Biomedizinische Physik in der Radioonkologie

  • Bildgebung und Radioonkologie

Prof. Dr. Joao Seco

Head of Division of Biomedical Physics in Radiation Oncolog

Radiotherapy (RT) plays a key role in the treatment of numerous solid tumors. It involves the precise targeting of high-energy X-ray, electrons or particle beams to localized tumors. Our department focuses on developing new technologies to maximize the benefits of RT. New technologies include physical, medical and biological innovations in radiotherapy, such as the development of FLASH-RT and spatially fractionated RT (SFRT).

Unsere Forschung

Aktuelle Forschungsprioritäten
Die Ultra-High-Dose-Rate-Strahlentherapie (UHDR) oder FLASH-RT ist eine neuartige Technologie, bei der eine ultraschnelle Strahlentherapie mit Dosisraten durchgeführt wird, die um mehrere Größenordnungen höher sind als bei der herkömmlichen Strahlentherapie (CONV) in der klinischen Praxis (FLASH>=40Gy/s und CONV~0,1Gy/s). Die FLASH-Strahlentherapie zeigt eine bemerkenswerte Schonung des normalen Gewebes bei ähnlicher Anti-Tumor-Wirksamkeit, die als FLASH-Effekt“ bezeichnet wird. Der molekulare Mechanismus, der dem FLASH-Effekt zugrunde liegt, ist noch unbekannt. 
Die derzeitigen Forschungsinteressen der Abteilung sind: 1) Untersuchung des Mechanismus hinter dem FLASH-Effekt und der SFRT, 2) Untersuchung des Mechanismus der durch Strahlung ausgelösten DNA-Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS), 3) Entwicklung neuartiger Bildgebungstechnologien zur Verringerung der „Messunsicherheiten“ bei der Positionierung des Bragg-Peaks für die Ionenstrahl-Strahlentherapie unter Verwendung von Heliumstrahl-Bildgebung und zeitnaher Gammaspektroskopie.

Aktuelle Entwicklungen
Untersuchung der Hypothese der Sauerstoffverarmung während der FLASH-RT-Bestrahlung. 

Wir haben durch direkte Messung des Sauerstoffverbrauchs während der Bestrahlung nachgewiesen, dass bei FLASH-Raten (Jansen 2021 [1]) keine Sauerstoffverarmung auftritt. Es zeigte sich, dass der Sauerstoffverbrauch bei hohen Dosisleistungen geringer ist, was der Sauerstoffverarmungshypothese widerspricht.  

Bewertung der Dosisleistungsabhängigkeit des FLASH-Effekts
In einer Folgestudie, die im Medical Physics Journal (Zhang 2024 [2]) veröffentlicht wurde, konnten wir zeigen, dass die Dosisleistungsabhängigkeit des FLASH-Effekts mit der Rivalität zwischen dem solvatisierten Elektron (eaq) und dem Hydroxylradikal (OH) zusammenhängt. Die derzeitige Forschung konzentriert sich auf das Verständnis des Mechanismus, durch den FLASH gesunde Zellen vor Strahlungseffekten schützt 

Untersuchung des Mechanismus, durch den die räumlich fraktionierte Strahlentherapie (SFRT) eine hohe Tumorkontrolle erreicht. 
Wir stellen die These auf, dass Wasserstoffperoxid (H2O2) eine indirekte Schätzung der Wirksamkeit der SFRT liefern könnte (Dal Bello 2020 [3], Zhang 2023 [4]). Künftige Tierstudien sollen die Rolle von H2O2 bei der SFRT weiter untersuchen.

