Op een dag zouden gespecialiseerde systemen kankerpatiënten met deeltjes kunnen versperren om in slechts enkele microseconden een volledige kuur met radiotherapie te geven, suggereert nieuw onderzoek.
Met behulp van een opkomende techniek die bekend staat als flash-radiotherapie, konden artsen tumoren in een fractie van de tijd en tegen een fractie van de kosten van traditionele radiotherapie uitroeien - althans in theorie. Tot nu toe is de bliksemsnelle techniek nog niet geconfronteerd met formele klinische proeven bij menselijke patiënten, hoewel één man de experimentele behandeling ontving, rapporteerden onderzoekers in oktober 2019 in het tijdschrift Radiotherapie en Oncologie. Nu heeft een nieuwe muisstudie, gepubliceerd op 9 januari in het International Journal of Radiation Oncology, Biology and Physics, de belofte van deze kankertherapie verder aangetoond.
"Het heeft dezelfde tumorcontrolesnelheid, maar significant minder effect op normaal weefsel", zegt co-auteur Dr. Keith Cengel, universitair hoofddocent stralingsoncologie aan het ziekenhuis van de Universiteit van Pennsylvania.
Met andere woorden, de flash-techniek lijkt tumorcellen te doden terwijl gezonde weefsels worden gespaard. De techniek werkt door de tumorplaats te bombarderen met een gestage stroom deeltjes, meestal lichte deeltjes, fotonen genaamd, of negatief geladen elektronen. Nu hebben Cengel en zijn collega's nog een deeltje in de mix gegooid: het positief geladen proton.
'Het is uniek in die zin dat ... het nooit is gedaan', zegt Marie-Catherine Vozenin, hoofd van het laboratorium voor radiotherapie-oncologie in het Lausanne Universitair Ziekenhuis in Zwitserland, die niet bij het onderzoek betrokken was. Dat wil niet zeggen dat het inzetten van protonen om kankercellen te bestrijden noodzakelijkerwijs een betere strategie is dan het gebruik van fotonen of elektronen, voegde ze eraan toe. 'Al deze verschillende strategieën hebben een aantal voor- en nadelen.'
Dat gezegd hebbende, kan elk deeltje bij uitstek geschikt zijn om bepaalde tumortypen op specifieke plekken in het lichaam te targeten, wat betekent dat protonen voor sommige patiënten de beste behandelingsoptie kunnen zijn, zei Cengel.
Timing is de sleutel
De naam "flash" verwijst simpelweg naar de ultrasnelle snelheid waarmee de techniek straling aan doelweefsels afgeeft. Flash pummelt cellen met dezelfde totale hoeveelheid straling als bestaande therapieën, maar in plaats van de dosis gedurende meerdere weken in minutenlange sessies toe te dienen, duurt de hele behandeling slechts tienden van een seconde, zei Vozenin.
'Als we honderdsten van een seconde kunnen halen, is dat nog beter', voegde ze eraan toe.
De snelheid maakt het verschil. Bij conventionele bestralingstherapie kan een patiënt tientallen behandelingen ondergaan, gedurende welke tijd gezonde weefsels beschadigd kunnen raken lang voordat de tumorcellen vergaan. Maar wanneer dezelfde dosis straling sneller wordt afgegeven, zoals bij flits, blijven gezonde weefsels ongedeerd. Precies waarom dat gebeurt, blijft een mysterie.
'Dat is de vraag van een miljoen dollar ... we werken er hard aan om dat te begrijpen', zei Vozenin. Onderzoek suggereert dat de vluchtige uitbarsting van straling een daling van het zuurstofgehalte in de gezonde weefsels kan veroorzaken, die doorgaans veel meer zuurstof bevatten dan kankercellen. Tumoren weerstaan traditionele bestralingstherapie mede dankzij hun gebrek aan zuurstof, dus het tijdelijke effect veroorzaakt door flash kan gezonde cellen versterken tegen schade en de productie van schadelijke vrije radicalen verminderen, volgens een rapport uit 2019 in het tijdschrift Clinical Oncology.
Maar dit bewijs verklaart niet waarom kankercellen anders reageren dan gezonde cellen op de behandeling; er zijn waarschijnlijk meer mechanismen in het spel, zei Vozenin.
Ongeacht waarom het werkt, flitsstraling lijkt veelbelovend in voorstudies, hoewel de techniek beperkingen heeft. Fotonen kunnen worden gebruikt om tumoren door het hele lichaam te richten, maar de machines die de deeltjes afschieten, kunnen nog niet snel genoeg vuren om de benodigde dosis te bereiken. Hoogenergetische elektronen kunnen weefsels binnendringen om diepgewortelde tumoren te bereiken, maar zijn technologisch moeilijk te genereren. Laag-energetische elektronen bieden een andere optie, maar deze kunnen slechts ongeveer 2 inch (5 tot 6 centimeter) vlees doorboren, zei Cengel.
