Ein Forschungsteam des Institute of Cancer Research, London, und des Royal Marsden NHS Foundation Trust sowie von DESY hat untersucht, wie sich ein besonders intensiver Elektronenstrahl für künftige Krebsbehandlungen nutzen ließe. Im Mittelpunkt steht der Elektronenbeschleuniger PITZ am DESY-Standort in Zeuthen (Brandenburg). Die Studie zeigt: Mit dem dort erzeugten, sehr intensiven und präzise steuerbaren Elektronenstrahl lassen sich in Computersimulationen Dosisverteilungen für oberflächennahe Hirnmetastasen berechnen, die bisherigen Methoden überlegen sind. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physics in Medicine & Biology veröffentlicht.

Strahlentherapie gehört zu den wichtigsten Methoden in der Krebsbehandlung. Dabei ist das Ziel immer gleich: Tumorgewebe soll möglichst wirksam getroffen werden, während gesundes Gewebe so weit wie möglich geschont wird. Ein viel diskutierter Ansatz ist die sogenannte FLASH-Strahlentherapie. Dabei wird die Strahlendosis nicht über mehrere Minuten, Tage und Wochen verteilt, sondern in Sekundenbruchteile, also extrem kurzer Zeit abgegeben. In präklinischen Studien gibt es Hinweise darauf, dass gesundes Gewebe dadurch weniger stark geschädigt werden könnte, während die Wirkung auf Tumoren erhalten bleibt. Analog hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass auch ein Raster von Hochdosis-Punkten (Spatially Fractionated Radiation Therapy- SFRT) den Tumor zerstört und gesundes Gewebe schont. Die vorliegende Studie schafft eine Grundlage, um die Kombination beider Methoden zur besseren Behandlung von Krebspatienten zu entwickeln.

PITZ, die Photo Injector Testanlage bei DESY in Zeuthen, wurde ursprünglich für die Entwicklung moderner Beschleunigertechnologien aufgebaut. Seine Elektronenstrahlen erreichen jedoch Dosisraten, die weit über denen heutiger klinischer Geräte liegen. Das macht die Anlage zu einem besonders interessanten Testfeld, um die physikalischen und biologischen Grundlagen der FLASH-Bestrahlung besser zu verstehen.

„Diese Studie ist ein wichtiger Schritt, um die besonderen Möglichkeiten unserer Beschleunigertechnologie für die Weiterentwicklung der Krebs-Strahlentherapie bei DESY nutzbar zu machen“, sagt DESY-Wissenschaftler Frank Stephan, Leiter von PITZ und Mitautor der Veröffentlichung. „Wir zeigen, dass sich der Elektronenstrahl von PITZ gewinnbringend in realistische Bestrahlungsplanungen integrieren lässt. Das ist eine zentrale Voraussetzung, um das Potenzial der FLASH- und SFRT-Therapien sowie ihrer Kombination systematisch weiterzuentwickeln.“

Für die Studie entwickelte das Team in London ein mathematisches Modell des Elektronenstrahls und kombinierte es mit einem schnellen Rechenverfahren zur Dosisberechnung. Bei PITZ wurde zunächst der 17,5-Mega-Elektronenvolt-Elektronenstrahl in einem Wasserphantom vermessen – einem mit Wasser gefüllten Spezialbehälter, der als Ersatz für menschliches Gewebe dient und ein Standardverfahren zur Bewertung der Strahlungsverteilung im Körper darstellt. Die berechneten Dosisverteilungen stimmten dabei innerhalb der experimentellen Unsicherheit von drei Prozent mit den Messungen überein.

Anschließend übertrugen die Forschenden das Verfahren auf anonymisierte Patientendaten von sechs Personen mit oberflächennahen Hirnmetastasen. Solche Metastasen liegen dicht an der Schädeloberfläche und sind deshalb ein besonders naheliegender Anwendungsfall für Elektronenstrahlen, deren Eindringtiefe begrenzt ist. Die berechneten Behandlungspläne mit gescannten Elektronenstrahlen wurden mit etablierten Verfahren verglichen, darunter Photonenbestrahlung mit einem robotischen Cyberknife-System sowie verschiedene Protonenbestrahlungen.

Die Simulationen ergaben, dass die gescannten Elektronenstrahlen sehr präzise auf das Zielvolumen ausgerichtet werden konnten. Bei den untersuchten Fällen erreichten sie für oberflächennahe Hirnmetastasen eine bessere Formanpassung der Dosis an das Zielgebiet als die anderen Methoden. Gleichzeitig blieben die berechneten Dosen für gesundes Hirngewebe und Haut im akzeptablen Bereich.

Noch handelt es sich nicht um eine klinische Behandlung, sondern um eine Planungs- und Machbarkeitsstudie. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Kombination aus einer sehr schnellen Folge von Elektronenpulsen, Strahlablenkung und moderner Dosisberechnung ein vielversprechender Weg sein könnte, um künftige Krebsbehandlungen mit FLASH und SFRT vorzubereiten.

„Der entscheidende Punkt ist, dass wir nun besser verstehen, welche Behandlungsgeometrien mit einem solchen Strahl prinzipiell möglich sind“, erklärt Matthias Gross (DESY), Koordinator der Strahlenstudien bei PITZ und Mitautor der Studie. „Damit schaffen wir eine Grundlage für die nächsten Schritte – von weiteren physikalischen Messungen über biologische Untersuchungen bis hin zur Frage, welche klinischen Anwendungen langfristig realistisch sein könnten.“

Die Arbeit fügt sich in die zunehmenden Aktivitäten von DESY an der Schnittstelle von Beschleunigerphysik, Medizinphysik und biomedizinischer Forschung ein. Moderne Teilchenbeschleuniger sind nicht nur Werkzeuge der Grundlagenforschung, sondern können auch neue technologische Ansätze für Diagnostik und Therapie eröffnen.

Wim Leemans, DESY-Beschleuniger-Direktor, sagt: „Die FLASH- und SFRT-Forschung ist dafür ein besonders anschauliches Beispiel: Sie verbindet hochpräzise Beschleunigertechnik mit einer der zentralen Herausforderungen der modernen Medizin – Krebs wirksamer und zugleich schonender zu behandeln.“

Christian Stegmann, DESY-Astroteilchenphysik-Direktor und Leiter des DESY-Standorts Zeuthen, sagt: „Die Strahlentherapie könnte mit dieser hier in Zeuthen entwickelten Technologie einen neuen und beispiellosen Schritt nach vorne machen. Dieses Ergebnis ist ein Zeichen dafür, dass wir auf dem besten Weg sind, diese potenzielle Behandlungsmethode der praktischen Anwendung näher zu bringen.“

 

Originalveröffentlichung

James L. Bedford, M. Gross, F. Riemer, Z. Amirkhanyan, F. Stephan und U. Oelfke:
“A beam model and Boltzmann solver for radiotherapy treatment planning of superficial brain metastases using a scanned electron beam at ultra-high (FLASH) dose rate”, Physics in Medicine & Biology, 2026. DOI:10.1088/1361-6560/ae6225