Stworzą technologię zwiększającą skuteczność radioterapii nowotworów i innych chorób

Prof. Marek Maryański jest twórcą jednej z najbardziej innowacyjnych metod obrazowania rozkładów 3D dawek promieniowania jonizującego w fantomach żelowych, która może mieć zastosowanie m.in. w radioterapii chorób nowotworowych. Obecnie, wraz z zespołem naukowców i studentów Politechniki Gdańskiej, pracuje nad metodologią oraz technologią poprawiającą efektywność radioterapii hadronowej. Celem badań jest wypracowanie nowych rozwiązań dla klinik onkologicznych na całym świecie.

– 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 programu IDUB 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 w opisane powyżej projekty z grantów IDUB.