Dokument: Development of Laser Driven Proton Sources and Their Medical Applications

Titel:	Development of Laser Driven Proton Sources and Their Medical Applications
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60032
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230713-094048-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ehlert, Jens [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 24,11 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.06.2022 / geändert 28.06.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Oswald Willi [Gutachter] Prof. Dr. med. Rainer Haas [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die Partikel- oder Hadronentherapie ist eine wichtige Säule der Krebsbehandlung und bietet Patienten Vorteile aufgrund einer besseren Dosisverteilung im Vergleich zur Bestrahlung mit Photonen oder Elektronen. Für die nötige Teilchenbeschleunigung von zumeist Protonen oder Kohlenstoffionen wird bisher entweder ein Zyklotron oder ein Synchrotron verwendet. Infolge der benötigten teuren Infrastruktur, umfangreichen Strahlenschutzmaßnahmen und einer kontinuierlichen Wartung hat die Hadronentherapie jedoch nur einen verhältnismäßig kleinen Patientenanteil in der Strahlentherapie. Einen vergleichsweise neuen Ansatz stellt die Beschleunigung mittels kurzer hochintensiver Laserpulse dar. Auch wenn dieser Ansatz noch etwas Entwicklungsarbeit benötigt, unter anderem um die für die Strahlentherapie nötigen Teilchenenergien zu erzeugen, ist die Strahlung aufgrund der gänzlich anderen Strahlcharakteristik interessant, da im Vergleich zur konventionellen Bestrahlung weit höhere Dosisleistungen erreicht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Anwendung Laser-beschleunigter Protonen (LAPs) für die in vitro Bestrahlung. Hierfür werden unterschiedliche Aspekte berücksichtigt, von dem Aufbau der Bestrahlungskammer mit den verwendeten und zum Teil direkt angeschlossenen Diagnostiken, über die Modifikation der Protonenstrahlung durch die Verwendung zweier zeitlich aufeinander abgestimmter Laserpulse bis zu der Durchführung und Auswertung von Zellexperimenten. Die Versuche wurden an der Arcturus Lasereinrichtung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf durchgeführt. Für die Protonenbeschleunigung trifft ein Laserpuls (≈10^20 W/cm^2 und 30 fs) in einer Vakuumkammer auf eine dünne Titanfolie (5 μm). Durch ein resultierendes statisches elektrisches Feld auf der Folienrückseite kommt es zur Ionenbeschleunigung bei dem sogenannten TNSA Prozess. Die schnellen Ionen durchlaufen eine magnetische Schikane, wodurch der Energiebereich definiert wird und sie von anderen Strahlungsarten (Elektronen, Röntgenstrahlung) getrennt werden, so dass bei der gewählten Einstellung nur Protonen auf die Zellprobe treffen. Es wird gezeigt, dass die Zellen in dem Probenhalter vitale Bedingungen vorfinden (z.B. Zellteilung einer HeLa Zelle). Während der Bestrahlung lassen sich die Zellen außerdem mit einem im Laufe dieser Arbeit entwickelten Fluoreszenzmikroskop untersuchen. Hiervon werden Immunfluoreszenzaufnahmen gezeigt. Im darauffolgenden Teil der Arbeit wurden die Protonenpulsmodifikationen untersucht. Hierfür wurden beide Laserstrahlen auf die Titanfolie fokussiert. Bei räumlich überlappenden Interaktionspunkten nimmt der Protonenfluss, der durch den zweiten Laserpuls ausgelöst wird, schnell ab, sodass diese Konfiguration für die angestrebten Pulsverzögerungen nicht effizient ist. Bei einer räumlichen Separation von 1 mm lässt sich eine längere Pulsverzögerung einstellen. Außerdem wurde die Modifikation der Protonenpulse mit zeitlich gepulsten elektrischen Feldern untersucht. Im Vergleich zu den statischen Magnetfeldern verbessert diese Anordnung potenziell die Flexibilität der Bestrahlungsplattform. Im letzten experimentellen Kapitel werden die Zellbestrahlungsversuche behandelt. Bei der Genexpressionsanalyse LAP bestrahlter CD34+ Stammzellen konnte gezeigt werden, dass strahlungsspezifische Gene exprimiert werden, wie beispielsweise GADD45A. Des Weiteren wurden verschiedene Immunfluoreszenzmessungen sowohl mikroskopisch als auch via FACS durchgeführt. Das interessanteste Ergebnis ist hier die unterschiedliche Fluoreszenzintensität zweier Marker für reaktive Sauerstoffspezies (ROS) beim Vergleich von Röntgenstrahlung und LAPs, die darauf hindeuten, dass der oxidative Stress bei der hohen Dosisleistung der LAPs geringer ausfällt. Particle therapy or hadron therapy is an important pillar of cancer treatment and offers patients advantages due to a better dose distribution compared to photons or electrons. For the necessary particle acceleration, mostly of protons or carbon ions, either a cyclotron or a synchrotron has been used so far. As a result of the expensive infrastructure required, extensive radiation protection measures and continuous maintenance, the share of patients treated by hadron therapy in radiation therapy is relatively small. A comparatively new approach is acceleration by using short, high-intensity laser pulses. Even if this approach still needs some development work, among other things to generate the particle energies necessary for radiotherapy, the irradiation is interesting due to the completely different beam characteristics, as much higher dose rates are achieved compared to conventional irradiation. This thesis deals with laser accelerated protons (LAPs) for in vitro irradiation. For this purpose, different aspects are considered, from the structure of the irradiation chamber with the diagnostics used and partly directly connected, to the modification of the proton radiation by using two timed laser pulses, and to the performance and evaluation of cell experiments. The experiments were carried out at the Arcturus laser facility of the Heinrich Heine University Düsseldorf. For proton acceleration, a laser pulse (≈ 10^20 W/cm^2 and 30 fs) hits a thin titanium foil in a vacuum chamber. A resulting static electric field on the back of the foil causes ion acceleration during the so-called TNSA process. The fast ions pass through a magnetic chicane, which defines the energy range and separates them from other types of radiation (electrons, X-rays), so that only protons hit the cell sample at the selected setting. It is shown that the cells in the sample holder find viable conditions (e.g. cell division of a HeLa cell). During irradiation, the cells can be examined with a fluorescence microscope developed in the course of this work. Immunofluorescence images of this are shown. In the following chapter, the proton pulse modifications are examined. For this purpose, both laser beams are focused on the titanium foil. With spatially overlapping interaction points the proton flux triggered by the second laser pulse decreases rapidly, so that this configuration is not effective for the desired pulse delays. With a spatial separation of 1 mm, a longer pulse delay can be set. Additionally, the modification of the proton pulses with timed pulsed electric fields was investigated. Compared to the static magnetic fields this arrangement potentially improves the flexibility of the irradiation platform. The last experimental chapter deals with the cell irradiation experiments. Gene expression analysis of LAP irradiated CD34+ stem cells showed that radiationspecific genes are expressed, such as GADD45A. Furthermore, various immunofluorescence measurements were carried out both microscopically and via FACS. The most interesting result here is the different fluorescence intensity of two reactive oxygen species (ROS) markers when comparing X-rays and LAPs, indicating that oxidative stress is lower at the high dose rate of LAPs.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	13.07.2023
Dateien geändert am:	13.07.2023
Promotionsantrag am:	16.03.2022
Datum der Promotion:	24.06.2022