Protonen-Minibeams könnten die Behandlung von Krebsmetastasen verbessern

Die Behandlung von Krebspatienten mit räumlich modulierten Strahlen könnte Tumore zerstören und gleichzeitig Schäden an nahe gelegenen Organen und gesundem Gewebe minimieren. Das ist die Idee hinter der Protonen-Minibeam-Strahlentherapie (pMBRT), einer neuen Behandlungstechnik, die eine Reihe von Strahlen im Submillimeterbereich verwendet, um eine therapeutische Dosis abzugeben.

Die Minibeams bestehen aus abwechselnd Hochdosisspitzen und Niedrigdosistälern, ein Muster, das in geringer Tiefe für gesundes Gewebe weniger schädlich ist. In größeren Tiefen werden diese Strahlen allmählich breiter, um eine homogene Dosisverteilung innerhalb des Zielvolumens zu erzeugen. Studien an Kleintieren haben gezeigt, dass pMBRT dramatisch wirken kann normale Gewebetoxizität reduzieren, mit gleichwertige oder überlegene Tumorkontrolle, im Vergleich zur konventionellen Protonentherapie.

„Die Protonen-Minibeam-Strahlentherapie hat in präklinischen Studien bereits einen bemerkenswerten Gewinn an therapeutischem Index gezeigt“, sagt sie Ramon Ortiz für Institut Curie. „Diese vielversprechenden Ergebnisse ermutigen zur Übertragung dieser Technik in den klinischen Bereich.“ Mit diesem Ziel bewerteten Ortiz (jetzt an der UC San Francisco) und Kollegen am Institut Curie die Vorteile von pMBRT für die Behandlung von Krebsmetastasen, berichteten über ihre Ergebnisse in Medizinische Physik.

Simulation von pMBRT-Szenarien

Metastasen machen bis zu 90 % der krebsbedingten Todesfälle aus. Metastasen werden üblicherweise unter Verwendung von Techniken der stereotaktischen Strahlentherapie (SRT) behandelt, aber die für die lokale Kontrolle erforderliche Dosis ist oft durch das Risiko einer Toxizität für benachbartes normales Gewebe begrenzt. Bei Hirnmetastasen wird beispielsweise bei der Hälfte der mit SRT behandelten Patienten eine strahleninduzierte Hirnnekrose berichtet.

Um festzustellen, ob pMBRT solche Komplikationen reduzieren kann, verwendete das Team Monte-Carlo-Simulationen, um die Dosisverteilungen für vier Patienten zu berechnen, die zuvor eine SRT am Institut Curie erhalten hatten. Die Patienten waren wegen metastatischer Läsionen im Temporallappen, Frontallappen, der Leber und der Lunge des Gehirns behandelt worden.

Die Forscher simulierten Einzelfraktions-pMBRT-Pläne, wobei ein oder zwei Behandlungsfelder verwendet wurden, um die gleiche biologische Äquivalentdosis (BED) an das Tumorziel zu liefern, wie für die SRT vorgeschrieben. Sie modellierten einen Minibeam-Kollimator aus Messing mit Schlitzen von 400 μm × 5.6 cm in verschiedenen Abständen von Mitte zu Mitte, um sowohl Minibeams mit schmalen als auch größeren Abständen zu erzeugen. Anschließend berechneten sie Dosisverteilungen für die vier Patientenfälle, für pMBRT, SRT und konventionelle Protonentherapie.

In den eng beabstandeten pMBRT-Plänen, die eine gleichmäßige Dosisverteilung im Zielvolumen erzeugen, war die Tumorabdeckung ähnlich oder etwas besser als in den SRT-Plänen. Pläne mit weiter auseinander liegenden pMBRT-Strahlen, die eine quasi gleichmäßige Dosisverteilung zum Ziel liefern, hatten eine geringere Tumorabdeckung.

Wichtig ist, dass pMBRT die Dosis kritischer Strukturen im Vergleich zu SRT signifikant reduzierte. Im ersten Gehirnfall verringerte pMBRT die mittlere BED für Organe-at-Risk (OARs) um zwischen 44 % (rechter Hörnerv) und 100 % (linker Hörnerv). Bei der zweiten Gehirnbehandlung verschonte pMBRT die OARs vollständig, einschließlich Sehtrakt, Hirnstamm und Chiasma.

Im Fall der Leber wurde die mittlere BED auf die Leber und die Rippen um 25 % bzw. 75 % reduziert, während eine Bestrahlung der oberen Hohlvene vermieden wurde. Und für den Lungenfall wurde die OAR-Dosis um zwischen 11 % (Rippen) und 100 % (Pulmonalarterie und Bronchien) reduziert. Der Mittelwert von BED zu OARs war zwischen pMBRT und konventioneller Protonentherapie größtenteils ähnlich.

Die Forscher untersuchten auch mögliche Nebenwirkungen von pMBRT auf normales Gewebe. Für die beiden Fälle von Hirnmetastasen berechneten sie beispielsweise die Dosis, die an gesundes Hirngewebe abgegeben wurde. Sie betrachteten die Dosisgrenzen für die fraktionierte Standardbestrahlung, bei der eine normalisierte Gesamtdosis bei 2 Gy-Fraktionen (NTD_2.0) von 72 Gy führt innerhalb von fünf Jahren zu einer Radionekrose von 5 %.

Für alle pMBRT-Pläne ist das maximale Tal NTD_2.0 zum gesunden Gehirn (61 Gy(RBE) für den Fall des Temporallappens und 47 Gy(RBE) für den Fall des Frontallappens) blieb im Gegensatz zur konventionellen Protonentherapie unterhalb dieser Dosistoleranzschwelle. Bei den Patienten mit Lungen- und Lebermetastasen lagen die mittleren Dosen an Lungen- und Lebergewebe in pMBRT-Plänen ebenfalls deutlich unter den maximal tolerierbaren mittleren Dosen.

Klinische Vorteile

Die in dieser Studie berücksichtigten pMBRT-Behandlungen wurden mit nur einem oder zwei Minibeam-Arrays durchgeführt. Die Verwendung von weniger Feldern als bei den SRT-Behandlungen (drei oder vier Bögen) erfordert eine geringere Neupositionierung des Patienten, wodurch die Fraktionsbehandlungszeit verkürzt wird und das Volumen des normalen Gewebes verringert wird, das niedrigen Dosen ausgesetzt wird. Darüber hinaus verkürzt die Verabreichung von pMBRT in einer Behandlungsfraktion die Gesamtbehandlungszeit im Vergleich zu den SRT-Plänen, bei denen drei bis fünf Fraktionen verwendet wurden, erheblich.

Minibeam-Strahlentherapie: von Photonen zu geladenen Teilchen

Die Forscher weisen darauf hin, dass die in dieser Arbeit evaluierten pMBRT-Pläne klinisch mit dem bereits am Orsay Proton Therapy Center implementierten Aufbau für vorklinische Studien durchgeführt werden könnten, wobei Ziel- und Organbewegungen während der Behandlung wie bei SRT und Protonentherapie kontrolliert werden.

Ortiz erzählt Physik-Welt dass das Institut Curie derzeit die Möglichkeit klinischer Studien der Phase I/II diskutiert. „Diese würden die Neurotoxizitäts- und Tumorkontrollraten bei der Behandlung von rezidivierendem Glioblastoma multiforme mit Protonen-Minibeams bewerten“, erklärt er. „Diese Studie soll zur Vorbereitung dieser klinischen Untersuchungen beitragen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/proton-minibeams-could-improve-treatment-of-cancer-metastases/