde cellen minder schade oplopen als we de stralingsdosis heel snel toepassen, en toch is het tumordodende effect gelijk aan of zelfs een beetje beter dan dat van een conventionele langere blootstelling, ' zei Loo. 'Als het resultaat geldt voor mensen, het zou een heel nieuw paradigma zijn op het gebied van bestralingstherapie."

Een ander belangrijk doel van de projecten is om bestralingstherapie toegankelijker te maken voor patiënten over de hele wereld.

Vandaag, miljoenen patiënten over de hele wereld krijgen alleen palliatieve zorg omdat ze geen toegang hebben tot kankertherapie, zei Loo. "We hopen dat ons werk zal bijdragen aan het beschikbaar maken van de best mogelijke behandeling voor meer patiënten op meer plaatsen."

Daarom richt het team zich op het ontwerpen van systemen die compact, energiezuinig, zuinig, efficiënt te gebruiken in de klinische setting, en compatibel met bestaande infrastructuur over de hele wereld, Tantawi zei:"Het eerste algemeen gebruikte medische lineaire versnellerontwerp werd uitgevonden en gebouwd in Stanford in de jaren voorafgaand aan de bouw van SLAC. De volgende generatie zou een echte game changer kunnen zijn - in de geneeskunde en op andere gebieden, zoals versnellers voor röntgenlasers, deeltjesversnellers en de nationale veiligheid."

Peter Maxim van Stanford (nu directeur van stralingsoncologiefysica aan de Indiana University) is mede-uitvinder van PHASER en heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan beide projecten. Andere leden van het protontherapieteam zijn Reinhard Schulte van de Loma Linda University en Matthew Murphy van Varian Medical Systems.