Mikroskopisk sensor gjør kreftstråling mer presis
Et team av norske, franske og australske forskere er de første i verden som har klart å måle effekten av strålene som treffer hver enkelt kreftcelle. Det gjør at strålebehandlingen kan skreddersys for hver svulst og dermed bli mer effektiv.
STRÅLEFYSIKK: Den nyutviklede sensoren er den første i sitt slag, og kan altså måle stråling ned på kreftsvulstens cellenivå. Det gir legene full kontroll på hvor mye skade hver eneste kreftcelle har fått etter en behandling.
– Teknologien gjør at de kan både overvåke og kontrollere strålingen slik at bare kreftcellene blir ødelagt, og at det friske vevet rundt får minimalt med skade, forklarer SINTEF-forsker og fysiker Angela Kok. Hun har ledet utviklingen av sensoren og jobber til daglig med mikrosystemer og nanoteknologi.
En million celler på en blyantspiss
Å måle stråledosen som treffer en enkelt kreftcelle har blitt sett på som svært vanskelig. For det første er cellen svært liten: I en kubikkmillimeter med vev er det ca. en million celler. Derfor må en sensor som skal måle strålingen være like liten som cellen for at måleresultatene skal bli riktige. Med andre ord må det være plass til en million sensorer på en kubikkmillimeter med kreftvev.
Det andre problemet er at celler «føler» stråling på en helt annen måte enn sensorene gjør. Derfor har ingen sensorer til nå klart å måle hvilken skade den reelle strålingen gjør på cellene.
Etterlikner menneskelig vev
Fakta om halvledere:
Halvlederteknologi brukes i all framstilling av mikrobrikker i moderne elektronikk. Alt fra mobiltelefoner, leketøy, kjøleskap osv. inneholder mikrobrikker som i prinsippet er lagd på samme måte. Elektronikken framstilles på tynne silisiumskiver, og disse blir gitt strømførende egenskaper ved hjelp av fotolitografiske prosesser.
Forenklet kan man si at mønstre blir overført fra en mal til silisiumskiver ved hjelp av en lysfølsom film. Elektronikkretsen bygges opp lag for lag med forskjellige mønstre for hvert lag.
I prosessene blir silisium tilført f.eks. bor og fosfor for å gi ønskede elektriske egenskaper, det blir deponert andre materialer som er elektrisk isolerende og det lages ledningsbaner i metall, f.eks. aluminium, kobber eller gull.
Ved MiNaLab, SINTEFs laboratorie for mikro- og nanoteknologi kombineres halvlederteknologien med prosesser for å lage mekaniske strukturer i silisium, og man kan dermed lage sensorer som gir et elektronisk signal ut når de blir utsatt for endring i trykk, temperatur, akselerasjon, etc.
Det første problemet, størrelsen, løses ved at forskerne faktisk har klart å lage en sensor som er like liten som en kreftcelle. Dette har de gjort med en teknologi som heter halvlederprosessering. (Se faktaboks.)
Det andre problemet, at sensorer og celler «føler» forskjellig, var en større utfordring. Dette løste forskerne med å kapsle sensorene inni et plastmateriale som likner på menneskelig vev. Derfor blir strålingen som sensorene måler nesten helt lik som den strålingen som treffer de ekte kreftcellene.
Dette er en skisse av det ferdige strålingssystemet med den nyutviklede sensoren. Strålingen adsorberes i sensoren som er på størrelse med en kreftcelle, og konverteres til et elektrisk signal. Signalet sendes så til et kretskort som behandler måledataene og overfører disse til en bærbar enhet, som for eksempel en smarttelefon. Sensoren har et innebygget materiale som etterligner menneskelig vev. Dette gjør at målingene blir så nøyaktige som mulig, fordi materialet simulerer det som skjer når stålene treffer menneskekroppen. Illustrasjon: Doghouse as/Knut Gangåssæter.
På denne silisumskiven har sensoren, som ikke er større enn en kreftcelle, blitt til ved hjelp av avanserte halvlederprosessering (se faktaboks om halvlederteknologi i saken). Foto: SINTEF.
I måleinstrumentet er de bittesmå sensorene plassert ved siden av hverandre, slik at de danner et slags «sensor-flak» på silisiumet. Fordi sensorene er spredd over et område, kan de sammen gi et bilde av hvor i cellen det er mest stråling.
– Litt forenklet kan vi si at de brukes til å tegne et slags kart over området som bestråles, og styrke på strålene som treffer, forklarer Kok.
Resultat av grunnforskning
Den viktigste bestanddelen i den nye sensoren er grunnstoffet Silisium, som er en halvleder og har den egenskapen at det kan registrere stråling.
