NEU ab Q2/2019: Forschung am MRI Linac

Forschungsteam und Kollaborationen​

Das Hybridgerät MRI-Linac vereinigt somit auch mehrere Schwerpunktthemen der Forschung am Standort Zürich: Bildgebung, Onkologie und personalisierte Medizin.

Angelehnt an das Konzept der interprofessionellen Zusammenarbeit sollen auch für die angewandte Forschung daher Kompetenzen und Spitzenforschung aus dem USZ, der UZH und der ETH zusammengebracht werden und in konkreten Forschungsprojekten zu einer weiteren Verbesserung der Patientenbehandlung am UniversitätsSpital Zürich führen.

Physikalisch-technische Forschung

Der Ablauf einer MRI-geführten adaptiven Strahlentherapie am MRI-Linac umfasst vereinfacht dargestellt vier Schritte, woraus sich folgende Forschungsschwerpunkte ableiten lassen:

  1. Entwicklung von MRI-Sequenzen zur Bildakquisition mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung vor und während der Bestrahlung mit dem Ziel Veränderungen in Anatomie und Biologie während der Radiotherapie zu erfassen und im Folgenden die Behandlung entsprechend dynamisch zu adaptieren.
  2. Mathematisch-statistische Verarbeitung (Autosegmentierung, quantitative Bildanalyse) der MRI Bilder, quantitativer Vergleich mit der Ausgangssituation vor der Bestrahlung und Modellierung der therapeutischen Konsequenzen.
  3. Automatisierte Anpassung des Bestrahlungsplans an die anatomischen und biologischen Veränderungen des Tumors, einschließlich Entwicklung von schnellen & robusten Regelungstechniken und Qualitätssicherungsmaßnahmen.
  4. Entwicklung von Techniken und Methoden zur dynamischen Anpassung der Radiotherapie in real-time an Tumorbewegungen wie z.B. durch die Atmung und Herzschlag verursacht.

In allen Teilschritten besteht erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der hohe Expertise in verschiedensten mathematisch-naturwissenschaftlichen und ingenieur-wissenschaftlichen Gebieten sowie deren Translation in die klinische Forschung erfordert. Im wissenschaftlichen Umfeld von Zürich existieren an USZ, UZH und ETH zahlreiche Forschungsgruppen, die bereits erfolgreich ähnliche Themen bearbeiten und die ein hohes Interesse an gemeinsamen Forschungsprojekten auf dem Gebiet des MRI-Linac haben.

Translationale Forschung

Moderne Biomarker erlauben die Prognose einer Erkrankung, deren Verlauf und das Ansprechen auf eine bestimmte Behandlung vorherzusagen. In der Onkologie sind im Rahmen der Entwicklung hin zur personalisierten Krebstherapie bereits zahlreiche Gewebs-Biomarker im klinischen Gebrauch, um Patienten für bestimmte molekular gerichtete Systemtherapien zu selektionieren.

Im Rahmen dieses MRI-Linac Projektes werden durch quantitative Bildanalyse (Radiomics) große Mengen sogenannter Imaging Marker verfügbar und können auch während der Behandlungsserie Radiomics Biomarker erhoben und longitudinal über die Zeit analysiert werden. Solche Analyse können wegweisend für die sog. Adaptive Radiotherapie sein, denn sie erlaubt das Ansprechen des Tumors bzw. die Reaktion des umgebenden Normalgewebes frühzeitig zu erkennen um die Radiotherapie entsprechend anzupassen.

Konkret sollen 3 Fragestellungen untersucht werden:

  1. Korrelation von Imaging-basierten Radiomics Biomarkern der MRI-Bildgebung mit molekularen Biomarkern (Radiogenomics) bei ZNS, Kopf-Hals- und Lungentumoren.
  2. Prospektive longitudinale Evaluierung und Validierung von Radiomics Algorithmen und deren prognostischer und potentiell prädiktiver Bedeutung bei ZNS-Tumoren, Kopf-Hals-Tumoren und Lungentumoren.
  3. Analyse von Tumor- und Normalgewebsreaktionen während der Strahlentherapie von Hirntumoren und Hirnmetastasen in Kombination mit Immuntherapie und deren prognostischer Bedeutung

Da Imaging Marker zum Bsp. die Textur oder Homogenität des Tumorgewebes beschreiben stehen sie auch für eine bestimmte Tumorbiologie wie zum Bsp. Tumorzelldichte, Nekrosen, Invasivität an der Grenzzone zum Normalgewebe oder Gefässversorgung. Um die biologische Grundlage von Imaging Markern zu verstehen ist eine Korrelation von Imaging Markern mit Gewebs- und/oder Blutmarkern im Rahmen von klinischen Studien von großem wissenschaftlichem Interesse.

Angewandte klinische Forschung

Mit der MRI-geführten Radiotherapie soll unseren Patienten von Beginn sowohl in klinischen Beobachtungsstudien als auch Interventionsstudien verfügbar gemacht werden. Da die MRI-Technologie ohne zusätzliche Strahlenbelastung auskommt und „bildgeführte" Adaption der Radiotherapie unabhängig von der verwendeten Bildgebungsmodalität und -Technologie die moderne Radio-Onkologie revolutionieren wird, erwarten wir mittels exakter und repetitiver MR Bildgebung während einer Strahlentherapie wichtige Erkenntnisse für die angewandte klinische Forschung im Rahmen der bild-gestützten adaptiven Radiotherapie.

Schwerpunkte werden folgende 3 klinische  Anwendungsgebiete sein:

  1. Adaptive Re-Planung in der definitiven Radiochemotherapie von Kopf-Hals- und Lungentumoren
  2. Optimierung der Bestrahlungsplanung ohne CT-Komponente durch Verwendung der Hybrid-PET-MR Technologie als Basis für MRI-geführte Radiotherapie
  3. Tägliche MRI Bildgebung zur Beobachtung der Dosisdeposition im Normalgewebe und Modellierung von radiogener Normalgewebstoxizität

Die angewandte klinische Forschung wird in enger Kooperation mit unseren klinischen Partnern am USZ geplant: u.a. Onkologie, Neurologie, Pathologie, Radiologie, Nuklearmedizin. Zusätzlich werden wir die klinische Forschung international vernetzen und streben gemeinsame Protokolle unter Nutzung der MRI-Linac Technologie an: Kooperation sind in diesem frühen Stadium des Zürcher Projektes in der Diskussion mit u.a. Rom (Italien), Amsterdam (Niederlande), Heidelberg (Deutschland).