Erfolgreiche Dissertation in medizinischer und biologischer Physik

Der Titel der englischsprachigen Arbeit lautet: „Milli, micro, nano: Venturing to small scales in proton beam therapy physics for radiobiological research“ (dt.: „Milli, Mikro, Nano: Der Schritt zu kleinen Maßstäben in der Physik der Protonentherapie für die strahlenbiologische Forschung“). Das Dissertationsprojekt war eine Kooperation zwischen dem WPE und der Technischen Universität Dortmund im Rahmen des Graduiertenkollegs Präzisionsprotonentherapie, das von der MERCUR-Stiftung gefördert wurde.

Kontrolle von Strahlenschäden

In der Strahlentherapie ist es wichtig, den Strahlenschaden im Hinblick auf die Tumorkontrolle und auf Normalgewebskomplikationen zu regulieren. Die Therapieansätze müssen daher einen Kompromiss zwischen der applizierbaren Dosis für den klonogenen Zelltod der Tumorzellen und möglichen Nebenwirkungen darstellen. Mithilfe von strahlenbiologischen Experimenten können weitere Erkenntnisse über die schädigende Strahlenwirkung gewonnen werden. In diesem Zusammenhang werden Protonenfelder benötigt, die über die Anforderungen von klinischen Feldern hinausgehen. So werden beispielsweise sehr kleine Felder benötigt und dicht-ionisierende Felder, d.h. Protonen mit einer niedrigen Energie.

Frau Dr. Behrends entwickelte die entsprechenden physikalisch-technischen Lösungen. Im Rahmen des ersten Projektes wurden kleine Felder mit einem seitlichen Dosisabfall auf der Skala von Millimetern erzeugt. Das Verfahren basiert auf der Dosisapplikation mit dem Scanning von Protonennadelstrahlen, mit dem das Zielvolumen mit sogenannten Spots überstrichen wird. Bekanntermaßen kann der seitliche Dosisabfall über eine zusätzliche Kollimation mit Messingaperturen verbessert werden. Frau Behrends konnte die bisher bekannte Methodik weiter verbessern, indem die Spots relativ zur Aperturkante optimal platziert wurden.

Optimierung der Protonen-Geschwindigkeit

Das zweite Projekt widmete sich der Entwicklung und Optimierung eines Versuchsaufbaus, um Protonen, die ursprünglich auf klinische Energien beschleunigt wurden, so effizient wie möglich mit beliebigen Reichweiten bis hinunter zu ca. 100 µm bereitzustellen. Dies ermöglicht Zellexperimente mit dicht-ionisierender Strahlung.

Auswirkung von Platin-Nanopartikel

In dem dritten Projekt wurde der strahlensensitive Effekt von Platinnanopartikeln in der Protonentherapie, der potentiell eine erhöhte Tumorkontrolle bei der Behandlung bewirken kann, untersucht. Über die verantwortlichen Mechanismen auf mikroskopischer Ebene, d.h. auf Skalen im Bereich von Nanometern, war bisher wenig bekannt. Frau Behrends konnte experimentell beweisen, dass physikalische Prozesse am Anfang der Wechselwirkungskaskade die verstärkenden Effekte nicht bewirken können. Daher verschiebt sich der Fokus der Forschung auf die chemische Ebene. Hier konnte eine Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Technische Chemie I der Universität Duisburg-Essen und dem WPE bereits aufschlussreiche Studienergebnisse präsentieren.