BARBE-Q: Vom Labor zum Krankenbett: Anwendung der Modellierung der Relativen Biologischen Effektivität auf Grundlage der Strahlqualität Q

• Antragsteller: Professor Dr. Armin Lühr
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551492504

Bei der Strahlentherapie mit Protonen wird eine relative biologische Wirksamkeit (RBW) von 1,1 zugrunde gelegt, um deren höhere zellabtötende Wirkung im Vergleich zu Photonen zu berücksichtigen. Dieses vereinfachende Modell einer konstanten RBW vernachlässigt jedoch präklinische und aufkommende klinische Evidenz für eine variable RBW von Protonen und wirkt sich auf die Patientenbehandlung aus. Die RBW hängt von physikalischen und biologischen Faktoren ab, welche im Bestrahlungsvolumen variieren. Genaue RBW-Werte erfordern daher adäquate biomathematische Modelle, während klinisches Personal möglichst einfache Modelle fordert. Das derzeit größte Problem bei der Modellierung der RBW mit Protonen ist der Mangel an experimentellen in vivo und klinischen Protonen RBW-Daten. Bestehende RBW-Modelle parametrisieren in vitro RBW-Daten als Funktion des linearen Energietransfers (LET) und sind dadurch protonenspezifisch. Als Alternative zum LET könnte der Strahlqualitätsparameter Q eine einfache und ionenunabhängige RBW-Modellierung ermöglichen, was für monoenergetische Zellbestrahlungen bereits nachgewiesen wurde. RBW-Daten von anderen Ionen könnten so den Datenmangel ausgleichen und einfache RBW-Vorhersagen für Protonen verbessern. Wichtige Schritte zur klinischen Anwendung der Q-basierten Modellierung stehen jedoch noch aus. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist das Überführen der Q-basierte RBW-Modellierung von Zellen auf Patienten. Zunächst wird eine Q-Definition festgelegt, die gemischte Teilchen- und Energiespektren robust beschreibt, und der Q-Parameter analytisch auf seinen grundlegenden Zusammenhang mit mechanistischen RBW-Modellen untersucht. Dem gegenüber steht ein datengetriebener Ansatz, um die Q-basierte RBW-Modellierung entlang der Translationskette von monoenergetischer Pencil-Beam-Bestrahlung bis zu Spread-out-Bragg-Peak (SOBP)-Patientenbehandlungsfeldern bzw. vom Zellüberleben bis zur Spättoxizität zu erweitern. Hierfür wird die Q-Definition mit verschiedenen Ionen zuerst anhand eines großen Datensatzes von SOBP-Zellbestrahlung (X, H, He, C, Ne) und im zweiten Schritt mittels klinisch relevanter in vivo Toxizität (Rückenmarksverletzung) bei Rattenbestrahlungen (X, H, He, C, O) validiert. Schließlich werden Q-basierte RBW- und Normalgewebsmodelle an klinischen Daten für Hirntoxizität nach Protonenbestrahlung getestet. Hochpräzise Monte-Carlo-Simulationen liefern Q, LET und Dosis Werte für jede der experimentellen und klinischen Bestrahlungssituationen. Die Leistungsfähigkeit des Q-Konzepts wird im Vergleich zu etablierten LET-basierten Protonen- und mechanistischen ionenunabhängigen RBW-Vorhersagen getestet. Im Erfolgsfall ermöglicht das Q-Konzept eine datengestützte klinische Protonen-RBW-Modellierung auf der Grundlage einer großen Menge an (prä-)klinischen Photonen- und Ionendaten. Durch eine verringerte Unsicherheit bei der biologischen Wirksamkeit kann das vorgeschlagene Projekt zur schonenderen Krebstherapie mit Protonen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen