En dag kunne specialiserede systemer barrage kræftpatienter med partikler til at levere et komplet kursus med strålebehandling på blot mikrosekunder, antyder ny forskning.
Ved hjælp af en teknik, der kaldes flash-strålebehandling, kunne læger udrydde tumorer i en brøkdel af tiden og til en brøkdel af omkostningerne ved traditionel strålebehandling - i det mindste i teorien. Indtil videre har lynhurtig teknik ikke været udsat for formelle kliniske forsøg på humane patienter, selv om en mand modtog den eksperimentelle behandling, rapporterede forskere i oktober 2019 i tidsskriftet Radiotherapy and Oncology. Nu har en ny musestudie, der blev offentliggjort 9. januar i International Journal of Radiation Oncology, Biology and Physics, yderligere demonstreret løftet om denne kræftterapi.
"Det har den samme tumorstyringshastighed, men signifikant mindre effekt på normalt væv," sagde medforfatter til undersøgelse Dr. Keith Cengel, lektor i strålingsonkologi på Hospitalet ved University of Pennsylvania.
Med andre ord ser flashteknikken ud til at dræbe tumorceller, mens man skåner sunde væv. Teknikken fungerer ved at bombardere tumorstedet med en stabil strøm af partikler, normalt lette partikler, kaldet fotoner, eller negativt ladede elektroner. Nu har Cengel og hans kolleger kastet en anden partikel i blandingen: den positivt ladede proton.
"Det er unikt i den forstand, at ... det aldrig er blevet gjort," sagde Marie-Catherine Vozenin, leder af strålingsonkologi-laboratoriet på Lausanne Universitetshospital i Schweiz, som ikke var involveret i undersøgelsen. Det er ikke at sige, at indsættelse af protoner til bekæmpelse af kræftceller nødvendigvis er en bedre strategi end at bruge fotoner eller elektroner, tilføjede hun. "Alle disse forskellige strategier har nogle fordele og ulemper."
Når det er sagt, kan hver partikel være unikt egnet til at målrette mod bestemte tumortyper i specifikke pletter i kroppen, hvilket betyder, at protoner kan tilbyde den bedste behandlingsmulighed for nogle patienter, sagde Cengel.
Timing er nøglen
Navnet "flash" henviser ganske enkelt til den ultrahastige hastighed, hvormed teknikken leverer stråling til målvæv. Flash pummels celler med den samme samlede stråling som eksisterende behandlinger gør, men snarere end at administrere dosis over flere uger i minutter lange sessioner, varer hele behandlingen kun tiendedele af et sekund, sagde Vozenin.
"Hvis vi kan gå til hundrededele af et sekund, er det endnu bedre," tilføjede hun.
Hastigheden gør hele forskellen. Ved konventionel strålebehandling kan en patient gennemgå snesevis af behandlingssessioner, i hvilket tidsrum sundt væv kan blive beskadiget længe inden tumorcellerne omkommer. Men når den samme stråledosis leveres hurtigere som ved flash, forbliver sunde væv ubeskadiget. Præcis hvorfor det sker, forbliver et mysterium.
”Det er spørgsmålet om millioner dollars ... vi arbejder hårdt for at prøve at forstå det,” sagde Vozenin. Forskning antyder, at den flydende burst af stråling kan forårsage en dukkert i niveauer af ilt i det sunde væv, som typisk indeholder langt mere ilt end kræftceller. Tumorer modstår traditionel strålebehandling delvis takket være deres mangel på ilt, så den midlertidige virkning, som flashen tilskynder til, kan styrke sunde celler mod skader samt reducere produktionen af skadelige frie radikaler, ifølge en rapport fra 2019 i tidsskriftet Clinical Oncology.
Men dette bevis forklarer ikke, hvorfor kræftceller reagerer anderledes end raske celler på behandlingen; Flere mekanismer er sandsynligvis ved spil, sagde Vozenin.
Uanset hvorfor det virker, virker flashstråling lovende i forundersøgelser, skønt teknikken har begrænsninger. Fotoner kan bruges til at målrette tumorer i kroppen, men maskinerne, der skyder partiklerne, kan endnu ikke skyde hurtigt nok til at opnå den nødvendige dosis. Elektroner med høj energi kan trænge ind i væv for at nå dybe siddende tumorer, men er teknologisk vanskelige at generere. Elektroner med lav energi tilbyder en anden mulighed, men disse kan gennemtrænges kun ca. 5 cm til 6 centimeter kød, siger Cengel.
