Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laser-beschleunigte Protonen zur Krebstherapie

13.09.2016

Die Bestrahlung mit Protonen gilt als sehr wirksame und gleichzeitig schonende Methode der Krebsbehandlung. Ein interdisziplinäres Team von Physikern und Mediziner aus Düsseldorf, Essen und Braunschweig haben nun die grundsätzliche Eignung von Laser-beschleunigten Protonen für die Krebstherapie untersucht. In Scientific Reports berichten sie, dass diese noch geeigneter sein können als Protonen aus klassischen Beschleunigern.

Die Tumorbestrahlung mit Protonen hat den großen Vorteil, dass man in einem eng umrissenen Tumorgewebe hohe Energiedosen deponieren kann, ohne dass das umliegende Gewebe stark geschädigt wird.


Aufbau des Experiments zur Bestrahlung von Zellproben mit Laser-beschleunigten Protonen.

Oswald Willi

Allerdings benötigt man komplexe und teure Teilchenbeschleuniger, um die Protonen mit den notwendigen Energien erzeugen zu können. Damit kann die Protonentherapie nur an wenigen Zentren wie dem Westdeutschen Protonentherapiezentrum Essen angeboten werden und steht nicht allen Tumorpatienten zur Verfügung.

Als mögliche zukünftige Alternative zu klassischen Teilchenbeschleunigern wird der Einsatz von Laserbeschleunigern getestet. Hierbei wird ein extrem starker Laserstrahl auf eine Folie geschossen. Der Laserstrahl verdampft die Folie und ionisiert die atomaren Bauteile.

Dadurch entsteht auf sehr kleinem Raum ein extrem hohes elektrisches Feld, welches etwa Protonen beschleunigen kann. Diese Anlagen sind erheblich kleiner, einfacher aufgebaut und können deshalb auch an kleineren Einrichtungen betrieben werden.

Wissenschaftler der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf um Prof. Dr. Oswald Willi (Institut für Laser- und Plasmaphysik) und Prof. Dr. Friedrich Boege (Institut für Klinische Chemie und Labordiagnostik) haben zusammen mit Kollegen der Universität Duisburg-Essen und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig die Eignung von Laser-beschleunigten Protonen für die Protonenstrahltherapie untersucht.

An Zellproben stellten sie fest, dass Laser-beschleunigte Protonen bei gleicher Strahlendosis die gleiche Zahl an DNA-Schäden verursachen wie Protonen aus konventionellen Beschleunigern. Sie zerstören damit genauso effizient Krebszellen.

Die Laser-beschleunigten Protonen bieten möglicherweise sogar einen therapeutischen Vorteil. Sie erzeugen deutlich weniger Sauerstoffradikale, die wiederum zu unerwünschten Nebenwirkungen können. Eine mögliche Ursache: Die Protonenpulse aus dem Laser-Beschleuniger sind nur Pikosekunden lang; zu kurz, um Moleküle wie Sauerstoffradikale bilden zu können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in den zur NATURE-Gruppe gehörenden Scientific Reports. Allerdings ist noch viele Jahre Grundlagenforschung zu leisten, bis die Laser-beschleunigten Protonen tatsächlich in den klinischen Einsatz am Patienten kommen können.

Hintergrund: Tumortherapie mit Protonen

Bei der klassischen Tumorbestrahlung kommt Röntgenstrahlung (zum Beispiel aus kompakten Linearbeschleunigern) oder Gammastrahlung aus radioaktiven Quellen zum Einsatz. Das Problem bei der Bestrahlung mit hochenergetischen Photonen ist, dass die höchste Dosis direkt oder nahe an der Oberfläche des bestrahlten Körperteils deponiert wird. Die Dosis nimmt mit höherer Eindringtiefe ins Gewebe kontinuierlich ab. Damit wird – gerade bei tiefer sitzenden Tumoren – ein großer Bereich gesunden Gewebes bei der Bestrahlung mit geschädigt, was zu den unerwünschten Nebenwirkungen führt.

Im Gegensatz dazu kann man bei der Protonentherapie sehr genau steuern, wo im Körper ein Großteil der Energie deponiert wird. Denn Protonen durchlaufen Materie auf der größten Wegstrecke mit nur geringem Energieverlust. Erst am Ende ihrer Bahn bremsen sie sehr stark ab und verlieren den größten Teil ihrer anfänglichen Energie in einem sehr kleinen Volumen. Wie tief dieser so genannte Bragg-Peak im Gewebe liegt, hängt von der Anfangsenergie der Protonen ab.

Mit Protonen kann also besonders viel Energie in das zu zerstörende Tumorgewebe gebracht werden, während das benachbarte gesunde Gewebe wenig beeinträchtigt wird, was die Nebenwirkungen erheblich senkt. Außerdem können gerade auch tiefer liegende Tumore effizient bestrahlt werden.

Originalveröffentlichung

S. Raschke, S. Spickermann, T. Toncian, M. Swantusch, J. Boeker, U. Giesen, G. Iliakis, O. Willi & F. Boege, Ultra-short laser-accelerated proton pulses have similar DNA-damaging effectiveness but produce less immediate nitroxidative stress than conventional proton beams, Scientific Reports,6:32441, 31. August 2016

DOI: 10.1038/srep32441

Kontakt

Prof. Dr. Oswald Willi
Institut für Laser- und Plasmaphysik
Tel.: 0211/81-11381
E-Mail: oswald.willi@hhu.de

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/srep32441

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.hhu.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Entzündungshemmende Birkeninhaltsstoffe nachhaltig nutzen
03.07.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Blick unter den Gletscher
12.06.2017 | Universität Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie