Krebsforschung mit Laserblitzen

Die Strahlentherapie zählt zu den wichtigsten Methoden der Krebsbehandlung. Meist erfolgt sie durch starkes, gebündeltes Röntgenlicht. Alternativ dazu lassen sich auch Protonen verwenden. Das Prinzip: Ein Beschleuniger bringt Protonen auf hohe Energien und bündelt sie zu kleinen, präzise lenkbaren Salven. Diese Salven können tief ins Gewebe eindringen und deponieren den Großteil ihrer Energie im Tumor. Auf diese Weise kann das Geschwür zerstört werden, wogegen das umliegende Gewebe weitgehend ungeschoren bleibt. Dadurch ist die Methode wirksamer und zugleich schonender als die Strahlen­therapie mit Röntgenlicht.

„Das Verfahren eignet sich besonders für die Bestrahlung von Tumoren an der Schädel­basis, im Gehirn und im zentralen Nerven­system“, erläutert Elke Beyreuther vom HZDR. „Auch bei krebs­kranken Kindern wird sie eingesetzt, um mögliche Spätfolgen zu reduzieren.“ Allerdings ist die Methode deutlich aufwändiger als die Röntgen­therapie: Um die schnellen Protonen zu erzeugen und zum Patienten zu trans­portieren, braucht es komplexe Beschleuniger­anlagen. Infolge­dessen gibt es in Deutschland derzeit nur wenige Zentren für die Protonen­therapie, unter anderem am Universitätsklinikum Dresden. Derzeit versucht die Fachwelt die Methode stetig zu verbessern und auf den Patienten anzupassen.

Dabei könnten auch laser­basierte Protonen­beschleuniger einen entscheidenden Beitrag leisten. „Basis dabei ist ein Hoch­leistungs-Laser, der starke und extrem kurze Lichtpulse erzeugt“, erklärt Florian Kroll vom HZDR. „Diese Blitze feuern wir auf eine dünne Folie aus Kunststoff oder Metall.“ Die Blitze sind derart intensiv, dass sie massen­weise Elektronen aus der Folie heraus­schlagen. Dadurch entsteht ein starkes elektrisches Feld, das Protonen zu Pulsen bündeln und auf hohe Energien beschleunigen kann. Das Faszinierende: Der Prozess spielt sich in kleinsten Dimensionen ab, die Beschleunigungs­strecke misst gerade mal ein paar Mikrometer.

„Wir arbeiten seit 15 Jahren an dem Projekt, doch bislang hatte die Energie der Protonen nicht für eine Bestrahlung gereicht“, so Beyreuther. „Außerdem variierte die Stärke der Pulse zu stark, sodass wir nicht sicher­stellen konnten, die richtige Dosis zu verabreichen.“ Doch im Laufe der vergangenen Jahre gelangen den Wissen­schaftlern entscheidende Verbes­serungen. Insbesondere konnten sie besser verstehen, was beim Wechselspiel von Laserblitzen und Folie passiert.

„Wichtig ist vor allem die genaue Form der Laserblitze“, erklärt Kroll. „Mittler­weile können wir sie so maß­schneidern, dass die entstehenden Protonen­pulse sowohl eine ausreichende Energie als auch eine hohe Stabilität besitzen.“ Schließlich waren die Parameter so gut, dass das HZDR-Team die entscheidende Versuchsreihe angehen konnte: die erstmalige, kontrol­lierte Bestrahlung von Tumoren in Mäusen mit laser­beschleunigten Protonen.

Die Experimente erfolgten gemeinsam mit Experten des Universitäts­klinikums Dresden am OncoRay – National Center for Radiation Research in Oncology. Als Vergleich dienten Versuche an der konven­tio­nellen Protonen­therapie-Anlage. „Wir haben gesehen, dass unsere laser­ge­triebene Protonen­quelle biologisch wertvolle Daten erzeugen kann“, berichtet Kroll. „Damit ist die Grund­voraus­setzung für weitere Studien geschaffen, mit denen wir unsere Methode testen und optimieren können.“

Eine weitere Besonderheit der laser­beschleunigten Protonenpulse liegt in ihrer enormen Intensität. Während bei der konven­tio­nellen Protonen­therapie die Strahlen­dosis in einigen Minuten verabreicht wird, könnte per Laser der Prozess innerhalb einer Millionstel-Sekunde ablaufen. „Es gibt Hinweise darauf, dass bei schneller Verabreichung der Dosis das den Tumor umgebende gesunde Gewebe noch besser geschont wird als bislang“, betont Beyreuther. „Diesen Hinweisen wollen wir mit unserem Versuchs­aufbau nachgehen und in präklinischen Studien untersuchen, wann und wie diese schnelle Bestrahlung angewendet werden sollte, um einen Vorteil bei der Krebstherapie zu erzielen.“

HZDR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Kroll et al.: Tumor irradiation in mice with a laser-accelerated proton beam, Nat. Physics 18, 316 (2022); DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3
• Laser-Teilchenbeschleunigung, Institut für Strahlenphysik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf