Experimentelle Medizinische Physik

Mikrostrahltherapie

© Helmholtz Zentrum München/ IRM

Die Mikrostrahltherapie (MRT, engl. Microbeam Radiation Therapy) ist ein innovatives, aber bisher präklinisches Konzept in der Strahlentherapie. Es beruht auf der Unterteilung des Strahlenfeldes in viele parallele, mikrometerbreite Strahlenbündel mit extrem hohen Dosen. Zahlreiche präklinische Studien konnten zeigen, dass durch diese speziellen Geometrien Nebenwirkungen drastisch reduziert werden können, ohne die therapeutische Wirkung auf den Tumor zu beeinträchtigen. Wir untersuchen die physikalischen und radiobiologischen Grundlagen von MRT.

MRT wurde an großen Synchrotronstrahlen-quellen der 3. Generation, wie dem Europäischen Synchrotron (ESRF) in Grenoble entwickelt. Es basiert auf der Beobachtung, dass gesundes Gewebe räumlich begrenzte Verletzungen besser reparieren kann als ausgedehnte. Für MRT wird das Strahlenfeld auf der Mikrometerskale moduliert. Mikrometerbreite Strahlenfelder erzeugen extrem hohe Dosen von mehreren 100 Gy, während in den Niedrigdosisbereichen zwischen den Strahlen die Dosis unterhalb der Gewebetoleranzgrenze verbleibt. Während man in der konventionellen Strahlentherapie davon ausgeht, dass der gesamte Tumor mit hohen Dosen bestrahlt werden muss, um ein erneutes Wachstum des Tumors zu verhindern,  ist MRT trotz Niedrigdosisbereiche in der Lage auch aggressive Tumore erfolgreich zu kontrollieren. Dadurch wird ein differentieller Effekt zwischen Tumor und Normalgewebe erreicht, bzw. eine Normalgewebe schonende Tumortherapie. Unsere Arbeitsgruppe untersucht biologische, physikalische und technische Fragestellungen, die gelöst werden müssen, um MRT für den ersten klinischen Einsatz vorzubereiten.

Radiobiologie

Auch wenn die Wirkungsprinzipien von MRT noch nicht verstanden sind, gibt es mehrere Hypothesen. Die meisten betreffen Unterschiede in der sogenannten Mikroumgebung von Tumor und gesundem Gewebe.

1. Die chaotische, kaum differenzierte Tumorvaskulatur reagiert empfindlich auf Mikrostrahl im Gegensatz zur geordneten,   ausdifferenzierten Vaskulatur im gesunden Gewebe.
2. Interzelluläre Signale und Bystander Effekte beeinflussen das Zellüberleben.
3. Auslösen einer Immun- und Entzündungsreaktion im Tumor durch extrem hohe Peakdosen und immunogenen Zelltod von Krebszellen.

Wir untersuchen die Mechanismen von MRT in-vitro und in-vivo. Wir haben einen Aufbau mit einer kompakten präklinischen MRT Quelle in einem Kleintierbestrahlungsgerät, mit deren Hilfe wir Experimente unabhängig von Synchrotronstrahlung durchführen können. Mithilfe verschiedener Bildgebungstechniken, wie MR, CT oder Phasenkontrastbildebung analysieren wir Gewebeeffekte nach der MRT Behandlung. Wie untersuchen interzelluläre Signale, die das Zellüberleben in 2D und 3D Kulturen beeinflussen.

Erzeugung von Mikrostrahlen mithilfe kompakter Strahlenquellen

Eine der größten Hindernisse für die klinische Anwendung der Mikrostrahltherapie ist die Verfügbarkeit geeigneter Strahlenquellen. Zurzeit können nur große Synchrotronquellen die notwendigen Strahlqualitäten erzeugen die für klinische Behandlungen benötigt werden. In unserer Gruppe entwickeln wir neue Konzepte von Mikrostrahlquellen und neue Kollimatoren-Designs für die klinische und präklinische Anwendung. Als Teil dieser Arbeit haben wir bereits eine kompakte präklinische Quelle für Mikrostrahlen entwickelt, die zum ersten Mal in-vivo Mikrostrahlbehandlungen an einer konventionellen Röntgenröhre ermöglicht.

Zu unserer Forschung zählt des Weiteren:

1. Bau eines Prototyps für die Mikrostrahltherapie (Emmy Noether Projekt)
2. Dosisberechnung und Therapieplanung für experimentelle Strahlenquellen
3. Planungsstudien für künftige klinische Anwendungen
4. Mathematische Modellierung radiobiologischer Effekte

Radio-oncomics: “Big Data für die Strahlentherapie”

Stetig verfügbare große Datenmengen verändern unsere moderne Gesellschaft und die Auswertung dieser Daten hat in den letzten Jahren zu bedeutenden Fortschritten in Wirtschaft, Gesellschaft und im Bereich Sicherheit geführt. Auch in der Medizin könnten Patientendaten genutzt werden um Therapien zu verbessern, Patienten zu stratifizieren, Risikofaktoren zu bestimmen und eine personalisierte Behandlung zu ermöglichen. Wir untersuchen wie medizinische Bilddaten für genauere Prognosen, zur Vorhersage von Therapieergebnissen und individuell angepasste Therapieprotokolle in der Strahlentherapie verwendet werden können.

In enger Zusammenarbeit mit dem Klinikum rechts der Isar analysieren wir klinische Daten die in Strahlentherapiebehandlungen anfallen. Wir kombinieren Dosisverteilungen, Segmentierungen, medizinische Bilddaten wie MR oder CT mit dem Ziel Tumorkontrolle und Nebenwirkungen vorherzusagen. Von besonderem Interesse sind dabei Bildserien, die therapiebegleitend aufgenommen wurden und somit eine Dokumentation der zeitlichen Veränderungen im Gewebe darstellen. Wir nutzen maschinelle Lernverfahren, insbesondere tiefe neuronale Netzwerke, die  die Zusammenhänge zwischen Merkmalen, Dosisverteilung und Therapiewirkung erlernen.

Die Vision unserer Forschungsarbeit ist ein datenbasiertes Therapieverfahren, das als Entscheidungsunterstützungssystem (DSS, decision support system) in der Strahlentherapie fungiert. Darüber hinaus versuchen wir Ergebnisse aus der präklinischen Strahlenbiologie in der klinischen Praxis durch retrospektive Analysen zu bestätigen, wie z.B. partielle-Volumen- oder Bystandereffekte.

Spezieller Fokus unserer Forschung ist:

1. Kombination von Daten verschiedener Bildgebungsmodalitäten.
2. Korrelation von Radiomics Informationen mit 3-dimensionalen Dosisverteilungen.
3. Nutzung bekannter bio-medizinischer Zusammenhänge um auch bei kleinen Fallzahlen einen Erkenntnisgewinn zu ermöglichen.

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