Terwijl laag-energetische elektronen oppervlakkige tumoren kunnen behandelen, theoretiseerden Cengel en zijn collega's dat protonen beter geschikt zijn om kankercellen dieper in het lichaam aan te vallen aan te pakken. Om hun idee te testen, moesten ze de juiste tools voor de klus bouwen.
Op de proef gesteld
Het team gebruikte een bestaande protonversneller, bekend als een cyclotron, om de experimenten uit te voeren, maar bracht een aantal wijzigingen aan. De truc was om de snelheid te verhogen waarmee de protonen uit de machine konden worden geschoten en tegelijkertijd strategieën te ontwikkelen om te controleren waar de protonen landden en in welke hoeveelheid. Met deze infrastructuur op zijn plaats, zou het team de stroom van protonen die uit de cyclotron stromen, beter kunnen beheersen, 'een soort kraan die je op volle toeren kunt laten draaien of druppelen', zei Cengel.
Vervolgens richtte het team zijn cyclotron op modelmuizen. Geïnduceerde tumoren groeiden in de alvleesklier van de dieren en langs hun bovenste darmen, dus stuurden de onderzoekers een enkele stralingspuls door de buikholtes van de knaagdieren. De flits duurde tussen de 100 en 200 milliseconden en door veel protonenbundels naast elkaar te plaatsen, zoals ongekookte spaghetti in een strakke buis, sloeg het team de hele buikholte in één keer.
Zoals verwacht belemmerde de behandeling de tumorgroei en de weefsellittekens die typisch het gevolg zijn van kanker, terwijl het nabijgelegen gezonde weefsel ongedeerd blijft. "Dit is het eerste onweerlegbare bewijs van een 'flits'-effect in vivo met de dunne darm als doelwit met protonen in plaats van fotonen of ... elektronen', Vincent Favaudon, onderzoeksdirecteur bij het Institut Curie in Parijs, die niet betrokken was bij de studie, vertelde WordsSideKick.com in een e-mail.
Hoewel succesvol, werd het onderzoek uitgevoerd bij muizen "en in kleine hoeveelheden, wat niet het geval is bij patiënten", zei Vozenin. Met andere woorden, in zijn huidige vorm kan de protonflitstechniek slechts een klein stukje weefsel tegelijk behandelen. De techniek zal aanzienlijk moeten worden opgeschaald voordat deze kan worden getest bij grotere dieren en uiteindelijk bij mensen, zei ze.
'De belangrijkste beperking ligt in de dosering,' voegde Favaudon eraan toe. Onderzoek suggereert dat gezonde weefsels schade beginnen op te lopen als ze gedurende meer dan 100 milliseconden worden blootgesteld aan flitsstraling, zei hij. "Het toedienen van de dosis met een puls van één microseconde is altijd beter. Het is dus een uitdaging om de dosis te verhogen met een factor twee tot vijf of zelfs meer."
Cengel en zijn collega's zijn van plan hun tools en technieken te blijven optimaliseren terwijl ze aan het werk zijn om te bepalen welk doseringspercentage het meest therapeutische voordeel oplevert. Op deze manier zou het team een soort klinische proef uitvoeren, maar met dieren als eerste proefpersonen. Ondertussen starten Vozenin en haar collega's binnenkort met de eerste klinische proeven bij menselijke patiënten om hun eigen flitstechnieken te testen. Met behulp van energiezuinige elektronen willen ze oppervlakkige tumoren behandelen, zoals die bij huidkankers worden gezien.
"Als we het flitsconcept in grote hoeveelheden en in klinische toepassingen kunnen valideren, zal het waarschijnlijk alle radiotherapie veranderen," zei Vozenin. Ze zei dat ze verwacht dat een of andere versie van flitsstraling de komende 10 jaar algemeen beschikbaar zal zijn voor kankerpatiënten. Favaudon zei dat behandelingen die gericht zijn op oppervlaktetumoren, evenals behandelingen die worden geopereerd, binnen twee jaar klaar kunnen zijn. Technieken met hoogenergetische elektronen en protonenbundels zouden binnen vijf tot tien jaar klaar kunnen zijn, zei hij.
Ervan uitgaande dat flits de weg naar echte menselijke patiënten doorstaat, zou de techniek artsen in staat kunnen stellen tumoren te richten die ooit de behandeling met straling trotseerden, zei Cengel.
"We zouden letterlijk dingen kunnen behandelen die niet mogelijk zijn om mensen te behandelen en te genezen die niet kunnen worden genezen", zei hij. 'Het is duidelijk dat er een grote korrel zout op zit.'
