Mithilfe einer neuen Bildgebungs- und Detektortechnologie will Protonica, ein Start-up-Unternehmen der EPFL und des CSEM, die Protonentherapie - eine sehr präzise Krebsbehandlung - effizienter und schneller machen und so die Kosten senken.
Die Protonentherapie, eine Form der Strahlentherapie, bei der Protonen statt Röntgenstrahlen eingesetzt werden, ist für ihre Fähigkeit bekannt, Tumore im Inneren des menschlichen Körpers mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich anzusteuern und gleichzeitig das umliegende gesunde Gewebe zu schonen, wodurch das Risiko von Nebenwirkungen und der Entwicklung eines zweiten Krebses verringert wird. Trotz ihrer Vorteile - insbesondere bei pädiatrischen Tumoren oder Tumoren in der Nähe empfindlicher Organe - ist die Einführung dieser Technologie durch eine starke Trägheit gekennzeichnet, die auf die hohen Investitionen, die Empfindlichkeit der Geräte sowie auf das Fachwissen und die noch begrenzten erstattungsfähigen Indikationen zurückzuführen ist. In der Schweiz erhalten jährlich nur eine Handvoll Menschen Zugang zu dieser Therapie, die am Paul Scherrer Institut (PSI) zentralisiert ist. Protonica, ein Spin-off der EPFL und des CSEM, entwickelt ein System zur Kontrolle des Protonenstrahls, das Präzision und Schnelligkeit kombiniert und gleichzeitig einen wettbewerbsfähigen Preis bietet, mit dem Ziel, die Anwendung dieser Technik zu beschleunigen. Das Unternehmen will die Einführung der FLASH-Technologie, eines neuen Behandlungsprotokolls mit ultraschneller, sehr intensiver Bestrahlung, nutzen, um sein Gerät durchzusetzen, da es von entscheidender Bedeutung sein wird.
Unsere Technologie optimiert gleichzeitig die räumliche und zeitliche Auflösung und die Empfindlichkeit und ist so konzipiert, dass sie leicht ausgetauscht werden kann, wenn der Detektor durch die Strahlung beschädigt wird, wodurch Ausfallzeiten reduziert und die Betriebskosten optimiert werden.
Benoit Truc, Mitbegründer von Protonica
Genauere Messungen, die eine Überprüfung in Echtzeit ermöglichen
Bei der heutigen Protonentherapie wird das Tumorgewebe mit einem Protonenstrahl bestrahlt. Diese geladenen Teilchen haben den Vorteil, dass sie ihre maximale Dosis genau innerhalb des Tumors freisetzen. Sie werden sehr gezielt durch einen sehr feinen Strahl freigesetzt, der den Tumor Punkt für Punkt und Schicht für Schicht abtastet. Ein Teilchenbeschleuniger, dessen Grösse umgekehrt proportional zu den Teilchen ist, die er freisetzt, erzeugt hochenergetische Protonen, die bis zu 60% der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Der Strahl wird von Magneten durch Vakuumleitungen in den Behandlungsraum geleitet. Um die Qualität und Sicherheit der Bestrahlung zu gewährleisten, werden zwei Überwachungssysteme parallel mobilisiert. Eines ist für die Diagnose des Strahls zuständig: Es überwacht den Zustand und die Leistung des Beschleunigers. Das andere System überwacht und passt die Strahlendosis an, kurz bevor sie den Patienten erreicht. Auf diesen beiden Kontrollebenen setzt das Start-up-Unternehmen an.
Die Instrumente messen die Position, die Form und die Intensität des Strahls, indem sie ihn durch ein spezielles Gitter leiten, das ein Raster ermöglicht, das seine Eigenschaften extrahiert. "Die heutigen Detektoren schaffen es nicht, eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung mit einer hohen Empfindlichkeit zu kombinieren, wodurch die Fähigkeiten des Strahls eingeschränkt werden. Unsere Technologie optimiert beides und ist gleichzeitig so konzipiert, dass sie leicht ausgetauscht werden kann, wenn der Detektor durch Strahlung beschädigt wird, wodurch Ausfallzeiten verringert und die Betriebskosten optimiert werden", erklärt Benoit Truc, der zusammen mit Veronica Leccese und Michele Caldara Mitbegründer von Protonica ist.
