Medicinsk fysiker Dr. Aswin Hoffmann och hans team från Institutet för radioonkologi—OncoRay vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har kombinerat magnetisk resonanstomografi (MRI) med en protonstråle, visar därmed för första gången att i princip, denna vanliga avbildningsmetod kan fungera med partikelstrålecancerbehandlingar. Detta öppnar nya möjligheter för riktade, hälsosam vävnadssparande cancerterapi. Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Fysik i medicin och biologi .

Strålbehandling har länge varit en del av den onkologiska standardbehandlingen. En specifik mängd energi deponeras i tumörvävnaden, där det skadar cancercellernas genetiska material, hindra dem från att dela sig, och helst förstöra dem. Den vanligaste formen av strålterapi idag kallas fotonterapi, som använder högenergiröntgenstrålar. Här, en betydande del av strålen penetrerar patientens kropp, deponerar en skadlig dos i frisk vävnad som omger tumören.

Atomkärnor som vapen mot cancer

Ett alternativ är strålbehandling med laddade atomkärnor såsom protoner. Penetrationsdjupet för dessa partiklar beror på deras initiala energi. De släpper sin maximala dos i slutet av sin bana. Ingen dos kommer att deponeras utöver denna så kallade "Bragg-toppen". Utmaningen för läkare som administrerar denna typ av terapi är att kontrollera protonstrålen exakt så att den matchar formen på tumörvävnaden och på så sätt skona så mycket av den omgivande normala vävnaden som möjligt. Innan behandlingen, de genomför en röntgenbaserad datortomografi (CT) för att välja sin målvolym.

"Detta har olika nackdelar, " säger Hoffmann. "För det första, mjukdelskontrasten i datortomografi är dålig, och för det andra, dosen deponeras i frisk vävnad utanför målvolymen." Utöver detta, protonterapi är mer mottaglig för organrörelser och anatomiska förändringar än strålbehandling med röntgenstrålar, vilket försämrar målprecisionen vid behandling av mobila tumörer. För närvarande, det finns inget direkt sätt att visualisera tumörrörelse under bestrålning. Det är det största hindret när det gäller att använda protonterapi. "Vi vet inte exakt om protonstrålen kommer att träffa tumören som planerat, " förklarar Hoffmann. Därför läkare idag måste använda stora säkerhetsmarginaler runt tumören. "Men det skadar mer av den friska vävnaden än vad som skulle vara nödvändigt om strålningen var mer riktad. Det betyder att vi ännu inte utnyttjar protonterapins fulla potential."

Första prototypen för MR-styrd partikelterapi

Hoffmann och hans team vill ändra på det. I samarbete med den belgiska tillverkaren av protonterapiutrustning IBA (Ion Beam Applications SA), hans forskargrupps mål är att integrera protonterapi och MR-avbildning i realtid. Till skillnad från röntgen eller datortomografi, MRT ger utmärkt mjukvävnadskontrast och möjliggör kontinuerlig avbildning under bestrålning. "Det finns redan två sådana hybridenheter för klinisk användning i MR-styrd fotonterapi, men ingen existerar för partikelterapi."

Detta beror främst på elektromagnetiska interaktioner mellan MRT-skannern och protonterapiutrustningen. Å ena sidan, MRI-skannrar behöver mycket homogena magnetfält för att generera geometriskt korrekta bilder. Protonstrålen, å andra sidan, genereras i en cyklotron, en cirkulär accelerator där elektromagnetiska fält tvingar laddade partiklar på en cirkulär bana och accelererar dem. Protonstrålen styrs och formas också av magneter, vars magnetfält kan störa MR-skannerns homogena magnetfält.

"När vi startade projektet för tre och ett halvt år sedan, många internationella kollegor var skeptiska. De trodde att det var omöjligt att använda en MRI-skanner i en protonstråle på grund av alla elektromagnetiska störningar, " Hoffmann förklarar. "Ändå kunde vi visa i våra experiment att en MRI-skanner verkligen kan fungera i en protonstråle. Högkontrastbilder i realtid och exakt protonstrålestyrning utesluter inte varandra." Många experter förutspådde en annan svårighet att uppstå från protonstrålebeteende:när elektriskt laddade partiklar rör sig i magnetfältet hos en MRI-skanner, Lorentz krafter kommer att avleda strålen från dess raka bana. Dock, forskarna kunde visa att denna avböjning kan förutses och därmed korrigeras för.

För att utforska dessa ömsesidiga interaktioner, Hoffmann och hans team använde experimentrummet vid National Center for Radiation Research in Oncology—OncoRay.

"Vårt uppdrag är att individualisera protonterapi biologiskt och att optimera den tekniskt mot dess fysiska gränser, säger Hoffmann, chef för forskargruppen om MR-vägledd strålterapi vid HZDR. OncoRay har sin egen cyklotron för att leverera protonstrålen in i terapirummet såväl som till experimentrummet. Hoffmann och hans kollegor använde den senare för sin forskningsverksamhet. Med stöd av IBA och Paramed MRI Unit av ASG Superconductors SpA, de installerade en öppen MRI-skanner i protonstrålens väg, att förverkliga världens första prototyp av MR-styrd partikelterapi. "Vi har turen att ha ett experimentrum som är tillräckligt stort för att rymma en MR-skanner. Det är en av OncoRays unika egenskaper."

Knäfantom, blandad korv och förutsägbar avledning

För deras experiment på denna första prototyp, de använde från början vad som kallas en knäfantom, en liten plastcylinder fylld med en vattenhaltig kontrastvätska och en mängd olika formade plastbitar. Hoffmann och hans team använde det för att utföra kvantitativa analyser av bildkvalitet. I en andra serie experiment, forskarna använde en bit Dresden blandad korv. "När den holländska forskargruppen studerade bildbehandling för deras MR-styrda fotonterapiapparat 2009, de använde fläskkotlett, " säger Hoffmann. "2016, Australiska forskare demonstrerade sin apparat för MR-fotonterapi på en kängurubiff. Eftersom vi också ville gå regionalt för vår prototyp inom MR-styrd partikelterapi, vi använde Dresden blandad korv." Både serien av experiment med fantomen och med korven visade att magnetfälten från protonterapi inte förvrängde bilden. De orsakade bara mindre förskjutningar i MR-bilden, som kan korrigeras för.

Projektet går just nu in i nästa fas. Målet är att utveckla världens första prototyp för MR-styrd partikelterapi som är applicerbar för klinisk användning.