Stworzą technologię zwiększającą skuteczność radioterapii nowotworów i innych chorób | FTiMS - Politechnika Gdańska

– Sukces radioterapii nowej generacji, która coraz powszechniej będzie używała protonów oraz cięższych cząstek jonizujących, wykazujących większą skuteczność biologiczną od najczęściej obecnie używanych fotonów rentgenowskich lub gamma, zależy w dużej mierze od zdolności do szybkiego i dokładnego pomiaru rozkładów przestrzennych dawek oraz innych istotnych parametrów. Zachodzi więc potrzeba, i jest to cel naszych badań, opracowania nowego typu dozymetrów-fantomów żelowych (symulujących tkanki ludzkie), uwzględniających zróżnicowanie w zależności od rodzaju promieniowania oraz rodzaju tkanki, np. mózgowej, mięśniowej, płucnej – mówi dr inż.  Marek Maryański, prof. PG z Instytutu Nanotechnologii i Inżynierii Materiałowej na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, dodając, że wstępne wyniki badań dają nadzieję, że metoda weryfikacji precyzji naświetlań, nad którą pracuje jego zespół ma bardzo duże szanse powodzenia i wejdzie do klinik na całym świecie.

– Już w ubiegłym roku, wraz z partnerami klinicznymi, opublikowaliśmy dowody testowe na to, że nasza metoda potrafi wykryć błędy przesunięcia „chmury dawki” nawet o 0,5 mm. Tak wysoka precyzja ma szczególne znaczenie, np. przy przerzutach nowotworowych w obrębie mózgu, gdzie zmiany potrafią być bardzo małe, liczne, rozsiane. Wystarczy pomylić się o milimetr i zmiana jest już tylko częściowo naświetlona, a zarazem uszkadzamy zdrową tkankę, którą może być np. nerw optyczny, pień mózgu, czy inne organy krytyczne – podkreśla prof. Maryański.

Studenci badają właściwości nowych dozymetrów żelowych

W projekt (w ramach grantów RADIUM) zaangażowane są magistrantki specjalności fizyka medyczna na kierunku inżynieria biomedyczna, którą koordynuje dr Brygida Mielewska, prof. PG, prodziekan ds. kształcenia na WFTiMS.

Marta Cichacka modeluje i bada mechanizmy nanostrukturalne odpowiedzi radiochromicznej dozymetrów żelowych pod wpływem promieniowania (próbki już latem mają być naświetlane m.in. wiązkami jonów helu i węgla na Uniwersytecie w Heidelbergu oraz neutronami w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku). Sylwia Szczepańska analizuje dokładność metody pomiaru najważniejszych parametrów dozymetrycznych w terapii protonowej (zespół współpracuje w tym zakresie z Instytutem Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie oraz z wiodącymi ośrodkami terapii protonowej na świecie). Natomiast Julia Leszczyńska analizuje możliwe metody skrócenia czasu skanu naświetlonych żeli w tomografie laserowym, który jest w tej chwili w stadium budowy w pracowni na wydziale.

– Tomograf, który budujemy jest wystarczająco dokładny, ale wciąż zbyt powolny. Skanowanie kuli wielkości ludzkiej głowy ze zdolnością rozdzielczą ok. 1 mm zajmuje ok. 45 minut. Ambitnym celem jest skrócenie tego czasu do 2-5 minut, co ma ogromne znaczenie, jeśli myślimy o wprowadzeniu urządzenia do klinik – podkreśla prof. Maryański.

Z kolei, studentki Marta Cichacka, Julia Krzemińska, Anna Kusznerczuk i Klaudia Prusik (w ramach grantu TECHNETIUM) będą badały fizyczne właściwości dozymetru, szukając odpowiedzi na pytania, które są krytyczne dla zastosowań, np. dotyczące warunków przechowywania, czułości, właściwości optycznych i mechanicznych.

Ponadto, (w ramach grantu PLUTONIUM, którego wnioskodawcą była prof. Mielewska) grupa 15 studentów z koła naukowego BioPhoton weźmie udział we wstępnej integracji całego układu pomiarowego, złożonego z dozymetrycznych fantomów żelowych, tomografu laserowego oraz oprogramowania sterującego skanem, rekonstruującego obraz 3D, porównującego dane pomiarowe z planem leczenia oraz generującego zwięzły raport końcowy dla fizyków medycznych odpowiedzialnych za dokładność naświetlań pacjentów w klinikach onkologii radiacyjnej.

Czytaj także: Dofinansowanie MEiN na studencki projekt „Innowacje w trójwymiarowej dozymetrii żelowej dla radioterapii protonowej chorób nowotworowych”

Współpraca z wiodącymi ośrodkami na świecie

W planach (w ramach grantu AURUM) jest utworzenie międzynarodowego konsorcjum (Polska, USA, Belgia) skupionego na dwóch nurtach nowoczesnej terapii protonowej: FLASH therapy oraz ARC-proton therapy.

Pierwsza z nich, to terapia umożliwiająca precyzyjne dostarczenie całej dawki terapeutycznej w skrajnie krótkim czasie, rzędu 0,1 sek. Zespół badawczy z PG współpracuje w zakresie tej techniki z pionierskim ośrodkiem University of Pennsylvania w Filadelfii (USA).  

– Druga technika, ARC-proton therapy to zastosowanie metody precyzyjnie kontrolowanego obrotu źródła wiązki promieniowania wokół obszaru nowotworu w celu jak najlepszego dopasowania „chmury dawki” do kształtu zmiany nowotworowej. Jest to w radioterapii protonowej metoda eksperymentalna i jedyny szpital na świecie, gdzie funkcjonuje prototyp urządzenia to William Beaumont Hospital w Michigan (USA), z którym współpracujemy. Niedawno wysłaliśmy tam pierwsze próbki do naświetlania – mówi prof. Maryański.

Trzecim ośrodkiem partnerskim jest Université Catholique de Louvain (UCL) w Belgii, który sąsiaduje i ściśle współpracuje z firmą Ion Beam Applications (IBA), pionierem i światowym liderem w zakresie produkcji cyklotronów do terapii protonowej.

Zespół prof. Maryańskiego współpracuje także z krajowymi partnerami klinicznymi: Zakładem Fizyki Medycznej na Oddziale Onkologii i Radioterapii Uniwersyteckiego Centrum Klinicznego w Gdańsku, z Centrum Onkologii w Bydgoszczy oraz jedyną w Polsce kliniką terapii protonowej przy Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Bronowicach koło Krakowa.

Asystentami prof. Maryańskiego w projekcie są doktoranci mgr inż. Marta Marszewska (fizyka medyczna) oraz mgr inż. Jakub Czubek (nanotechnologia). W analizie milionów danych pomiarowych zespół badawczy wspierają matematycy z wydziału.

Z USA do Gdańska

Prof. Marek Maryański jest twórcą jednej z najbardziej innowacyjnych metod obrazowania rozkładów 3D dawek promieniowania jonizującego w żelach polimerowych symulujących tkanki ludzkie pod względem składu pierwiastkowego i gęstości. Metoda, polegająca na tomografii laserowej przeźroczystych fantomów żelowych (reprezentujących fragment ciała pacjenta), których barwa i gęstość ulegają lokalnym zmianom będących miarą pochłoniętej dawki promieniowania, może znaleźć zastosowanie m.in. w weryfikacji precyzji naświetlań.

Prof. Maryański wrócił na Politechnikę Gdańską (jest absolwentem PG) w ramach pięcioletniego programu „Polskie Powroty” Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej po ponad 30 latach spędzonych na pracy badawczo-rozwojowej w USA. Wcześniej m.in. wykładał w Yale University i był profesorem nadzwyczajnym onkologii radiacyjnej w Centrum Medycznym Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku. Celem naukowym pobytu prof. Maryańskiego na PG jest ukończenie rozwoju technologii dozymetrii HD 3D do zastosowań klinicznych w radioterapii hadronowej. W plan badań realizowanych w ramach programu Polskie Powroty wpisują się projekty z grantów IDUB.

High-Definition 3D Dosimetry and Quality Assurance for Boron-Neutron Capture Therapy Clinics, 99 980 zł

Charakterystyka klastrów polimerów indukowanych wiązkami ciężkich jonów w dozymetrach polimerowo-żelowych, 24 000 zł

Analiza dokładności pomiaru rozkładu przestrzennego dawki głębokiej oraz LET w terapii protonowej metodą transmisyjnej tomografii laserowej polimerowo-żelowych
fantomów dozymetrycznych, 24 000 zł

Prototypowa metoda skrócenia czasu skanowania w transmisyjnej tomografii laserowej dla trójwymiarowej dozymetrii żelowej w radioterapii, 24 000 zł

Laser CT Scanning of Polymer Gel Dosimeters for High-Definition 3D Quality Assurance in Advanced Proton Therapy of Cancer: Arc-PT and FLASH, 499 999 zł

Wstępne badanie i modyfikacje właściwości fizycznych oraz odpowiedzi radiochromicznej fantomów-dozymetrów polimerowo-żelowych w polach wiązek fotonów i hadronów, 24 999, 70 zł

Wstępna integracja wyrobu medycznego: laserowa tomografia komputerowa fantomów żelowych w dozymetrii i weryfikacji jakości leczenia w radiochirurgii i radioterapii fotonowej i hadronowej, 165 600 zł

Wymienione projekty realizowane są w ramach Centrum BioTechMed.

Zobacz inne artykuły o projektach w ramach IDUB

Skuteczna dezynfekcja pomieszczeń dzięki prostemu systemowi wirusobójczemu

„Design-for-safety" – bezpieczny transport morski

Bioaktywne szkła – w poszukiwaniu syntetycznych alternatyw

Poszukują związków, które pomogą opracować nowy lek na COVID-19 w ramach IDUB