Krebstherapie Meilenstein aus Dresden-Rossendorf: Laser-Blitze für Protonen-Bestrahlung

Einem Forschungsteam aus Dresden-Rossendorf ist es erstmals gelungen, eine Bestrahlung von Tumoren mit durch Laserblitze beschleunigten Protonen erfolgreich im Tiermodell zu testen. Die entscheidende Beschleunigung geschieht dabei auf Bruchteilen eines Millimeters.

3D Grafik einer Krebszelle
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Eine Protonentherapie kommt dort gegen Krebs zum Einsatz, wo eine Strahlentherapie zu viel Schaden anrichten würde, zum Beispiel im Gehirn oder am Auge. Protonen können viel zielgerichteter auf den Tumor einwirken als Röntgenstrahlen. Allerdings müssen die Protonen dabei eine sehr hohe Geschwindigkeit erreichen. Bislang braucht man dafür sehr große und teure Anlagen. Und eben weil sie so groß und teuer sind, gibt es nur sehr wenige davon, eine zum Beispiel am Uniklinikum Dresden.

Krebs-Therapie effizienter machen

Viele Forschungsprojekte beschäftigen sich deshalb mit der Frage, wie man diese Therapieform handlicher, effizienter und damit häufiger einsetzbar machen kann. Ein erfolgversprechender Ansatz sind Laserstrahlen als "Antrieb" der Protonen. Vor einigen Wochen hatte ein Forschungsteam aus Jena dazu einen wichtigen Teilerfolg verkündet. Durch eine bestimmte Konfiguration des Lasers konnte die benötigte Energie von 200 Megaelektronenvolt erreicht werden.

Künstlerische Darstellung des Experiments. Von links nach rechts: Der Laser trifft auf das Target (eine dünne Folie), die beschleunigten Protonen (violett) werden durch gepulste Magnete (orange) zum Bestrahlungsort geleitet und wechselwirken dort mit der biologischen Probe, dargestellt durch DNA-Schäden.
Künstlerische Darstellung des Experiments. Von links nach rechts: Der Laser trifft auf das Target (eine dünne Folie), die beschleunigten Protonen (violett) werden durch gepulste Magnete (orange) zum Bestrahlungsort geleitet und wechselwirken dort mit der biologischen Probe, dargestellt durch DNA-Schäden. Bildrechte: HZDR/Juniks

Und unabhängig davon gelang nun einem Forschungsteam vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Ähnliches. Basis dabei sei ein Hochleistungslaser, der starke und extrem kurze Lichtpulse erzeugt, erklärt HZDR-Physiker Dr. Florian Kroll. "Diese Blitze feuern wir auf eine dünne Folie aus Kunststoff oder Metall." Durch die extreme Intensität der Blitze werden dann massenhaft Elektronen aus der Folie herausgeschlagen, wodurch wiederum ein starkes elektrisches Feld entsteht, das Protonen zu Pulsen bündeln und auf hohe Energien beschleunigen kann. Erstaunlich daran ist, dass sich der entscheidende Prozess in kleinsten Dimensionen abspielt, die Beschleunigungsstrecke misst gerade mal ein paar Mikrometer, also Tausendstel Millimeter.

Erfolg nach 15 Jahren Forschung

"Wir arbeiten seit 15 Jahren an dem Projekt, doch bislang hatte die Energie der Protonen nicht für eine Bestrahlung gereicht", berichtet HZDR-Forscherin Dr. Elke Beyreuther. "Außerdem variierte die Stärke der Pulse zu stark, sodass wir nicht sicherstellen konnten, die richtige Dosis zu verabreichen."

Doch im Laufe der letzten Jahre gelangen dann die entscheidenden Verbesserungen, insbesondere was das Wechselspiel von Laserblitzen und Folie betrifft. Wichtig sei vor allem die genaue Form der Laserblitze, erklärt Florian Kroll. "Mittlerweile können wir sie so maßschneidern, dass die entstehenden Protonenpulse sowohl eine ausreichende Energie als auch eine hohe Stabilität besitzen."

Blick ins Innere der Targetkammer, in der die Laser-Plasma-Wechselwirkung abläuft, mit gepulstem Magnet zum Strahleinfangen.
Blick ins Innere der Targetkammer, in der die Laser-Plasma-Wechselwirkung abläuft, mit gepulstem Magnet zum Strahleinfangen. Bildrechte: F.-E. Brack / HZDR

Versuche mit Mäusen

Mit diesen maßgeschneiderten Laserblitzen konnte das Team dann eine völlig neue Versuchsreihe starten: die erstmalige, kontrollierte Bestrahlung von Tumoren in Mäusen mittels laserbeschleunigter Protonen. Die Experimente erfolgten gemeinsam mit Fachleuten des Universitätsklinikums Dresden. Als Vergleich dienten Versuche an der konventionellen Protonentherapie-Anlage.

Elke Beyreuther und Florian Kroll nach der Positionierung der ersten Maus am Bestrahlungsort. Der Monitor links zeigt den korrekt positionierten Tumor innerhalb des Bestrahlungsbereichs (Ring).
Elke Beyreuther und Florian Kroll nach der Positionierung der ersten Maus am Bestrahlungsort. Der Monitor links zeigt den korrekt positionierten Tumor innerhalb des Bestrahlungsbereichs (Ring). Bildrechte: F. Kroll / HZDR

Und es zeigte sich, dass die neue Laser-Methode prinzipiell funktioniert und wertvolle Daten für Verfeinerungen liefert. Damit sei die Grundvoraussetzung für Folgestudien geschaffen, in denen die Methode weiter getestet und optimiert werden kann.

Tumor zerstören, Gewebe schützen

Ziel jeder Protonentherapie ist die Zerstörung des Tumors bei gleichzeitigem Schutz des umliegenden Gewebes, weshalb diese Therapieart vor allem bei Tumoren an der Schädelbasis, im Gehirn und im zentralen Nervensystem angewandt wird. Auch bei krebskranken Kindern wird sie eingesetzt, um mögliche Spätfolgen zu minimieren.

Diese Vorteile, die die Protonentherapie gegenüber einer Bestrahlung mit gebündelten Röntgenstrahlen ohnehin schon hat, könnten durch die Laser-Methode noch einmal verstärkt werden. Während bei der konventionellen Protonentherapie die Strahlendosis über einige Minuten hinweg verabreicht wird, wäre das per Laser innerhalb einer Millionstel-Sekunde möglich. "Es gibt Hinweise darauf, dass bei schneller Verabreichung der Dosis das den Tumor umgebende gesunde Gewebe noch besser geschont wird als bislang", sagt Elke Beyreuther.

Diesen Hinweisen will das Team nun nachgehen und in präklinischen Studien untersuchen, wann und wie die schnelle Laser-unterstützte Bestrahlung angewendet werden sollte, um einen Vorteil bei der Krebstherapie zu erzielen.

Link zur Studie

Die Studie ist unter dem Titel "Tumour irradiation in mice with a laser-accelerated proton beam" im Journal "Nature Physics" erschienen.

(rr)

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