Medisch fysicus Dr. Aswin Hoffmann en zijn team van het Instituut voor Radiooncologie-OncoRay in het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben magnetische resonantie beeldvorming (MRI) gecombineerd met een protonenbundel, waarmee voor het eerst wordt aangetoond dat in principe deze veelgebruikte beeldvormingsmethode kan werken met behandelingen voor kanker met deeltjesbundels. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor gerichte, gezonde weefselsparende kankertherapie. De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Natuurkunde in geneeskunde en biologie .

Radiotherapie maakt al lang deel uit van de standaard oncologische behandelpraktijk. Een bepaalde hoeveelheid energie wordt in het tumorweefsel afgezet, waar het het genetisch materiaal van de kankercellen beschadigt, voorkomen dat ze zich delen, en idealiter vernietigen. De meest gebruikte vorm van bestralingstherapie wordt tegenwoordig fotonentherapie genoemd, die gebruik maakt van hoogenergetische röntgenstralen. Hier, een aanzienlijk deel van de straal dringt door het lichaam van de patiënt, het afzetten van een schadelijke dosis in gezond weefsel rondom de tumor.

Atoomkernen als wapens tegen kanker

Een alternatief is bestralingstherapie met geladen atoomkernen zoals protonen. De penetratiediepte van deze deeltjes hangt af van hun initiële energie. Ze geven hun maximale dosis af aan het einde van hun traject. Er zal geen dosis worden afgezet na deze zogenaamde "Bragg-piek". De uitdaging voor artsen die dit soort therapie toedienen, is om de protonenbundel precies aan te passen aan de vorm van het tumorweefsel en zo zoveel mogelijk van het omringende normale weefsel te sparen. Voor de behandeling, ze voeren een op röntgenstraling gebaseerde computertomografie (CT) -scan uit om hun doelvolume te selecteren.

“Dit heeft verschillende nadelen, " zegt Hoffmann. "Allereerst, het contrast van de weke delen op CT-scans is slecht, en ten tweede, de dosis wordt buiten het doelvolume in gezond weefsel afgezet." protonentherapie is gevoeliger voor orgaanbewegingen en anatomische veranderingen dan bestralingstherapie met röntgenstralen, die de richtnauwkeurigheid schaadt bij de behandeling van mobiele tumoren. Momenteel, er is geen directe manier om tumorbeweging tijdens bestraling te visualiseren. Dat is het grootste obstakel als het gaat om het gebruik van protonentherapie. "We weten niet precies of de protonenstraal de tumor zal raken zoals gepland, " legt Hoffmann uit. Daarom artsen moeten tegenwoordig grote veiligheidsmarges rond de tumor hanteren. "Maar dat beschadigt meer van het gezonde weefsel dan nodig zou zijn als straling meer gericht zou zijn. Dat betekent dat we nog niet het volledige potentieel van protonentherapie benutten."

Eerste prototype voor MR-geleide deeltjestherapie

Hoffmann en zijn team willen daar verandering in brengen. In samenwerking met de Belgische fabrikant van protontherapieapparatuur IBA (Ion Beam Applications SA), het doel van zijn onderzoeksgroep is om protonentherapie en realtime MR-beeldvorming te integreren. In tegenstelling tot röntgen- of CT-beeldvorming, MRI levert een uitstekend weke-delencontrast en maakt continue beeldvorming tijdens bestraling mogelijk. "Er zijn al twee van dergelijke hybride apparaten voor klinisch gebruik in MR-geleide fotonentherapie, maar er bestaat geen voor deeltjestherapie."

Dit komt voornamelijk door elektromagnetische interacties tussen de MRI-scanner en de apparatuur voor protontherapie. Aan de ene kant, MRI-scanners hebben zeer homogene magnetische velden nodig om geometrisch nauwkeurige beelden te genereren. De protonenbundel, anderzijds, wordt gegenereerd in een cyclotron, een cirkelvormige versneller waarin elektromagnetische velden geladen deeltjes op een cirkelvormige baan dwingen en ze versnellen. De protonenbundel wordt ook gestuurd en gevormd door magneten, waarvan de magnetische velden het homogene magnetische veld van de MRI-scanner kunnen verstoren.

"Toen we het project drie en een half jaar geleden lanceerden, veel internationale collega's waren sceptisch. Ze dachten dat het onmogelijk was om een ​​MRI-scanner te bedienen in een protonenbundel vanwege alle elektromagnetische storingen, Hoffmann legt uit. "Toch konden we in onze experimenten aantonen dat een MRI-scanner inderdaad in een protonenbundel kan werken. Real-time beelden met hoog contrast en nauwkeurige besturing van de protonenbundel sluiten elkaar niet uit." Veel experts voorspelden een ander probleem dat zou optreden bij het gedrag van de protonenbundel:wanneer elektrisch geladen deeltjes in het magnetische veld van een MRI-scanner bewegen, Lorentzkrachten zullen de straal van zijn rechte baan afbuigen. Echter, de onderzoekers konden aantonen dat op deze doorbuiging kan worden geanticipeerd en dus kan worden gecorrigeerd.

Om deze onderlinge interacties te onderzoeken, Hoffmann en zijn team gebruikten de experimentele kamer van het National Center for Radiation Research in Oncology-OncoRay.

"Onze missie is om protonentherapie biologisch te individualiseren en technologisch te optimaliseren tot aan de fysieke grenzen, " zegt Hofmann, hoofd van de onderzoeksgroep MR-geleide bestralingstherapie bij de HZDR. OncoRay heeft zijn eigen cyclotron om de protonenbundel zowel in de therapiekamer als in de experimentele kamer te brengen. Hoffmann en zijn collega's gebruikten de laatste voor hun onderzoeksactiviteiten. Met de steun van IBA en de Paramed MRI Unit van ASG Superconductors SpA, ze installeerden een open MRI-scanner in het pad van de protonenbundel, het realiseren van 's werelds eerste prototype van MR-geleide deeltjestherapie. "We hebben het geluk dat we een experimentele ruimte hebben die groot genoeg is voor een MRI-scanner. Dat is een van de unieke eigenschappen van OncoRay."

knie fantoom, gemengde worst en voorspelbare afleiding

Voor hun experimenten met dit eerste prototype, ze gebruikten aanvankelijk wat een kniefantoom wordt genoemd, een kleine plastic cilinder gevuld met een waterige contrastvloeistof en een verscheidenheid aan verschillend gevormde plastic stukjes. Hoffmann en zijn team gebruikten het om kwantitatieve analyses van de beeldkwaliteit uit te voeren. In een tweede reeks experimenten, de onderzoekers gebruikten een stuk Dresdense mengworst. "Toen de Nederlandse onderzoeksgroep in 2009 beeldvorming bestudeerde voor hun MR-geleide fotonentherapieapparaat, ze gebruikten karbonade, ", zegt Hoffmann. "In 2016, Australische onderzoekers demonstreerden hun MR-fotontherapieapparaat op een kangoeroebiefstuk. Omdat we ook regionaal wilden gaan voor ons prototype in MR-geleide deeltjestherapie, we gebruikten Dresden gemengde worst." Zowel de reeks experimenten met het fantoom als met de worst toonden aan dat de magnetische velden van protonentherapie het beeld niet vervormden. Ze veroorzaakten slechts kleine verschuivingen in het MR-beeld, waarvoor gecorrigeerd kan worden.

Het project gaat momenteel de volgende fase in. Het doel is om 's werelds eerste prototype voor MR-geleide deeltjestherapie te ontwikkelen dat toepasbaar is voor klinisch gebruik.