Nichtklinische Forschung von MedAustron = MedAustron - Research Dr. Ingeborg Zeh PEG MedAustron GmbH Scientific Coordinator 25. Juni 2009

3 Forschungsbereiche Aufgabe der PEG MedAustron Dr. Ingeborg Zeh Juni 2008 3 Forschungsbereiche Medizinische Strahlenphysik umfasst therapeutische und diagnostische Anwendung von ionisierenden Strahlen Strahlenbiologie untersucht die Wirkungen radioaktiver Strahlen in biologischen Systemen Experimentalphysik Schwerpunkte liegen in den Bereichen Kern- und Teilchenphysik, Materialforschung, sowie der Ausbildung von Studenten und jungen Forschern. Aufgabe der PEG MedAustron Infrastruktur und Betrieb für diese 3 Forschungsbereiche vorbereiten. I. Zeh

(MedAustron-Research) Eingang Personal Eingang Therapiezentrum Forschung (MedAustron-Research) Therapie Injektorhalle 4 Ionenquellen Vorbe-schleuniger Synchrotron Linac Med. Bestrahlungs-raum 1 Bestrahlungs- NKF- raum Med. Bestrahlungs-raum 2 Bestrahlungs- Med. raum 3 Extraktionslinie MedAustron - Erdgeschoss I. Zeh

Forschungsbereich Büros Büros Hauptlabor Betonmantel Zellkultur I. Zeh 2 Ruhe räume Büros Büros Büro Teeküche Aufenthaltsraum Drucker Besprechungsraum Zellkultur Drucker PC-Raum Hauptlabor Chemie-labor 2 Lager-räume Lagerraum Vor- bereit-ungs- raum Dosimetrielabor Gas lager Kontroll-raum Forschungsbereich Betonmantel Bestrahlungs- NKF- raum Abklingraum I. Zeh

MedAustron - Untergeschoss Clean Workshop/Lab Mechanische Werkstätte Elektr. labor RF- Labor Büros Lager Exp. physik MedAustron - Untergeschoss I. Zeh

Strahlenenergie Protonen Kohlenstoffionen Strahlenergie (min – max) MeV 60 – 800 Strahlintensität Protonen pro Spill 1 × 1010 Kohlenstoffionen MeV/u 120 – 400 Ionen pro Spill 4 × 108 Eventuell zusätzliche Ionen: Helium, Sauerstoff I. Zeh

Wochen- endtag, Feiertag Vorläufiger Strahlbetriebsplan Stunden Arbeits-tag Stunden/ Wochen- endtag, Feiertag Stunden/Jahr Klinischer Betrieb 16 von 6 – 22 Uhr 3680 Nicht-klinische Forschung 8 von 22 – 6 Uhr 24 von 0 – 24 Uhr 3936 Wartungszeiten 376 Stillstandszeiten 768 Gesamt 8760 I. Zeh

Welche Forschungsthemen sind im MedAustron-Research möglich? Weißbuch Physik „Physics Opportunities at MedAustron“ CERN: M. Benedikt Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik, ÖAW: E.Widmann, P.Kienle, J.Marton Institut für Hochenergiephysik, ÖAW: M.Krammer Institut für Allgemeine Physik, TU-Wien: F.Aumayr Atominstitut der österreichischen Universitäten: G.Badurek, M.Hajek, E.Jericha, H.Leeb, H.Weber Weißbuch Med.Strahlenphysik und Strahlenbiologie „Research Options for Medical Radiation Physics and Radiation Biology“ Dietmar Georg, Abteilung für Med. Strahlenphysik, Univ. Klinik für Strahlentherapie, MUW Stanislav Vatnitsky, ehem. IAEA und Protonenzentrum Loma Linda Hugp Palmans, NPL (UK) Wolfgang Birkfellner, Zentrum f. Biomedizinische Technik und Physik, MUW Thomas Schreiner, EBG MedAustron Edgar Selzer, Abteilung für Strahlenbiologie, Univ. Klinik für Strahlentherapie, MUW Weißbücher wurden internationalen Gutachtern vorgelegt. I. Zeh

Experimentalphysik – Mögliche Forschungsthemen Detektorentwicklung Halbleiter-, Gas- und Szintillationsdetektoren Kernphysik z.B. Protonenstreuexperimente Materialtests - Strahlenwirkung auf Mikroelektronik (z.B. Bauteile für den Weltraum) - Flächenveränderungen im Nanometerbereich durch Einzel-Ionen Mikrosonde Dosimeterentwicklung - Dosimeter für Weltraumanwendungen - Halbleiter-Mikrodosimeter für Ionentherapie Schwerpunkt: Ausbildung und Lehre mit state-of-the-art Technologien Detektor ist ein Meßgerät In Europa Mangel an Detektortestanlagen  MedAustron Schlüsselrolle in der Entwicklung moderner Partikeldetektoren Protonenstreuexperimente: MedAustron bietet interessante Bedingungen für eine Protonenstreuanlage. Eine Vielzahl an Untersuchungen – von der Kernstruktur bis zur Hochenergiephysik – wären möglich. Die Besonderheit der variablen Protonenenergie von 60 bis 800 MeV ist im Speziellen für Protonen-Protonenstreuung interessant. Hochenergieprotonen-Computertomografie: Verbesserte Auflösung durch hohe Protonenenergie (aufgrund verringerter Coulomb-Vielfachstreuung. ) Einzel-Ionen (Single-hit ) Mikrosonde: dadurch Festkörper für physikalische Flächenveränderungen im Nanometerbereich vorbereitet werden. Für kommerzielle Anwendungen von höchstem Interesse. Ausbildung und Lehre: hochqualitative Ausbildung von Studenten und jungen Forschern z.B. in experimenteller Kernphysik, Detektorphysik und Beschleunigerphysik I. Zeh

