Status of proton therapy based on high intensity lasers - the first dose-response curves of laser accelerated protons

Fragestellung: Die klassischen Protonenbeschleuniger liefern einige Nanosekunden lange Pulse mit hoher Wiederholfrequenz im Megahertzbereich. Mit der neuartigen Technologie der Laser Beschleunigung werden hingegen kürzere, nur einige Pikosekunden lange Teilchenpakete mit wesentlich geringerer Pulsfrequenz von einigen Hertz bei gleichzeitig viel höherer Pulsintensität erzeugt. Vor einem Einsatz der Laserbeschleunigung in der Strahlentherapie muss die möglicherweise abweichende biologische Wirksamkeit, sei es durch die andere Zeitstruktur oder durch die höhere Pulsdosisleistung, gegenüber den klassischen Teilchenstrahlen untersucht werden. Im Beitrag wird der Stand der neuen Technologie im Hinblick auf eine Protonentherapie diskutiert und die weltweit ersten systematischen Zellbestrahlungen mit Bestimmung von Dosis-Effekt-Kurven für Laser beschleunigte Protonen vorgestellt.
Methodik: Wichtige Voraussetzungen für die Nutzung Laser beschleunigter Teilchen in der klinischen Therapie oder auch für strahlenbiologische Experimente sind die Anpassung des Lasersystems, sowie der Aufbau einer geeigneten Strahlführung und eines Dosimetriesystems. Die Zellbestrahlungen wurden am 150-Terrawatt-Lasersystem DRACO im Helmoltz-Zentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt. Die Protonenpulse haben eine Länge von ca. 1 ps und eine Wiederholrate von 0,2 Hz. In einer ersten Serie von in-vitro Zellbestrahlungen mit Strahlendosen im Bereich von 0,3 bis 4 Gy wurde der Anteil der überlebenden Zellen und die 24 h nach Bestrahlung verbliebenen DNA-Doppelstrangbrüche für die Tumor-Zelllinie SKX bestimmt. Zusätzlich wurden Referenzbestrahlungen an einem Tandembeschleuniger mit kontinuierlichen Protonenstrahlen und einer 200 kV-Röntgenröhre durchgeführt.
Ergebnisse: Die neue Technologie bietet ein hohes Potenzial zur Verbesserung der Strahlentherapie mit Protonen. Insbesondere sind kleine, preiswerte Anlagen denkbar, die in bestehende Kliniken integriert werden können. Die präzise dosimetrische Erfassung Laser beschleunigter Strahlen ist möglich. Die biologische Wirksamkeit zwischen konventionell und Laser beschleunigten Protonen zeigt in Zellbestrahlungen keinen signifikanten Unterschied.
Schlussfolgerung: Die ersten Schritte zur Entwicklung einer neuen, auf Hochintensitätslasern basierenden Protonentherapieanlage sind erfolgreich durchgeführt worden. Weitere Untersuchungen zur biologischen Wirksamkeit am Tiermodell müssen erfolgen. Ausserdem sind weitere Entwicklungen und Verbesserungen der Laser Beschleuniger notwendig, damit ein klinischer Einsatz möglich wird.
Die Arbeit wird gefördert durch das BMBF 03ZIK445.