Zukunftsweisende Ansätze für eine präzisere Strahlentherapie von Krebs

Man schätzt, dass heute etwa jeder Dritte im Laufe seines Lebens an Krebs erkranken wird und diese Zahl in den kommenden Jahren noch deutlich steigt. Die Strahlentherapie ist eine Behandlungsmethode, die sich bei der Heilung von etwa 50% aller Krebspatienten bewährt hat und die die krebsinduzierte Sterblichkeit reduziert.

Der bösartige Tumor wird dabei einem Strahl hochenergetischer Photonen ausgesetzt, die typischerweise von einem Linearbeschleuniger abgegeben werden. Der Erfolg der Behandlung hängt also davon ab, eine hohe Tumorkonformität zu erreichen, indem die dem Tumor zugeführte Dosis maximiert und zugleich die Exposition des gesunden Gewebes so gering wie möglich gehalten wird. Zu diesem Zweck werden immer komplexere Behandlungspläne und Darreichungsformen eingesetzt, die zu hochmodulierten räumlichen und zeitlichen Strahlungsprofilen führen.

Für eine ideale Behandlung des Tumors bei gleichzeitig minimaler Belastung von gesundem Gewebe muss die Bestrahlung detailliert geplant werden, wobei bisher auf numerische Modelle zur In-vivo-Strahlungsverteilung zurückgegriffen wird, um die lokal applizierte Dosis abzuschätzen. Echtzeitfähige Methoden zur nicht-invasiven Dosimetrie mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung, die ein ideales Therapiemonitoring erlauben würden, stehen derzeit leider noch nicht zur Verfügung.

Ultraschallkontrastmittel für dosisempfindliche zielgerichtete Systeme

Das innovative FET-Open-Projekt AMPHORA (Acoustic markers for enhanced remote sensing of radiation doses), finanziert aus dem Förderprogramm Horizon 2020 der Europäischen Kommission, hat sich zum Ziel gesetzt, ein echtzeitfähiges nicht-invasives In-situ-Dosimetriesystem für die Strahlentherapie zu entwickeln. Dafür werden Ultraschallkontrastmittel (UCAs, Microbubbles) zu injizierbaren dosisempfindlichen und zielgerichteten Systemen aufgerüstet, die sich im Tumorgewebe sammeln und die die verabreichte Strahlendosis in eine Modulation ihrer akustischen Reaktion (Rückstreusignal) bei der Ultraschalluntersuchung umsetzen.

Die Hauptziele dieses visionären Projekts, das von einem Konsortium aus europäischen Universitäten und außeruniversitären Partnern durchgeführt wird, sind u. a. Design, Entwicklung und Optimierung von zielgerichteten strahlungsempfindlichen UCAs, die sich im (und um) den Tumor ansammeln und deren akustische Eigenschaften sich in Abhängigkeit von der Strahlendosis verändern sowie die Entwicklung von Verfahren und Systemen zur Bestimmung von 3D-Dosisverteilungen aus volumetrischen Ultraschalldaten. Die Bewertung und Validierung der entwickelten Kontrastmittel, Verfahren, Algorithmen und Systeme soll sowohl in vitro als auch in vivo anhand von Kleintiermodellen erfolgen (https://amphora-project.eu).

IBMT-Ultraschall-Expertise im Einsatz

Ultraschall ist die verbreitetste Methode der medizinischen Bildgebung. Darüber hinaus haben neuere Erkenntnisse den Einsatz von Ultraschall in der Therapie (HIFU, Thermoablation von Tumoren mit Ultraschall) und im Therapiemonitoring gefördert. Das Fraunhofer IBMT verfügt über eine jahrzehntelange Ultraschall-Expertise im Bereich der Entwicklung zukunftsweisender Ultraschalltechnologien in Hard- und Software für unterschiedlichste Anwendungsfelder von der Zelle bis zum klinischen Einsatz am Menschen (Translation).

Im Projekt AMPHORA wird das Fraunhofer IBMT die technologische Grundlage für den Proof-of-Concept der hochauflösenden Echtzeit-Strahlendosimetrie schaffen. Hierfür wird ein neuartiges 1024-kanaliges Ultraschallsystem entwickelt, welches in Kombination mit Matrixarray-Wandlern genutzt werden kann, um volumetrische Ultraschalldaten aufzunehmen.

Die von den Projektpartnern entwickelten Dosimetrie-Algorithmen werden auf diese Ultraschalldaten angewendet, um die lokal applizierte Strahlendosis zu berechnen und bildlich darzustellen. Die Kombination aus Echtzeit-3D-Ultraschallsystemen, strahlungsempfindlichen akustischen Kontrastmitteln und entsprechenden Analysealgorithmen könnte somit erstmalig die Erstellung von In-vivo-Echtzeit-Karten der Dosisverteilung für eine präzisere und sichere Therapie ermöglichen.

Anwesend auf dem

ICU – International Congress on Ultrasonics 2019
in Brügge, Belgien, 03.-06.09.2019

und auf der

IEEE IUS 2019
in Glasgow, Großbritannien, 16.-19.10.2019

Projektpartner: KU Leuven, University Tor Vergata, DoseVue, IMEC, Erasmus University Medical Center
Förderung: 3,9 M€
Zeitraum: 01.11.2018-31.10.2022