Investigation of Acute Radiation Effects after Minibeam Irradiation with Protons in Murine Skin

Proton Minibeam Radiation Therapy (pMBRT) aims to minimise the normal tissue damage which is a challenge in Radiation Oncology. In this concept, arrays of sub-millimeter proton beams are applied. Due to beam widening with increasing track length, this results in a homogeneous dose distribution in the tumour area. In this study, the effect of partially widened proton minibeams was investigated as expected to occur at different depths on the beams' path through the irradiated volume. Six different minibeam sizes with beam-to-beam distances of 1.8 mm were applied to the ears of Balb/c mice using 20 MeV protons with an average dose of 60 Gy. Acute reactions, i.e. ear swelling and inflammation, were observed for 90 days after irradiation. The results demonstrate a tissue sparing effect of proton minibeams which is highest for the smallest beam sizes as occurring in the superficial layers of an irradiated volume. This effect decreases with increasing beam size and disappears in the largest beam size which is equivalent to a homogeneous dose distribution. However, all minibeams had significantly reduced acute side effects compared to conventional irradiation, rendering pMBRT a promising innovative approach in clinical proton radiotherapy.
inibeambestrahlung mit Protonen (pMBRT) hat das Ziel, den Schaden im Normalgewebe zu minimieren, was eine Herausforderung in der RadioOnkologie darstellt. Hierbei werden die Protonen in Kanälen von unter einem Millimeter Durchmesser appliziert. Aufgrund der Aufstreuung des Strahls mit zunehmender Eindringtiefe führt die Bestrahlungsmethode zu einer homogenen Bestrahlung im Tumorgebiet. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen von partiell erweiterten Protonenminibeams, wie sie auf verschiedenen Höhen des Strahlenwegs durch das bestrahlte Volumen zu erwarten sind. Die Ohren von Balb/c Mäusen wurden mit sechs verschiedenen Minibeamgrößen mit einem Strahlabstand von 1,8 mm bestrahlt. Dabei wurden Protonen mit einer Energie von 20 MeV benutzt und eine durchschnittliche Dosis von 60 Gy appliziert. Nach der Bestrahlung wurden die akuten Reaktionen in der Haut, wie Schwellung und Entzündung, für 90 Tage beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass der gewebeschonende Effekt von Protonenminibeams am größten für die kleinen Strahlgrößen ist, wie sie in oberflächlicheren Schichten des bestrahlten Volumens auftreten. Mit zunehmender Strahlgröße nimmt die Gewebeschonung ab und ist damit für die einer homogenen Bestrahlung entsprechenden größten Strahlgröße am kleinsten. Alle Minibeamgrößen führten aber im Vergleich zu konventioneller homogenen Bestrahlung zu signifikant reduzierten akuten Nebenwirkungen, wodurch pMBRT ein vielversprechender Ansatz für die klinische Strahlentherapie mit Protonen in der Zukunft ist.