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MRT trifft Protonenstrahl: Hochkontrast-Bildgebung für Krebstherapie

Ein Team vom Institut für Radioonkologie des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat erstmals die Magnetresonanz-Tomographie mit einem Protonenstrahl kombiniert. Damit wiesen sie nach, dass die Bildgebungsmethode zusammen mit der Krebsbehandlung über Teilchenstrahlen funktionieren kann.

Mit Hilfe eines offenen MRT-Scanners konnten Dr. Aswin Hoffmann und sein Team am OncoRay nachweisen, dass sich die Magnetresonanz-Tomographie (MRT) mit einem Protonenstrahl kombinieren lässt. Bildquelle: © HZDR/R. Weisflog

Mit Hilfe eines offenen MRT-Scanners konnten Dr. Aswin Hoffmann und sein Team am OncoRay nachweisen, dass sich die Magnetresonanz-Tomographie (MRT) mit einem Protonenstrahl kombinieren lässt.

In der Onkologie gehört die Strahlentherapie seit Langem zur Standardbehandlung. Dabei wird eine festgelegte Energiemenge, auch Dosis genannt, in das Tumorgewebe eingebracht. Dort schädigt sie die Erbsubstanz der Krebszellen, verhindert dadurch deren Teilung und führt im Idealfall zum Zelltod. Heute kommt vor allem die sogenannte Photonentherapie mittels hochenergetischen Röntgenstrahlen zum Einsatz. Dabei durchdringt ein erheblicher Teil des Photonenstrahls den Körper des Patienten und bringt auch schädliche Dosis im gesunden Gewebe vor und hinter dem Tumor ein.

Eine Alternative dazu ist die Therapie mit geladenen Atomkernen, beispielsweise mit Protonen. Diese Partikel haben eine energieabhängige Eindringtiefe und geben am Ende des Strahlverlaufs ihre maximale Dosis ab. Hinter diesem sogenannten »Bragg-Peak« wird keine Dosis deponiert. Bei der Therapie ist die Herausforderung für die Mediziner, den Protonenstrahl genau an die Form des Tumorgewebes anzupassen und umliegendes Normalgewebe maximal zu schonen. Ihr Zielvolumen wählen sie dabei vor der Behandlung auf einer auf Röntgenstrahlung basierten Computer-Tomographie (CT)-Aufnahme aus.

»Das hat verschiedene Nachteile«, sagt Dr. Aswin Hoffmann vom Institut für Radioonkologie – OncoRay des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) . Erstens sei der Weichteilgewebe-Kontrast von CT gering und zweitens werde die Dosis ins gesunde Gewebe abseits des Zielvolumens eingetragen. Hinzu kommt, dass die Protonentherapie anfälliger für Organbewegungen und anatomische Veränderungen als die Strahlentherapie mit Röntgenstrahlung ist. Bei Tumoren, die sich zum Beispiel während der Bestrahlung durch Atmung bewegen, ist die Treffsicherheit somit eingeschränkt. Die fehlende Möglichkeit, solche Bewegungen bildlich darzustellen, wird damit zum größten Hindernis für den Einsatz der Protonentherapie. »Wir wissen nicht sehr genau, ob der Protonenstrahl wie geplant den Tumor trifft«, so Hoffmann. Als Folge müssen Mediziner heute große Sicherheitssäume um den Tumor einplanen. Dadurch werde aber mehr gesundes Gewebe geschädigt, als bei zielgenauer Bestrahlung nötig wäre. »Das Potenzial der Protonentherapie wird also nicht vollständig ausgeschöpft.«

Erster Prototyp für MR-geführte Partikeltherapie

Das wollen Hoffmann und sein Team ändern. In Zusammenarbeit mit dem belgischen Hersteller der Protonenanlage IBA (Ion Beam Applications SA) hat sich seine Arbeitsgruppe zum Ziel gesetzt, die Protonentherapie mit der Echtzeit-Bildgebung über MRT zu integrieren. Denn anders als Röntgen- oder CT-Bilder liefert diese einen exzellenten Weichteilgewebe-Kontrast und ermöglicht kontinuierliche Bildaufnahmen während der Bestrahlung. Während es zwei solcher Hybrid-Geräte bereits für den klinischen Einsatz in der MR-geführten Photonentherapie gibt, existieren für die Partikeltherapie bisher noch keine.

Das liegt vor allem an elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen MRT-Scanner und Protonentherapieanlage. Einerseits sind MRT-Scanner auf sehr homogene Magnetfelder angewiesen, um geometrisch akkurate Bilder zu liefern. Andererseits wird der Protonenstrahl in einem Zyklotron, einem Kreisbeschleuniger, erzeugt. In diesem zwingen elektromagnetische Felder die geladenen Teilchen auf eine Kreisbahn und beschleunigen sie. Gelenkt und in Form gehalten wird der Protonenstrahl ebenfalls von Magneten. Diese Magnetfelder können das homogene Magnetfeld des MRT-Scanners stören.

»Mit unseren Experimenten konnten wir jedoch zeigen, dass sich ein MRT-Gerät sehr wohl im Protonenstrahl betreiben lässt. Kontrastreiche Echtzeit-Bilder und gezielte Strahlführung schließen einander nicht aus«, so Hoffmann. Ein weiteres Problem sehen viele Experten im Verhalten des Protonenstrahls. Denn wenn sich die elektrisch geladenen Teilchen im magnetischen Feld des MRT-Scanners bewegen, werden sie von der Lorentzkraft abgelenkt. Der Strahl verläuft nicht mehr gerade. Aber auch hier konnten die Dresdner Forscher belegen, dass sich diese Ablenkung vorhersagen und dadurch korrigieren lässt.

Kniephantom, Fleischwurst und berechenbare Ablenkung

Für ihre Experimente mit dem ersten Prototyp griffen sie zuerst auf ein sogenanntes Kniephantom zurück. Das ist ein kleiner Plastikzylinder, der mit einer wässrigen Kontrastflüssigkeit und unterschiedlich geformten Plastikstücken gefüllt ist. Damit führten Hoffmann und sein Team quantitative Analysen zur Bildqualität durch. In einer zweiten Versuchsreihe nutzten die Wissenschaftler ein Stück Dresdner Fleischwurst.

Beide Versuchsreihen mit Phantom und Fleischwurst zeigten, dass durch die Magnetfelder der Protonentherapie keine Bildverzerrungen auftreten, wohl aber kleine Verschiebungen im MRT-Bild, die sich präzise vorhersagen und deshalb korrigieren lassen. (me)