Fremtiden for bekæmpelse af kræft:Zapping af tumorer på mindre end et sekund

Ny accelerator-baseret teknologi, der udvikles af Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University, har til formål at reducere bivirkningerne af cancerstrålebehandling ved at formindske dens varighed fra minutter til under et sekund. Indbygget i fremtidens kompakte medicinske udstyr, teknologi udviklet til højenergifysik kan også være med til at gøre strålebehandling mere tilgængelig i hele verden.

Nu, SLAC/Stanford-teamet har modtaget afgørende midler til at fortsætte med to projekter for at udvikle mulige behandlinger for tumorer - det ene ved hjælp af røntgenstråler, den anden bruger protoner. Idéen bag begge er at sprænge kræftceller så hurtigt, at organer og andet væv ikke når at bevæge sig under eksponeringen - ligesom at tage en enkelt fryseramme fra en video. Dette reducerer chancen for, at stråling rammer og beskadiger sundt væv omkring tumorer, gøre strålebehandling mere præcis.

"At levere strålingsdosis af en hel terapisession med et enkelt blitz, der varer mindre end et sekund, ville være den ultimative måde at styre den konstante bevægelse af organer og væv, og et stort fremskridt sammenlignet med metoder, vi bruger i dag, " sagde Billy Loo, en lektor i strålingsonkologi ved Stanford School of Medicine.

Sami Tantawi, en professor i partikelfysik og astrofysik og chefforsker for RF Accelerator Research Division i SLAC's Technology Innovation Directorate, der arbejder med Loo på begge projekter, sagde, "For at kunne levere højintensiv stråling effektivt nok, vi har brug for acceleratorstrukturer, der er hundredvis af gange stærkere end nutidens teknologi. Den finansiering, vi modtog, vil hjælpe os med at bygge disse strukturer."

Sprængning af kræft med røntgenstråler

Projektet kaldet PHASER vil udvikle et flashleveringssystem til røntgenstråler.

I nutidens medicinske udstyr, elektroner flyver gennem en rørlignende acceleratorstruktur, der er omkring en meter lang, får energi fra et radiofrekvensfelt, der bevæger sig gennem røret på samme tid og i samme retning. Elektronernes energi bliver derefter omdannet til røntgenstråler. I løbet af de sidste par år, PHASER-teamet har udviklet og testet acceleratorprototyper med specielle former og nye måder at føre radiofrekvensfelter ind i røret på. Disse komponenter fungerer allerede som forudsagt af simuleringer og baner vejen for acceleratordesign, der understøtter mere kraft i en kompakt størrelse.

"Næste, vi bygger acceleratorstrukturen og tester teknologiens risici, hvilken, om tre til fem år, kunne føre til en første egentlig enhed, der i sidste ende kan bruges i kliniske forsøg, " sagde Tantawi.

Stanford Department of Radiation Oncology vil yde omkring 1 million dollars i løbet af det næste år til disse bestræbelser og støtte en kampagne for at rejse flere forskningsmidler. Afdelingen for Strålingsonkologi, i samarbejde med Medicinskolen, har også etableret Radiation Science Center med fokus på præcisionsstrålebehandling. Dens PHASER-afdeling, ledet af Loo og Tantawi, har til formål at gøre PHASER-konceptet til en funktionel enhed.

Gør protonterapi mere agil

I princippet, protoner er mindre skadelige for sundt væv end røntgenstråler, fordi de afsætter deres tumor-dræbende energi i et mere begrænset volumen inde i kroppen. Imidlertid, protonterapi kræver store faciliteter til at accelerere protoner og justere deres energi. Den bruger også magneter, der vejer hundredvis af tons, som langsomt bevæger sig rundt i en patients krop for at lede strålen ind i målet.

"Vi ønsker at komme med innovative måder at manipulere protonstrålen på, som vil gøre fremtidige enheder enklere, mere kompakt og meget hurtigere, " sagde Emilio Nanni, en stabsforsker ved SLAC, der leder projektet sammen med Tantawi og Loo.

Det mål kan snart være inden for rækkevidde, takket være et nyligt tilskud på $1,7 millioner fra DOE Office of Science Accelerator Stewardship-programmet til at udvikle teknologien over de næste tre år.

"Vi kan nu gå videre med at designe, fremstilling og test af en acceleratorstruktur, der ligner den i PHASER-projektet, der vil være i stand til at styre protonstrålen, justere sin energi og levere høje strålingsdoser praktisk talt øjeblikkeligt, " sagde Nanni.

Hurtigt, effektiv og tilgængelig

Ud over at gøre kræftbehandling mere præcis, flashlevering af stråling ser også ud til at have andre fordele.

"Vi har set hos mus, at raske celler lider mindre skade, når vi anvender strålingsdosis meget hurtigt, og alligevel er den tumordræbende effekt lig med eller endda en lille smule bedre end en konventionel længere eksponering, " sagde Loo. "Hvis resultatet holder for mennesker, det ville være et helt nyt paradigme for stråleterapiområdet."

Et andet hovedformål med projekterne er at gøre strålebehandling mere tilgængelig for patienter over hele verden.

I dag, millioner af patienter rundt om i verden modtager kun palliativ behandling, fordi de ikke har adgang til kræftbehandling, sagde Loo. "Vi håber, at vores arbejde vil bidrage til at gøre den bedst mulige behandling tilgængelig for flere patienter flere steder."

Det er derfor, teamet fokuserer på at designe systemer, der er kompakte, strømbesparende, økonomisk, effektiv at bruge i kliniske omgivelser, og kompatibel med eksisterende infrastruktur rundt om i verden, Tantawi sagde:"Det første bredt anvendte medicinske lineære acceleratordesign blev opfundet og bygget i Stanford i årene op til bygningen af ​​SLAC. Den næste generation kan blive en ægte game changer - inden for medicin og på andre områder, såsom acceleratorer til røntgenlasere, partikelkolliderer og national sikkerhed."

Peter Maxim hos Stanford (nu direktør for strålingsonkologisk fysik ved Indiana University) er medopfinder af PHASER og ydede vigtige bidrag til begge projekter. Yderligere medlemmer på protonterapiteamet er Reinhard Schulte ved Loma Linda University og Matthew Murphy hos Varian Medical Systems.