Mens elektroner med lav energi kan tage sig af overfladiske tumorer, teoretiserede Cengel og hans kolleger, at protoner kan være bedre egnet til at målrette kræftceller placeret dybere i kroppen. For at teste deres idé, var de nødt til at bygge de rigtige værktøjer til jobbet.
Sæt på prøve
Holdet brugte en eksisterende protonaccelerator, kendt som en cyclotron, til at køre eksperimenterne, men foretog et antal ændringer. Tricket var at øge hastigheden, hvormed protonerne kunne affyres fra maskinen, mens de også udviklede strategier til at overvåge, hvor protonerne landede, og i hvilken mængde. Med denne infrastruktur på plads, kunne teamet bedre styre strømmen af protoner, der strømmer fra cyclotronen, "slags som en vandhane, som du kan tænde for fuld sprængning eller dryp," sagde Cengel.
Holdet rettede derefter sin cyclotron mod modelmus. Inducerede tumorer voksede i dyrenes bugspytkirtler og langs deres øvre tarme, så forskerne sendte en enkelt stråleimpuls gennem gnavernes bughulrum. Blitzen varede mellem 100 og 200 millisekunder, og ved at samle mange protonstråler langs hinanden, ligesom ukokt spaghetti i et stramt rør, ramte holdet hele bughulen i et skud.
Som forventet stimulerede behandlingen tumorvækst og ardannelse i væv, der typisk skyldes kræft, mens det nærliggende sunde væv efterlades. "Dette er det første ubestridelige bevis for en" flash "-effekt in vivo med tyndtarmen som et mål ved hjælp af protoner i stedet for fotoner eller ... elektroner," siger Vincent Favaudon, en forskningsdirektør ved Institut Curie i Paris, som ikke var involveret i undersøgelse, fortalte Live Science i en e-mail.
Mens den var vellykket, blev undersøgelsen udført i mus, "og i små mængder, hvilket ikke er tilfældet hos patienter," sagde Vozenin. Med andre ord, i sin nuværende form, kan proton-flash-teknikken kun behandle et lille vævsområde på én gang. Teknikken skal opskaleres markant, inden den er klar til at blive testet i større dyr og til sidst mennesker, sagde hun.
"Den største begrænsning ligger i dosisraten," tilføjede Favaudon. Forskning antyder, at sunde væv begynder at blive påført skader, hvis de udsættes for flashstråling i mere end 100 millisekunder, sagde han. "Det er altid bedre at levere dosis i en enkelt mikrosekundpuls. Så udfordringen er at øge dosishastigheden med en faktor på to til fem eller endda mere."
Cengel og hans kolleger planlægger at fortsætte med at optimere deres værktøjer og teknikker, mens de arbejder for at bestemme, hvilken dosishastighed der giver den mest terapeutiske fordel. På denne måde gennemførte holdet et klinisk forsøg af sortering, men med dyr som de indledende forsøgspersoner. I mellemtiden lancerer Vozenin og hendes kolleger snart de første kliniske forsøg på humane patienter for at teste deres egne flashteknikker. Ved hjælp af elektroner med lav energi har de til formål at behandle overfladiske tumorer, såsom dem, der ses i hudkræft.
"Hvis vi kan validere flash-konceptet i stort volumen og i kliniske applikationer, vil det sandsynligvis ændre al strålebehandling," sagde Vozenin. Hun sagde, at hun forventer, at en eller anden version af flashstråling muligvis er bredt tilgængelig for kræftpatienter inden for de næste 10 år. Favaudon sagde, at behandlinger, der er målrettet overfladetumorer, såvel som dem, der udsættes ved operation, kunne være klar inden for to år. Teknikker, der bruger højenergi-elektroner og protonstråler, kunne være klar inden for fem til 10 år, sagde han.
Hvis man antager, at blitz vender vejen for rigtige menneskelige patienter, kunne teknikken give lægerne mulighed for at målrette tumorer, der engang trodsede behandling med stråling, sagde Cengel.
”Vi kunne bogstaveligt talt behandle ting, der ikke er muligt at behandle og helbrede mennesker, der ikke er muligt at helbrede,” sagde han. "Det er klart, stort korn salt på alt det."
