Ny acceleratorbaserad teknik som utvecklas av Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University syftar till att minska biverkningarna av cancerstrålbehandling genom att krympa dess varaktighet från minuter till under en sekund. Inbyggd i framtida kompakta medicintekniska produkter, teknik som utvecklats för högenergifysik kan också hjälpa till att göra strålterapi mer tillgängligt runt om i världen.

Nu, SLAC/Stanford-teamet har fått avgörande finansiering för att gå vidare med två projekt för att utveckla möjliga behandlingar för tumörer-en med röntgenstrålar, den andra med protoner. Tanken bakom båda är att spränga cancerceller så snabbt att organ och andra vävnader inte hinner röra sig under exponeringen - ungefär som att ta en enda frysram från en video. Detta minskar risken för att strålning träffar och skadar frisk vävnad runt tumörer, göra strålterapi mer exakt.

"Att leverera strålningsdosen för en hel terapisession med en enda blixt som varar mindre än en sekund skulle vara det ultimata sättet att hantera den konstanta rörelsen av organ och vävnader, och ett stort framsteg jämfört med metoder vi använder idag, "sa Billy Loo, docent i strålningsonkologi vid Stanford School of Medicine.

Sami Tantawi, professor i partikelfysik och astrofysik och chefsvetare för RF Accelerator Research Division i SLAC:s teknikinnovationsdirektorat, som arbetar med Loo på båda projekten, sa, "För att leverera högintensiv strålning tillräckligt effektivt, vi behöver acceleratorstrukturer som är hundratals gånger starkare än dagens teknik. Finansieringen vi fick hjälper oss att bygga dessa strukturer. "

Sprängning av cancer med röntgen

Projektet PHASER kommer att utveckla ett blixtleveranssystem för röntgenstrålar.

I dagens medicintekniska produkter, elektroner flyger genom en rörliknande acceleratorstruktur som är ungefär en meter lång, få energi från ett radiofrekvensfält som rör sig genom röret samtidigt och i samma riktning. Elektronernas energi omvandlas sedan till röntgenstrålar. Under de senaste åren, PHASER -teamet har utvecklat och testat acceleratorprototyper med speciella former och nya sätt att mata in radiofrekvensfält i röret. Dessa komponenter fungerar redan som förutsagt av simuleringar och banar väg för acceleratordesigner som stöder mer kraft i en kompakt storlek.

"Nästa, vi bygger acceleratorstrukturen och testar riskerna med tekniken, som, om tre till fem år, kan leda till en första verklig enhet som så småningom kan användas i kliniska prövningar, "Sa Tantawi.

Stanford Department of Radiation Oncology kommer att ge cirka 1 miljon dollar under nästa år för dessa insatser och stödja en kampanj för att samla in mer forskningsfinansiering. Institutionen för strålningsonkologi, i samarbete med School of Medicine, har också etablerat Radiation Science Center med fokus på precisionsstrålbehandling. Dess PHASER -division, tillsammans med Loo och Tantawi, syftar till att förvandla PHASER -konceptet till en funktionell enhet.

Att göra protonterapi smidigare

I princip, protoner är mindre skadliga för hälsosam vävnad än röntgen eftersom de avsätter sin tumördödande energi i en mer begränsad volym inuti kroppen. Dock, protonterapi kräver stora anläggningar för att accelerera protoner och justera deras energi. Den använder också magneter som väger hundratals ton som långsamt rör sig runt en patients kropp för att styra strålen in i målet.

"Vi vill hitta innovativa sätt att manipulera protonstrålen som kommer att göra framtida enheter enklare, mer kompakt och mycket snabbare, sa Emilio Nanni, en personalvetare på SLAC, som leder projektet med Tantawi och Loo.

Det målet kan snart vara inom räckhåll, tack vare ett bidrag på 1,7 miljoner dollar från DOE Office of Science Accelerator Stewardship -programmet för att utveckla tekniken under de kommande tre åren.

"Vi kan nu gå vidare med att designa, tillverkar och testar en acceleratorstruktur liknande den i PHASER -projektet som kommer att kunna styra protonstrålen, stämma sin energi och leverera höga strålningsdoser praktiskt taget omedelbart, Sa Nanni.

Snabbt, effektivt och tillgängligt

Förutom att göra cancerterapin mer exakt, blixtleverans av strålning verkar också ha andra fördelar.

"Vi har sett hos möss att friska celler drabbas av mindre skada när vi applicerar strålningsdosen mycket snabbt, och ändå är tumördödande effekten lika med eller till och med lite bättre än den för en konventionell längre exponering, "Loo sa." Om resultatet gäller för människor, det skulle vara ett helt nytt paradigm för området strålterapi. "

Ett annat huvudmål med projekten är att göra strålterapi mer tillgängligt för patienter världen över.

I dag, miljontals patienter runt om i världen får bara palliativ vård eftersom de inte har tillgång till cancerterapi, Sa Loo. "Vi hoppas att vårt arbete kommer att bidra till att göra den bästa möjliga behandlingen tillgänglig för fler patienter på fler platser."

Det är därför teamet fokuserar på att designa system som är kompakta, energieffektiv, ekonomisk, effektiv att använda i klinisk miljö, och kompatibel med befintlig infrastruktur runt om i världen, Tantawi sa:"Den första allmänt använda medicinska linjära acceleratordesignen uppfanns och byggdes på Stanford under åren fram till byggandet av SLAC. Nästa generation kan vara en riktig spelväxlare - inom medicin och inom andra områden, såsom acceleratorer för röntgenlasrar, partikelkolliderare och nationell säkerhet. "

Peter Maxim vid Stanford (nu chef för strålningsonkologisk fysik vid Indiana University) är en uppfinnare av PHASER och gjorde viktiga bidrag till båda projekten. Ytterligare medlemmar i protonterapiteamet är Reinhard Schulte vid Loma Linda University och Matthew Murphy på Varian Medical Systems.