Promotionsvortrag von Carina Behrends

In der Strahlentherapie ist es fundamental den Strahlenschaden im Hinblick auf die Tumorkontrolle und auf Normalgewebskomplikationen zu steuern. Somit müssen Therapieansätze einen Kompromiss zwischen der applizierbaren Dosis für den klonogenen Zelltod der Tumorzellen und möglichen Nebenwirkungen finden. Mithilfe von strahlenbiologischen Experimenten können weitere Erkenntnisse über die schädigende Strahlenwirkung gewonnen werden. Diese Arbeit stellt drei unterschiedliche und unabhängige Forschungsansätze in der Physik der Protonentherapie von der Größenordnung Millimeter bis zu Nanometer vor, um strahlenbiologische Experimente und damit den langfristigen Therapieerfolg zu verbessern. Im ersten Projekt wird eine Methode zur Optimierung der Feldformung bei der Behandlungsmodalität von gescannten Protonennadelstrahlen in Kombination mit kollimierenden Aperturen präsentiert. Dabei wird die fundamentale Beziehung zwischen Spotposition und Aperturkante im Hinblick auf die Maximierung des Dosisgradienten im Detail analytisch, experimentell und in Simulationen untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Positionierung der äußeren Spots über den Aperturrand hinaus sowie weiterhin kombiniert mit Fluenzmodulation einen schärferen Dosisgradienten erzielen kann. So kann ein lateraler Dosisabfall von 80% auf 20% des relativen Dosisprofils von wenigen Millimetern erreicht werden. In einem zweiten Projekt wird ein Versuchsaufbau entwickelt und optimiert, um Protonen, die ursprünglich auf klinische Energien beschleunigt wurden, so effizient wie möglich mit einer beliebigen Energie bis hinunter zu wenigen MeV bereitzustellen. Die Analyse von Energiespektren, die besonders für niederenergetische Protonen von Reichweitenstreuung und Fluenzverlust beeinflusst sind, zeigt, dass es eine optimale Materialdicke für die Abbremsung von Protonen auf eine gewünschte Energie gibt. Damit können Protonenfelder aller strahlenbiologisch relevanten Energien, vor allem runter bis zu ein paar MeV mit hohem linearen Energietransport und Reichweiten im Bereich von 100 μm, zur Durchführung von strahlenbiologischen Experimenten bereitgestellt werden. Das dritte Projekt untersucht den strahlensensitiven Effekt von Platinnanopartikeln (PtNPs) in der Protonentherapie, der potentiell eine erhöhte Tumorkontrolle bei der Behandlung bewirken kann. Bei der Anwendung von Metallnanopartikeln in der Strahlentherapie sind vielversprechende Ergebnisse im Hinblick auf eine erhöhte Therapieeffizienz bekannt. Allerdings ist der zugrundeliegende Mechanismus des strahlensensitiven Effekts von PtNPs in der Protonentherapie bisher ungeklärt. Experimente an gewebeähnlichen Proben mit und ohne PtNPs haben auf makroskopischer Skala keinen Unterschied im Stoßbremsvermögen oder der Energiedeposition von Protonen bei der Anwesenheit von PtNPs gezeigt. Damit liefert das Projekt den experimentellen Beweis, dass der strahlensensitive Effekt von PtNPs in der Protonentherapie nicht in einer erhöhten Energiedeposition begründet liegt und lenkt dabei den Forschungsfokus des Effekts auf die chemische und biologische Phase der Strahlenwirkung. Dementsprechend liefern die in dieser Arbeit untersuchten Projekte individuelle Beiträge zur strahlenbiologischen Forschung und damit zur Verbesserung der Strahlenwirkung in der Protonentherapie.