Methoden und Technologien
BONEOSCOPY-Technologie in der Partikeltherapie
Im Rahmen des Förderprogramms Pathfinder Open des Europäischen Innovationsrats (EIC) wird eine neuartige Technologie für die spektroskopische In-vivo-Analyse von Gewebe während der Partikelstrahltherapie entwickelt. Metastasierender Knochenkrebs ist eine unheilbare Krankheit und eine der am schwierigsten zu behandelnden Krebsarten. Aufgrund der hohen Dosis wird die Tumorbildgebung derzeit zu Beginn und am Ende der Standard-Partikelstrahlentherapie (PRT) durchgeführt, was eine personalisierte Behandlung erschwert. Das Hauptziel des Projekts Pathfinder Open: BoneOscopy ist die Entwicklung einer grundlegend neuen Technologie, die durch die tägliche Überwachung von Knochenkrebs während der PRT fundierte medizinische Entscheidungen ermöglicht. (https://accelopment.com/projects/boneoscopy/)

IFIGENIA-Technologie in der Nuklearmedizin und molekularen Bildgebung
Nuklearmedizin und molekulare Bildgebung werden in großem Umfang zur Diagnose und Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt, darunter Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Hirnerkrankungen wie Alzheimer und Parkinson. Die Zahl der nuklearmedizinischen Verfahren in Europa ist jedoch deutlich geringer, da den meisten europäischen Ländern die für die Herstellung der Radioisotope erforderliche Spezialausrüstung fehlt. Im Rahmen der Horizon European Research Executive Agency (REA) wurde der Aufbau eines Exzellenzzentrums (Excellence Hub) in Südosteuropa (Griechenland, Slowenien, Bosnien und Herzegowina und Zypern) gefördert, um einen neuartigen Beschleuniger zu entwickeln, der eine Produktionsplattform für ein breites Spektrum von Radioisotopen sichern soll, in Kooperation mit DKFZ (Seco and Benesova Labs), CERN (Papaphilippou Lab) und GSI. Ein LINear ACcelerator (LINAC) bietet eine kompakte, kostengünstige und umweltfreundliche Option, die in unmittelbarer Nähe von Krankenhäusern aufgestellt werden kann. Dank der genauen Abstimmbarkeit von LINACs können Energieniveaus, Ströme und Ziele angepasst werden, was die Herstellung einer breiten Palette von Radioisotopen ermöglicht. Eine ähnliche Anlage mit der Bezeichnung NUSANO[5]wird derzeit in West Valley City, Utah, USA, gebaut und soll 2025 in Betrieb genommen werden. Das neuartige Center of Excellence trägt den Namen „IFIGENIA“. 

 

Biomedizinische Physik in der Radioonkologie - Gruppenbild

FLASH 2024 Workshop Gruppenbild

Team

Kurzer Beschreibungstext zur Vorstellung der Teammitglieder.

  • Prof. Dr. Joao Seco

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  • Mariana Bras

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  • Ben Brückner

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  • Sandra Casula

    Administrative Assistant for Divisions E041, E270 and E280

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  • Ruirui Dong

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  • Niklas Jung

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  • Joana Leitao

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  • Dr. Styliani Logotheti

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  • Lukas Martin

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  • Hugo Filipe Meles Freitas

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  • Miguel Molina-Hernandez

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  • Dr. Francesca Pagliari

    Deputy Head of Division of Biomedical Physics in Radiation Oncology

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  • Mats Stauske

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  • Chiara Tagliavini

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  • Elpida Theodoridou

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  • Man Leong Wong

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Projekte

BONEOSCOPY: Novel In-vivo Spectroscopy Analysis Technology for Particle Therapy

A novel technology for in vivo spectroscopic analysis of tissue during particle beam therapy is being developed as part of the European Innovation Council's (EIC) Pathfinder Open funding program. Metastatic bone cancer is an incurable disease and one of the most complex cancers to treat. Due to the high dose, tumor imaging is currently performed at the beginning and end of standard particle radiation therapy (PRT), making personalized treatment difficult. The primary goal of the Pathfinder Open: BoneOscopy project is to develop a radically new technology to enable informed medical decisions by monitoring bone cancer on a daily basis during PRT. (https://accelopment.com/projects/boneoscopy/)

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