Milli, micro, nano: Venturing to small scales in proton beam therapy physics for radiobiological research

Abstract

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. Eine optimierte Positionierung des Spots relativ zur Aperturkante erzeugt dabei eine kleinere laterale Penumbra. 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. Mit einem optimalen Setup können niederenergetische Protonen mit maximaler Effizienz für strahlenbiologische Experimente 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. Es wird experimentell nachgewiesen, dass der strahlensensitive Effekt von PtNPs in der Protonentherapie nicht in einer erhöhten Energiedeposition der Protonen auf makroskopischer Skala begründet liegt. Insgesamt liefern die in dieser Arbeit untersuchten Projekte individuelle Beiträge zur Physik in der strahlenbiologischen Forschung und damit zur Verbesserung der Strahlenwirkung in der Protonentherapie.

In radiotherapy, it is fundamental to manage the radiation damage in terms of tumor control and normal tissue complications. Thus, therapeutic strategies aim to find a compromise between the applicable dose for clonogenic cell death of the tumor cells and possible side effects. Radiobiological experiments may provide further insight into the damaging effects of radiation. Here, three different and independent research approaches in proton therapy physics from the millimeter to nanometer scale are introduced to improve radiobiological experiments and thus long-term therapeutic outcome. The first project presents a method to optimize field shaping in the treatment modality of proton pencil beam scanning in combination with collimating apertures. An optimized positioning of the spot relative to the aperture edge results in a smaller lateral penumbra. In a second project, an experimental setup is developed and optimized to deliver protons originally accelerated to clinical energies as efficiently as possible with an arbitrary energy down to only a few MeV. With an optimal absorber thickness, low-energetic protons can be provided with maximum efficiency for radiobiology experiments. The third project investigates the radiosensitizing effect of platinum nanoparticles (PtNPs) in proton therapy, which can potentially induce increased tumor control during treatment. It is experimentally demonstrated that the radiosensitizing effect of PtNPs in proton therapy is not due to an increased proton energy deposition at the macroscopic scale. Overall, the projects investigated in this work provide individual contributions to physics in the radiobiological research and thus to the improvement of the radiation effect in proton beam therapy.