Med. Strahlenphysik – Mögliche Forschungsthemen Charakterisierung neuer Ionenarten (z.B. Heliumionen, Sauerstoff) für therapeutische Anwendung Entwicklung neuer Detektoren und Messphantome Optimierungsverfahren für Bestrahlungsplanung von Ionenstrahlung Vergleichende Bestrahlungsplanung und kombinierte Therapieansätze (z.B. Photonentherapie+Ionenboost) Bildgeführte („IGRT“ - Image Guided Radiotherapy) und adaptive Ionentherapie („ART“ – Adaptive Radiotherapy) In-vivo Verifikation von Ionentherapie (PET bzw. SPECT Verfahren) kontinuierliche Weiterentwicklung bestehender Systeme Ionentherapie ist Technik der 1. Generation Etablierung als Standardtherapie durch angewandte Forschung und kontinuierliche Weiterverbesserung bestehender Systeme (meist in Kooperation mit dem Hersteller) Bestrahlungsplanung: Derzeit verwendete Bestrahlungsplanungssysteme für Ionentherapie sind Systeme der 1. Generation , basieren auf Annahmen. Neue Dosisberechnungsalgorithmen müssen experimentell verifiziert werden für die neuen Strahlarten (Kohelnstoff, Helium, Sauerstoff). Derzeit 3 Anlagen weltweit, die Kohlenstoffionen verwenden (2x Japan, GSI Damstadt, 6 weitere Anlagen in Planung bzw. Bau (MedAsutron, CNAO, HIT Heidelberg, PTC Marburg, Kiel, Japan) Bildgeführte Radiotherapie: Um die Position des Patienten und die Lage des Tumors bzw. der Organe im Strahlenfeld exakt überprüfen zu können, werden im Bestrahlungsraum verfügbare bildgebende Systeme verwendet. Adaptive Radiotherapie: die Veränderungen des Tumors im Therapieverlauf werden mittels bildgebender Systeme erfasst und der Therapieplan entsprechend adaptiert (z.B. Verkleinerung oder Verschiebung des Tumors im Therapieverlauf). Quelle: Prof. Georg, MUW/AKH Wien I. Zeh

Strahlenbiologie – Mögliche Forschungsthemen Charakterisierung der biologischen und molekularen Wirkungen von Protonen- und Kohlenstoffionenstrahlen – Vergleich mit Photonen Erforschung und Entwicklung von Kombinationen Bestrahlung mit Chemotherapie und/oder Immuntherapie Etablierung prädiktiver Marker - Vorhersage der individuellen Strahlenempfindlichkeit und des Tumoransprechens Charakterisierung der Nebenwirkungen (akute und chronische Strahlenreaktionen) Molekulares Targeting - Steigerung der Strahlenempfindlichkeit von Tumoren durch Modulierung molekularer Targets RBE = rel. biol. Wirksamkeit ist in Protonen anders als für C-Ionen Radio-Chemotherapie, Radio-Immunotherapie: Kombinationsbehandlung mit Bestrahlung und Medikamenten, dadurch Sensibilisierung der Tumorzellen für Bestrahlung. Strategien zur Steigerung der Tumorstrahlenempfindlichkeit, Blockierung bestimmter Reparaturwege, Blockierung und Aktivierung von Signalkaskaden (biologisches Targeting), Hypoxie, Ionen-Boost Bestimmung prädiktiver Marker (molekulare Diagnostik): Marker im Organismus zeigen, ob Patient gut oder schlecht auf eine Bestrahlung ansprechen wird. Molekulare s Targeting: Vereinfacht gesagt: Veränderung von Molekülen IN der Tumorzelle, wodurch die Zelle anders auf Strahlung reagiert. Z.B. Hemmung eines Zell-Rezeptors durch monoklonale Antikörper - Signalwege in der Zelle laufen anders Quelle: Prof. Selzer, MUW/AKH Wien I. Zeh

Wer wird im MedAustron-Research forschen? Infrastruktur, Ausstattung, Forschungsthemen sind definiert. Wer wird im MedAustron-Research forschen? Forschungskernteam + Basislaborpersonal Österreichische Universitäten und Institute externe Gastforscher aus - Onkologischen Einrichtungen - Internationalen Forschungseinrichtungen - Industrie (Biotech, Pharmaindustrie und andere) I. Zeh

Weitere Infos auf unserer Forschungs-homepage: www.medaustron-research.at I. Zeh