– Når stråling treffer silisium, overføres energien fra strålingen og blir til et elektrisk signal som kan måles. Størrelsen på det elektriske signalet sier hvor mye stråling som traff silisiumet, forklarer Angela Kok i SINTEF.
Fakta om protonterapi:
Protonterapi er en form for strålebehandling og et etablert behandlingstilbud i mange land, men ikke i Norge. Protoner er ladede kjernepartikler som kan benyttes i strålebehandling, og som har samme effekt på celler som vanlig strålebehandling. Protoner gir imidlertid en mer avgrenset doseavsetning enn konvensjonell stråleterapi. Protonterapi gir dermed lavere stråledoser til omliggende friskt vev og mulighet for å redusere bivirkninger som følge av strålebehandling. Samtidig kan strålebehandling med protoner gi høyere stråledoser til svulstvev enn det som er mulig å oppnå med tradisjonell strålebehandling.
Over 40 000 pasienter er behandlet med protoner på verdensbasis.
Behandlingen er i første rekke aktuell hos pasienter hvor det ikke lar seg gjøre å tilføre tilstrekkelig store doser til svulsten med tradisjonell stråleterapi uten betydelig risiko for bivirkninger, eller hvor de stråledoser som konvensjonelt i dag gis leder til betydelig grad av bivirkninger. Dette gjelder for eksempel pasienter med kreft i hode-halsregionen og de tradisjonell behandling med kirurgi og/eller røntgenstråler ikke gir tilfredsstillende kontroll, eller er vanskelig på grunn av kreftsvulstens nærhet til omliggende normalkritiske anatomiske strukturer.
Kunnskapssenteret for protonterapi: http://www.kunnskapssenteret.no/publikasjoner/protonterapi
Den aller første prototypen av sensoren så altså dagens lys i SINTEFs mikro og nanolaboratorium etter et større samarbeid med forskere i medisinsk strålefysikk fra flere nasjoner. Nylig ble den testet i den europeiske synkrontonen* ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) i Grenoble med, bokstavelig talt, strålende resultater. I tillegg er den testet ved Australian Nuclear Science and Technology Organisation av de australske forskerne.
– Det som er litt spesielt med dette prosjektet er at vi har forsket fram ny grunnleggende kunnskap om hva som skjer inne i silisiumvolumer som er like store som celler. Denne kunnskapen har vi tatt videre og kan allerede nå se den i praktisk bruk etter bare fire år, sier seniorforsker Kari Schjølberg-Henriksen, som har vært kvalitetssikrer i prosjektet.
Vil forbedre protonterapien
Forsker Marco Povoli har jobbet i prosjektet både som SINTEF-ansatt og post-doc ved UiO. Han tror nyvinningen kan være gode nyheter for framtidens kreftbehandling med protonterapi.
– Protonterapi ser ut til å kunne behandle noen krefttyper bedre enn tradisjonell stråleterapi. Derfor har forskerne ved University of Wollongong, som vi samarbeidet med, jobbet lenge med å lage sensorer for protonterapi, sier forskeren.
– I dag finnes det ikke sensorer som kan måle stråling dette (mikrodosemetri, red adm.), men vi skjønte at vår teknologi kunne tilpasses for å lage sensorer med de riktige egenskapene.
Teamet tok utgangspunkt i en sensorteknologi som opprinnelig ble brukt for å spore kjernepartikler under forsøk ved partikkelakseleratoren i CERN. Denne ble brukt til å lage silisiumstrukturene som nå etterlikner effekten av stråling på menneskelig vev.
– Fabrikasjonsprosessen måtte imidlertid utvikles for at resultatet skulle bli helt pålitelig. Men det var en utfordring som vi løste på noen få måneder, forteller Marco Povoli.
Nå er sensoren testet med gode resultater. Ifølge forskerne er den i stand til å måle reell strålingsdose adsorbert i vevet, og med bedre romlig oppløsning enn eksisterende utstyr. Nå håper forskerteamet at den kan bidra til videreutviklingen av strålebehandling mot kreft, gjennom å gi mer presise strålingsdoser til sykt vev, og samtidig redusere stråleskadene på vev som er friskt.
Arbeidet har skjedd i samarbeid med det Povoli karakteriserer som verdensledende miljøer i medisinsk strålingsfysikk: CMRP (Centre for Medical Radiation Physics), ved University of Wollongong i Australia, University of Manchester i England og den europeiske synkotronen i Grenoble. Det siste er et laboratorium som har spesialisert seg på stålingsfysikk.
Prosjektets navn er Si-3DMiMic, og er finansiert av Forskningsrådet gjennom programmet NANO2021.
Sensoren som har vært utgangspunkt for utviklingen er patentert av prosjektdeltakeren Centre for Medical Radiation Physics (CMRP) ved University of Wollongong, Australia. (US patent No. 8421022 B2.)