Die entwickelte Technologie wird an den Anlagen des PSI sowie am CNAO (Nationales Zentrum für onkologische Hadrontherapie), dem italienischen Pendant, getestet. Sie beruht auf einem Detektor aus glitzerndem Harz, der in extrem feinen Kanälen mikrostrukturiert ist und winzige Lichtblitze erzeugt, wenn er von Protonen durchdrungen wird. Ein Elektroniksystem wandelt diese Signale in Verbindung mit speziellen Algorithmen in beispiellos genaue und schnelle Informationen über den Strahl um, wie z. B. seine Form und Position. "Die mikrometrische Struktur des Detektors bietet eine 3- bis 10-mal höhere räumliche Auflösung als bestehende Lösungen sowie eine 4000- bis 10.000-mal schnellere Überwachungsrate, die bis zu 4000 Erfassungen pro Sekunde ermöglicht", betont der Mitbegründer.
Ein grosser Vorteil für die FLASH-Technologie
Wissenschaftler aus mehreren Schweizer Institutionen und Krankenhäusern testen derzeit die FLASH-Technik, die sich bei der Oberflächenbehandlung mit Elektronen bewährt hat, aber auch die Behandlung von Tumoren im Inneren des menschlichen Körpers mithilfe von Protonen erleichtern könnte. Diese experimentelle Modalität zielt darauf ab, eine extrem hohe Strahlendosis in einem einzigen Blitz abzugeben. Anstelle von wochenlangen Sitzungen könnte ein Patient in nur ein bis fünf Terminen behandelt werden. Das PSI und das CNAO erforschen derzeit die physikalischen, biologischen und technischen Aspekte, bevor dieser Ansatz zu einer klinischen Behandlung werden kann, die nicht nur den Komfort der Patienten, sondern auch die Effizienz der Gesundheitszentren verbessern könnte. Das Echtzeit-Erkennungssystem von Protonica könnte zu einem wichtigen Bindeglied des Geräts werden. Benoît Truc meint: "Mit dem Aufkommen der FLASH-Therapie wird die schnelle Beurteilung von Intensität, Form und Richtung des Strahls zentral".
Das Gerät des Start-up-Unternehmens hat noch einen weiteren Vorteil: Ihr elektronisches System ist eine Innovation in der Welt der Detektoren. Es basiert auf Mikrocontrollern und ist in der Lage, die Komplexität der Integration und die Kosten drastisch zu senken, während es gleichzeitig eine hervorragende Zuverlässigkeit und hohe Leistung bietet. "Elektronische Systeme sind in der Regel sehr komplex und teuer und bestehen aus mehreren Schichten. Durch den Einsatz von Mikrocontrollern wird diese Architektur vereinfacht, während gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit erhalten bleibt. Obwohl diese Komponenten von Drohnen bis hin zu Haushaltsgeräten allgegenwärtig sind, ist dies eine Premiere für diese Art von Instrument. Durch die Optimierung des Arbeitsablaufs fördern wir die breitere Einführung von Partikeltherapien und machen diese Behandlungen weltweit zugänglicher", schliesst er.
Das Spin-off des Labors für ultraschnelle Mikroskopie und Elektronenstreuung der EPFL und des CSEM, dessen Samen während der Arbeit mehrerer Doktoranden gesät und durch das Know-how der mechanischen Werkstätten unterstützt wurden, hat bereits Aufmerksamkeit erregt. Er hat gerade ein Innosuisse-Stipendium in Höhe von rund 400.000 Franken erhalten, womit sich die erhaltenen Öffentlichen Gelder auf über eine Million belaufen, obwohl er gerade erst sein Jahr als Innogrant der EPFL beendet hat. Das Start-up ist auch Teil des Beschleunigungsprogramms des CSEM, das jedes Jahr nur maximal fünf Start-ups auswählt.
