Elektronenemissionsspektren von Gold-Nanopartikeln zur Dosisberechnung in der Strahlentherapie

• Antragsteller: Dr. Hans Rabus, seit 4/2020
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386872118

Die Strahlentherapie ist eine der Standardtechniken zur Behandlungen von Krebserkrankungen. Sie basiert auf der zellschädigenden Wirkung ionisierender Strahlung und insbesondere der durch sie freigesetzten Sekundärelektronen. Da diese Prozesse nicht zellspezifisch sind und somit auch gesunde Körperzellen beschädig werden, soll durch die Deposition von stark strahlungsabsorbierenden Elementen im Tumorgewebe die Dosisverteilung auf das Tumorvolumen weitgehend beschränkt werden. Eine solche Dosiserhöhung konnte indirekt in mit Gold Nanopartikel angereicherte Zellen für Röntgen- [1] und Protonenstrahlen [2] nachgewiesen werden. Aufgrund der steilen Dosisgradienten an den Nanopartikeln reicht allerdings eine makroskopische Dosimetrie zur Charakterisierung der Dosisverteilung nicht aus. Lokale nanoskopische Wechselwirkungen der Sekundärelektronen, die durch Monte Carlo Spurstruktursimulationen beschrieben werden können, müssen berücksichtigt werden [3]. Aktuelle Monte Carlo Codes basieren auf vereinfachten, theoretischen Streumodellen, die jedoch bei Elektronenenergien unterhalb von wenigen keV ihre Gültigkeit verlieren und mit großen Unsicherheiten extrapoliert werden. Für Wasser konnten die Modelle mit experimentellen Daten verglichen werden, sodass z.B. Geant4 für mikrodosimetrische Fragestellungen eingesetzt werden kann [4]. An isolierten Goldatomen können Elektronenstreuquerschnitte nicht experimentell bestimmt werden, allerdings könnten im Falle der Gold-Nanopartikel die experimentellen Elektronenspektren als Benchmarkdaten zur Verifizierung der simulierten Daten und somit zur Verringerung der Unsicherheit der aus ihnen hervorgehenden Dosis eingesetzt werden.Eine erste experimentelle Arbeit zur Elektronenspektroskopie an Goldnanoteilchen beschränkte sich auf niedrige kV-Energien einer Röntgenröhre und zeigte schlechte Übereinstimmung mit Geant4 Simulationen [5]. Um die lokale Dosiserhöhung durch Goldnanopartikel bei therapeutischen Röntgenenergien rekonstruieren zu können, ist es zwingend notwendig, die Elektronenemission auch bei höheren Photonenenergien zu untersuchen, da diese zu langen Augerkaskaden und somit zu einer hohen Anzahl an niederenergetischen Sekundärelektronen führen. Es ist ferner unabdingbar, den Einfluss der Partikelgröße auf den Energieverlust bis hin zur Selbstabsorption von Elektronen innerhalb des Nanopartikels zu quantifizieren.Das vorliegende Projekt hat das Ziel, die Energiespektren der aus Goldnanopartikeln emittierten Elektronen zu bestimmen. Als ionisierende Strahlung soll sowohl Röntgenstrahlung (am Synchrotron mit Energien oberhalb der L-Schale bei etwa 12 keV und an klinischen Röntgenquellen) als auch Protonenstrahlen (mit Bragg-Peak Energien um 100 keV) untersucht werden. Somit wird das Projekt wichtige fundamentale Daten zur Berechnung der Dosisverteilung und Dosisverstärkung durch Goldnanoteilchen liefern und den Schritt zur klinischen Anwendung dieser vielversprechenden Radiosensitizer unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerinnen / Ehemalige Antragsteller: Dr. Heidi Nettelbeck, von 7/2019 bis 4/2020; Dr. Benedikt Rudek, bis 6/2019