Proton sources driven by high-power lasers are a promising addition to the portfolio of conventional proton accelerators. Regarding particle cancer therapy, where tumours are irradiated with protons or ions, the novel accelerator technology can be particularly beneficial for translational research - the research branch in which results of basic research are transferred to new approaches for the prevention, diagnosis and treatment of cancer.
The overarching aim in the thesis at hand was a translational pilot study to irradiate tumours on mice’s ears with laser-accelerated protons while achieving the quality level of conventional proton accelerators. This is the only way to compare the radiobiological data of the novel accelerator technology with those of the established ones. To enable such experiments a predetermined dose distribution according to the radiobiological model’s requirements must be delivered to a sample volume. Ergo, the laser-driven protons have to be transported and shaped after their initial acceleration. Intense laser-driven proton pulses, inherently broadband and highly divergent, pose a challenge to established beamline concepts on the path to application-adapted irradiation field formation, particularly for 3D. This work demonstrates the successful implementation of a highly efficient and tuneable pulsed dual solenoid setup to generate a homogeneous (laterally and in depth) volumetric dose distribution using only a single dose pulse from the broad laser-driven proton spectrum. The experiments using the ALBUS-2S beamline were conducted at the titanium:sapphire high-power laser Draco PW at the Helmholtz-Zentrum Dresden–Rossendorf. The beamline and its model were characterised and verified via independent methods, leading to first experimental studies providing volumetrically homogeneous dose distributions to detector targets as well as tumour and normal tissue in proof-of-concept studies. To perform the mouse pilot study, a new solenoid with cooling capacities was designed, characterised and implemented in the course of this thesis. The combination of the new solenoid and an overall performance improvement of the laser-proton accelerator, enabled the successful conduction of the mouse model study. The results show that laser-accelerated protons induce a comparable tumour growth delay as protons from conventional accelerators. This outcome and the demonstration of the flawless interaction between laser-proton accelerator, beam transport, dosimetry and biology qualify the laser-based accelerator technology for complex studies in translational cancer research. Looking into the future, their unique extremely high intensity renders them of particular interest for the investigation into the ultra-high dose rate regime. There, the so-called FLASH effect shows fewer side effects in normal tissue while maintaining the same effect in the tumour when the target dose is administered in milliseconds rather than minutes, as currently common. The ALBUS-2S setup at Draco PW already provides all necessary conditions to realise irradiation times of around ten nanoseconds in preclinical studies. This significantly expands the parameter space for investigating the FLASH effect and is presented as a proof-of-concept in this thesis. / Protonenquellen, die von Hochleistungslasern getrieben werden, sind eine vielversprechende Ergänzung zu herkömmlichen Protonenbeschleunigern. Im Hinblick auf die Partikeltherapie von Krebserkrankungen, bei der Tumoren mit Protonen oder Ionen bestrahlt werden, kann die neuartige Beschleunigertechnologie vor allem der translationalen Forschung von Nutzen sein, in der die Ergebnisse der Grundlagenforschung in neue Ansätze zur Vorsorge, Diagnose und Behandlung von Krebserkrankungen übertragen werden.
Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit war eine translationale Pilotstudie zur Bestrahlung von Tumoren an Mäuseohren mit laserbeschleunigten Protonen bei gleichzeitiger Erfüllung des Qualitätsniveaus konventioneller Protonenbeschleuniger. Mit den Ergebnissen ist ein Vergleich der strahlenbiologischen Daten der neuen und der etablierten Beschleunigertechnologie möglich. Um dieses Experiment zu realisieren, muss eine vorher festgelegte Strahlendosis, die den Anforderungen des radiobiologischen Modells entspricht, an ein Probenvolumen abgegeben werden. Die lasergetriebenen Protonenpulse müssen dafür nach ihrer Beschleunigung transportiert und geformt werden. Intensive lasergetriebene Protonenpulse sind von Natur aus breitbandig und stark divergent. Sie stellen eine Herausforderung für etablierte Beamline-Konzepte auf dem Weg zu einer anwendungsangepassten Bestrahlungsfeldbildung dar, insbesondere bei einer räumlichen Anwendung. Diese Arbeit zeigt die erfolgreiche Implementierung eines hocheffizienten und abstimmbaren gepulsten Zwei-Solenoid-Aufbaus zur Erzeugung einer homogenen (lateral und in der Tiefe) volumetrischen Dosisverteilung mit einem einzigen Dosispuls aus dem breiten lasergetriebenen Protonenspektrum. Die Experimente an der ALBUS-2S3 Beamline wurden am Titan:Saphir-Hochleistungslaser Draco4 PW am Helmholtz-Zentrum Dresden– Rossendorf durchgeführt. Die Beamline und ihr Modell wurden experimentell charakterisiert und mit unabhängigen Methoden verifiziert. Es konnten erste experimentelle Studien durchgeführt werden, bei denen volumetrisch homogene Dosisverteilungen auf Detektorziele sowie Tumor- und Normalgewebe in Proof-of-Concept Studien appliziert wurden. Für die Durchführung der Maus-Pilotstudie wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer kühlbarer Solenoid entworfen, charakterisiert und implementiert. Zusammen mit einer allgemeinen Leistungsverbesserung des Laser-Protonen Beschleunigers wurde die Pilotstudie erfolgreich abgeschlossen. Sie zeigt, dass laserbeschleunigte Protonen eine vergleichbare Verzögerung des Tumorwachstums bewirken wie Protonen aus konventionellen Beschleunigern. Dieses Ergebnis und der Nachweis des einwandfreien Zusammenspiels von Laser- Protonen-Beschleuniger, Strahltransport, Dosimetrie und Biologie qualifizieren die laserbasierte Beschleunigertechnologie für komplexe Studien in der translationalen Krebsforschung. Mit Blick auf die Zukunft sind sie aufgrund ihrer einzigartigen, extrem hohen Intensität besonders interessant für die Untersuchung im Bereich ultrahoher Dosisleistungen. Dort zeigt der so genannte FLASH-Effekt weniger Nebenwirkungen im gesunden Normalgewebe bei gleicher Wirkung im Tumor. Die Zieldosis wird dabei innerhalb von Millisekunden verabreicht und nicht, wie derzeit üblich, innerhalb von Minuten. Der ALBUS-2S-Aufbau bei Draco PW bietet bereits alle notwendigen Voraussetzungen, um in präklinischen Studien Bestrahlungszeiten von etwa zehn Nanosekunden zu realisieren. Dies erweitert den Parameterraum für die Untersuchung des FLASH-Effekts erheblich und wird in dieser Arbeit auch als Proof-of-Concept vorgestellt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:80375 |
| Date | 12 August 2022 |
| Creators | Brack, Florian-Emanuel |
| Contributors | Schramm, Ulrich, Cowan, Thomas E., Schreiber, Jörg, Zeil, Karl, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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