Eines Tages könnten spezialisierte Systeme Krebspatienten mit Partikeln blockieren, um in nur Mikrosekunden einen vollständigen Verlauf der Strahlentherapie zu erreichen, so neue Forschungsergebnisse.
Mit einer neuen Technik, die als Flash-Strahlentherapie bekannt ist, könnten Ärzte Tumore in einem Bruchteil der Zeit und zu einem Bruchteil der Kosten einer herkömmlichen Strahlentherapie beseitigen - zumindest theoretisch. Bislang wurden für die blitzschnelle Technik keine formalen klinischen Studien an menschlichen Patienten durchgeführt, obwohl ein Mann die experimentelle Behandlung erhielt, berichteten Forscher im Oktober 2019 in der Zeitschrift Radiotherapy and Oncology. Eine neue Mausstudie, die am 9. Januar im International Journal of Radiation Oncology, Biology and Physics veröffentlicht wurde, hat das Versprechen dieser Krebstherapie weiter unter Beweis gestellt.
"Es hat die gleiche Tumorkontrollrate, aber eine signifikant geringere Wirkung auf normales Gewebe", sagte der Co-Autor der Studie, Dr. Keith Cengel, Associate Professor für Radioonkologie am Krankenhaus der University of Pennsylvania.
Mit anderen Worten, die Flash-Technik scheint Tumorzellen abzutöten und gleichzeitig gesundes Gewebe zu schonen. Die Technik bombardiert die Tumorstelle mit einem stetigen Strom von Partikeln, normalerweise leichten Partikeln, sogenannten Photonen oder negativ geladenen Elektronen. Jetzt haben Cengel und seine Kollegen ein weiteres Teilchen in die Mischung geworfen: das positiv geladene Proton.
"Es ist einzigartig in dem Sinne, dass ... es noch nie gemacht wurde", sagte Marie-Catherine Vozenin, Leiterin des Laboratoriums für Radioonkologie am Universitätsklinikum Lausanne in der Schweiz, die nicht an der Studie beteiligt war. Das heißt nicht, dass der Einsatz von Protonen zur Bekämpfung von Krebszellen notwendigerweise eine bessere Strategie ist als der Einsatz von Photonen oder Elektronen, fügte sie hinzu. "Alle diese unterschiedlichen Strategien haben einige Vor- und Nachteile."
Das heißt, jedes Partikel könnte einzigartig geeignet sein, um bestimmte Tumortypen an bestimmten Stellen im Körper anzuvisieren, was bedeutet, dass Protonen für einige Patienten die beste Behandlungsoption bieten könnten, sagte Cengel.
Timing ist der Schlüssel
Der Name "Blitz" bezieht sich einfach auf die ultraschnelle Rate, mit der die Technik Strahlung an Zielgewebe abgibt. Flash schlägt Zellen mit der gleichen Gesamtstrahlungsmenge wie bestehende Therapien, aber anstatt die Dosis über mehrere Wochen in minutenlangen Sitzungen zu verabreichen, dauert die gesamte Behandlung nur Zehntelsekunden, sagte Vozenin.
"Wenn wir auf Hundertstelsekunden kommen, ist das sogar noch besser", fügte sie hinzu.
Die Geschwindigkeit macht den Unterschied. Bei der konventionellen Strahlentherapie kann sich ein Patient Dutzenden von Behandlungssitzungen unterziehen. Während dieser Zeit können gesunde Gewebe beschädigt werden, lange bevor die Tumorzellen absterben. Wenn jedoch die gleiche Strahlungsdosis schneller abgegeben wird als beim Blitz, bleiben gesunde Gewebe unversehrt. Warum genau das passiert, bleibt ein Rätsel.
"Das ist die Millionen-Dollar-Frage ... wir arbeiten hart daran, das zu verstehen", sagte Vozenin. Untersuchungen legen nahe, dass der flüchtige Strahlungsstoß zu einem Abfall des Sauerstoffgehalts in den gesunden Geweben führen kann, die typischerweise weit mehr Sauerstoff enthalten als Krebszellen. Laut einem Bericht aus dem Jahr 2019 in der Zeitschrift Clinical Oncology widerstehen Tumore der traditionellen Strahlentherapie, teilweise aufgrund ihres Sauerstoffmangels. Die vorübergehende Wirkung des Blitzes könnte gesunde Zellen vor Schäden schützen und die Produktion schädlicher freier Radikale verringern.
Dieser Beweis erklärt jedoch nicht, warum Krebszellen anders auf die Behandlung reagieren als gesunde Zellen. Weitere Mechanismen dürften im Spiel sein, sagte Vozenin.
Unabhängig davon, warum es funktioniert, scheint die Blitzstrahlung in Vorstudien vielversprechend zu sein, obwohl die Technik Einschränkungen aufweist. Photonen können verwendet werden, um Tumore im ganzen Körper anzuvisieren, aber die Maschinen, die die Partikel abschießen, können noch nicht schnell genug feuern, um die erforderliche Dosisleistung zu erreichen. Hochenergetische Elektronen können Gewebe durchdringen, um tief sitzende Tumoren zu erreichen, sind jedoch technologisch schwierig zu erzeugen. Niedrigenergieelektronen bieten eine weitere Option, aber diese können nur etwa 5 bis 6 Zentimeter Fleisch durchdringen, sagte Cengel.
