Daniela Thorwarth:
Hypoxiesensitive Fmiso PET-Bildgebung zur biologisch adaptiven Bestrahlungsplanung
Tumorhypoxie (lokaler Sauerstoffmangel) führt zu einer verminderten Sensitivität des Tumors gegenüber einer Strahlentherapie. Um diese zwei-
bis dreimal höhere Resistenz des Tumors kontrollieren zu können, sind zunächst Verfahren erforderlich mit denen Hypoxie abgebildet werden kann, um dann anschliessend gezielte, individuell adaptive Therapiekonzepte einführen zu können.
[18-F]-Fluoromisonidazol (Fmiso) ist ein hypoxiesensitiver Tracer für die Positronen Emissions Tomographie (PET), der in mit Sauerstoff unterversorgten Gewebearealen kovalent gebunden wird. Mit diesem Tracer ist somit eine Visualisierung von hypoxischen Tumorgebieten möglich.
Die Identifikation kleinster hypoxischer Tumorareale erfolgt jedoch anhand einer kinetischen Analyse von dynamischen Fmiso PET-Serien. Diese Analysemethode
gibt Aufschluss über interne Architektur und Struktur des einzelnen Tumors. Die sich ergebenden Hypoxie- und Perfusionswerte sind ein Maß für die Erfolgschancen des Patienten bei einer konventionellen Strahlentherapie.
Die kinetische Analyse von Fmiso PET Aufnahmen könnte also in der Zukunft dazu dienen, gezielt Patienten auszuwählen, für die eine biologisch adaptive Strahlentherapie notwendig ist. Ausserdem ist es vorstellbar, dass aus den Modellparametern ein individueller Dosiseskalationsfaktor bestimmt werden kann, um die aus der Tumorhypoxie entstandene Resistenz zu überwinden.
Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.
David Mönnich:
Simulation der Dynamik von PET-Hypoxietracern
Biologische Tumoreigenschaften, wie etwa Sauerstoffversorgung und Stoffwechselaktivität, können mit modernen bildgebenden Verfahren dreidimensional erfasst werden (funktionelle Bildgebung). Dies kann beispielsweise durch Positronen-Emissions-Tomografie (PET) oder Magnetresonanztomografie (MRT) geschehen. Werden diese Informationen bei der Planung einer Strahlentherapie berücksichtigt, besteht die Möglichkeit die Behandlung besser auf den Patienten zuzuschneiden und somit wirkungsvoller zu gestalten. Hierfür ist es jedoch unabdingbar in der Lage zu sein die funktionellen Bilddaten richtig zu interpretieren.
Es ist bisher nicht völlig klar, ob und wie PET-Daten auf Basis des hypoxiespezifischen Tracers FMISO (Fluoromisonidazol) zur Adaption der Strahlentherapie verwendet werden können (s. Forschungsbeschreibung von D. Thorwarth). Eine Herausforderung besteht in der relativ geringen Auflösung der PET (~4 Millimeter) verglichen mit typischen Längenskalen der zugrundeliegenden Mikrostruktur des Tumorgewebes, z.B. Zellen und Blutgefäße (~10 Mikrometer). Um an dieser Stelle eine Brücke zu schlagen, untersuchen wir die Dynamik des Zusammenspiels von Sauerstoff- und Tracerversorgung durch die Gefäße und die Akkumulation von Tracermolekülen in hypoxischen Zellen mittels Computersimulationen. Die Simulationen basieren auf Gefäßverteilungen aus histologischen Tumorschnitten, die uns freundlicherweise vom Department for Radiotherapy, University Medical Center Nijmegen zur Verfügung gestellt wurden.
Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.
Martin Soukup:
Dosisberechnung für Protonentherapieplanung
Protonentherapie ist aufgrund der günstigen Dosisverteilung ('Bragg-peak') eine interessante Alternative zu herkömmlichen Bestrahlungsarten mit Photonen oder Elektronen. Die vielversprechendste Methode in der Protonentherapie ist die sg. fluenzmodulierte Protonentherapie (IMPT). In dieser Methode wird die Dosisverteilung von typischerweise Tausenden schmalen Protonenstrahlen berechnet. Anschliessend werden deren Gewichte optimiert, um das gesunde Gewebe soweit wie möglich zu schonen beim gleichzeitigen Zerstören von Krebszellen. Hierzu wird ein präziser analytischer Dosisberechnungsalgorithmus ('pencil beam' Algorithmus) entwickelt und in das Bestrahlungsplanungsystem Hyperion implementiert.
 
Die präzizeste aber leider auch gewöhnlich relativ langsame Methode für Dosisberechnungen in Strahlentherapie ist die Monte Carlo Methode. Monte Carlo basierte Programme VMCpro, Geant4 und Fluka werden zum Lösen verschiedener spezifischer Fragestellungen in der Protonenetherapie eingesetzt (Testen des 'pencil beam' Algorithmus, Einfluss der nuklearen Wechselwirkungen auf Dosisverteilung usw.).Das schnelle Monte Carlo Programm VMCpro, das speziell für die Zwecke der Protonentherapieplanung entwickelt wurde, wird in Hyperion implementiert.
Monte Carlo wird auch in dem Gebiet der Photonenradiotherapie verwendet. Da Geant4 es ermöglicht auch komplizierte Geometrien zu simulieren, wird ein Linearbeschleunigerkopf samt des detaillierten Multileaf-Kollimators und anschliessende Dosisverteilung simuliert und Geant4 für diese Art von Anwendung getestet.
Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.
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Dabei werden praktische Aspekte von Kompensatoren oder dMLC mitoptimiert. Die Optimierung der Einstrahlrichtungen ist vorgesehen. Die Entwicklung von NTCP Modellen unter Berücksichtigung zeitlicher Aspekte ist ein Steckenpferd.
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