Die Grundlagen der spezifischen radiobiologischen Effekte von Laser-induzierten Protonen

• Antragsteller: Professor Dr. Friedrich Boege; Professor Dr. George Iliakis; Professor Dr. Christoph V. Suschek; Professor Dr. Oswald Willi
• Fachliche Zuordnung: Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401832363

Die gängige Strahlentherapie nutzt überwiegend Röntgenstrahlen. Energiereiche Partikelstrahlung hat zwar ein wesentlich günstigeres Energieübertragungsprofil für die Behandlung tiefsitzender solider Tumoren, wird aber derzeit therapeutisch wenig genutzt, weil die investiven und betrieblichen Kosten viel zu hoch sind. Weltweit wird dieser Therapieansatz jedoch intensiv weiterverfolgt. Deutschland steht dabei mit mehreren Protonen- und Schwerionentherapiezentren in vorderster Front. Weniger aufwändige, neue Beschleunigungstechniken könnten den Weg zu einem bezahlbaren Einsatz von energiereicher Partikelstrahlung in klinischen Studien und der allgemeinen Radiotumortherapie ebnen. Unser Antrag möchte die radiobiologischen Effekte einer solchen neuen Protonen-Beschleunigungstechnik (nach dem laser wake-field Beschleunigungsprinzip) aufklären und mit konventionell beschleunigten Protonen (CAP) vergleichen. Die Universität Düsseldorf hat bereits wesentlich in dieses Forschungsgebiet investiert. Sie betreibt einen 200 TW-Laser (Leitung: Prof. Willi), der ganz auf die Produktion Laser-beschleunigter Protonen (LAP) ausgerichtet ist. Referenz-Protonen (CAP) stehen im Westdeutschen Protonenzentrum des Universitätsklinikums Essen (Leitung Prof. Timmermann) zur Verfügung. Die radiobiologische Charakterisierung von LAP steht noch am Anfang; die relevanten Informationen werden gerade erst erarbeitet. Unser Konsortium hat unter der Leitung von Prof. Iliakis mehrere Jahre lang die radiobiologischen Effekte von LAP untersucht und dabei einige grundlegende Entdeckungen gemacht, auf denen das hier vorgeschlagenen Projekt aufbaut: Wir gehen von der Hypothese aus, dass LAP eine andere radiobiologische Wirkung haben als CAP, weil sie in Picosekunden-Impulsen emittiert werden, die aus Protonenbündeln mit ultrakurzen Partikelabständen bestehen. Deshalb ist die Dosisrate um 9-10 Größenordnungen höher als bei konventioneller Beschleunigung im Cyclo/Synchrotron (ca. 109 Gy/Sek). Obwohl LAP und CAP gleichermaßen Wasserradiolyse und kurzlebige Primärradikale induzieren, sind die biochemischen und biologischen Wirkungen in der Zelle unterschiedlich. So haben wir entdeckt, dass LAP weniger 3-Nitrotyrosin in der Zelle induzieren als CAP, was auf eine grundlegend unterschiedliche NO-Radikalchemie hinweist. Dies wird von Prof. Suschek untersucht. Die unterschiedliche Balance der Radikalbildung dürfte sich vor allem auf die Therapie-relevante Komplexität der DNA-Schädigung durch direkte und indirekte Effekte auswirken. Die Art der induzierten DNA-Doppelstrangbrüche, die entsprechenden zellulären Stressreaktionen und die tumortoxischen Konsequenzen daraus werden im Detail von Prof. Boege und Prof. Iliakis untersucht. Das vorgeschlagene Projekt klärt grundlegende Fragen der biologischen Wirkung von LAP. Es bereitet so die zukünftige radiotherapeutische Anwendung dieser Strahlengattung vor und verstärkt die Position Deutschlands auf diesem internationalen Forschungsfeld.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Beate Timmermann