Während niederenergetische Elektronen oberflächliche Tumoren behandeln können, stellten Cengel und seine Kollegen die Theorie auf, dass Protonen möglicherweise besser für die Bekämpfung von Krebszellen geeignet sind, die sich tiefer im Körper befinden. Um ihre Idee zu testen, mussten sie die richtigen Werkzeuge für den Job bauen.
Auf die Probe stellen
Das Team verwendete einen vorhandenen Protonenbeschleuniger, der als Zyklotron bekannt ist, um die Experimente durchzuführen, nahm jedoch eine Reihe von Modifikationen vor. Der Trick bestand darin, die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die Protonen von der Maschine abgefeuert werden konnten, und gleichzeitig Strategien zu entwickeln, um zu überwachen, wo und in welcher Menge die Protonen gelandet sind. Mit dieser Infrastruktur könnte das Team den Strom der aus dem Zyklotron fließenden Protonen besser kontrollieren, "wie ein Wasserhahn, den Sie mit voller Wucht oder Tropfen einschalten können", sagte Cengel.
Das Team richtete sein Zyklotron dann auf Modellmäuse. Induzierte Tumoren wuchsen in den Bauchspeicheldrüsen der Tiere und entlang ihres oberen Darms, so dass die Forscher einen einzigen Strahlungsimpuls durch die Bauchhöhlen der Nagetiere sendeten. Der Blitz dauerte zwischen 100 und 200 Millisekunden, und indem das Team viele Protonenstrahlen wie ungekochte Spaghetti in einem engen Rohr nebeneinander ausrichtete, traf es die gesamte Bauchhöhle auf einmal.
Wie erwartet verhinderte die Behandlung das Tumorwachstum und die Gewebenarben, die typischerweise durch Krebs verursacht werden, während in der Nähe befindliches gesundes Gewebe unversehrt blieb. "Dies ist der erste unwiderlegbare Beweis für einen 'Flash'-Effekt in vivo mit dem Dünndarm als Ziel unter Verwendung von Protonen anstelle von Photonen oder ... Elektronen", sagte Vincent Favaudon, ein Forschungsdirektor am Institut Curie in Paris, der nicht an der Studie, sagte Live Science in einer E-Mail.
Obwohl die Studie erfolgreich war, wurde sie an Mäusen durchgeführt, "und in kleinen Mengen, was bei Patienten nicht der Fall ist", sagte Vozenin. Mit anderen Worten, in ihrer gegenwärtigen Form kann die Protonenblitztechnik nur einen kleinen Bereich des Gewebes gleichzeitig behandeln. Die Technik muss erheblich erweitert werden, bevor sie an größeren Tieren und schließlich an Menschen getestet werden kann, sagte sie.
"Die Hauptbeschränkung liegt in der Dosisleistung", fügte Favaudon hinzu. Untersuchungen legen nahe, dass gesunde Gewebe Schaden nehmen, wenn sie länger als 100 Millisekunden Blitzstrahlung ausgesetzt werden, sagte er. "Die Abgabe der Dosis in einem Puls von einer Mikrosekunde ist immer besser. Die Herausforderung besteht also darin, die Dosisleistung um den Faktor zwei bis fünf oder sogar mehr zu erhöhen."
Cengel und seine Kollegen planen, ihre Werkzeuge und Techniken weiter zu optimieren, um herauszufinden, welche Dosisrate den größten therapeutischen Nutzen bietet. Auf diese Weise würde das Team eine Art klinische Studie durchführen, jedoch mit Tieren als ersten Probanden. In der Zwischenzeit werden Vozenin und ihre Kollegen in Kürze die ersten klinischen Studien an menschlichen Patienten starten, um ihre eigenen Flash-Techniken zu testen. Mit energiearmen Elektronen sollen oberflächliche Tumoren behandelt werden, wie sie beispielsweise bei Hautkrebs auftreten.
"Wenn wir das Flash-Konzept in großen Mengen und in klinischen Anwendungen validieren können, wird es wahrscheinlich die gesamte Strahlentherapie verändern", sagte Vozenin. Sie rechnet damit, dass Krebspatienten in den nächsten 10 Jahren eine Version der Blitzstrahlung zur Verfügung stehen könnten. Favaudon sagte, dass Behandlungen, die auf Oberflächentumoren abzielen, sowie solche, die durch Operationen exponiert wurden, innerhalb von zwei Jahren fertig sein könnten. Techniken mit hochenergetischen Elektronen und Protonenstrahlen könnten innerhalb von fünf bis zehn Jahren fertig sein, sagte er.
Unter der Annahme, dass Blitzlicht die Straße zu echten menschlichen Patienten verwittert, könnte die Technik es Ärzten ermöglichen, auf Tumore abzuzielen, die sich einst der Bestrahlung widersetzten, sagte Cengel.
"Wir könnten buchstäblich Dinge behandeln, die nicht behandelt werden können, und Menschen heilen, die nicht geheilt werden können", sagte er. "Offensichtlich großes Salzkorn auf all dem."
