Max IV - den nya svenska synkrotronanläggningen. Crister Ceberg Medicinsk Strålningsfysik Lunds Universitet

Transkript

1 Max IV - den nya svenska synkrotronanläggningen Crister Ceberg Medicinsk Strålningsfysik Lunds Universitet

2 Max I-III finns på Maxlab Maxlab

3 Maxlab Nationellt laboratorium Drivs av Vetenskapsrådet och Lunds Universitet Beviljad tid är gratis för användare, 1d - 2v Ca 700 användare från 25 länder, ca hälften från Sverige Users at MAX- lab Physics Chemistry Life sciences Baltic states Others No. of users Sweden Denmark Norway Finland Year

4 Maxlab Max I Driftsattes 1986 som ett hemmabygge Strålning produceras i böjmagneter 6 beamlines med energi upp till 200 ev MAX I 550 MeV LINAC injector Böjmagneter ger en bred stråle med ett brett spektrum

5 Maxlab Max II Driftsattes 1997 bland de första 3rd generation Undulatorer och wigglers (2 supraledande) 14 beamlines med energi upp till 1.5 kev MAX II 1500 MeV LINAC injector Wigglers ger en intensiv bred stråle med ett brett spektrum Undulatorer ger en mycket intensiv smal stråle med ett smalt spektrum

6 Maxlab Max III Driftsattes 2004 för att möta ökande krav Accleratorfysik, prototyp inför Max IV 2 beamlines med energi upp till 200 ev MAX III 700 MeV LINAC injector

7 Maxlab - forskningsområden Acceleratorfysik Kärnfysik Forskning som använder synkrotronljus, tex Ytor på halvledare Supraledare vid hög temperatur Stora proteinmolekylers uppbyggnad H. Uysal et al. Structure and pathogenicity of antibodies specific for citrullinated collagen type II in experimental arthritis J Exp Med 206, 2009.

8 Strukturbiologi Stora proteinmolekylers struktur Funktion följer form Medicin och farmakologisk utveckling Synkrotronstrålning Dominerande instrument inom strukturbiologi Ligger bakom flera Nobelpris, tex ATP (1998) K+ kanaler (2004) RNA-polymeras (2006) Max IV ger unika möjligheter Stark forskning i regionen Universitet och industri Vision: världsledande lab för strukturbiologi

9 Max IV översikt

10 Max IV placeras på leråkern Maxlab Max IV

11 Koppling till radiofysik? 5

12 Radiofysikforskning Max I användes från början till 18 F-produktion (1986)

13 Biomedicinsk forskning Biomedicinska program finns på ESRF (Grenoble, Frankrike) ELETTRA (Trieste, Italien) SPRING8 (Himeji, Japan) ALS (Melbourne, Australien) CLS (Saskatoon, Canada) DESY (Hamburg, Tyskland) SRS (Daresbury, England) BNL (Upton, USA) ESRF APS (Chicago, USA) SSRF (Shanghai, Kina) Varav flera har dedicerade biomedicinska beamlines Imaging (kärnområde vid de flesta anläggingar) Radiobiologi och experimentell radioterapi

14 Biomedicinsk beamline på ESRF ID17 vid ESRF byggdes för två program Coronar-angiografi Mikrobeam-terapi Mission: Kliniskt orienterad forskning Prekliniska studier (testa nya farmaka, radiobiologiska studier) Kliniska studier när synkrotronstrålning är enda alternativ (angiografi, radioterapi) Utveckling av ny teknik som kan överföras till framtida table-top röntgenkällor Exempel på nuvarande verksamhet Imaging (ett av fem huvudområden på ESRF) Radiobiologi och experimentell radioterapi Annat (5%)

15 Imaging

16 Imaging K-kant-subtraktion Kontrastmedel Jod Xenon Barium, etc. Två bilder Över och under K-kanten Skillnaden visar bara kontrastmedlet

17 Coronar-angiografi Aorta stent Left ventricle Elleaume et al., Med Phys Biol L39-43 (2000)

18 Lungfunktion Dorsalt Ventralt Tid efter aerosol-administration J. Baruchel et al., Synchr Radiat News 21 (2008).

19 Vaskulära nätverk i hjärnan Barium 20.5 kev Pixel 1.4 mm Frisk hjärna (apa) Implanterad tumör (råtta) L. Risser et al. J. Cereb. Blood flow and Metabolism, 2006

20 Fas-kontrast avbildning Absorptionskoefficient ~ Z 4 ~ E -3 Brytningsindex ~ Z ~ E -2 Kan mätas på olika sätt Gitter-interferometri Analysatorkristall Absorption Fas-kontrast Swiss Light Source, PSI

21 Tumörbärande råtta (post mortem) Tomografisk gitter-interferometri Absorptions-CT F. Pfeiffer et al., Phys. Med. Biol. 52, 6923 (2007)

22 Bröstcancer (ductal) Histologi Kliniskt mammogram Absorptions-CT Analysator-baserad fas-kontrast CT J. Baruchel et al., Synchr Radiat News 21 (2008).

23 Radioterapi 10

24 Mikrostrålterapi Strålfältet delas in smala knippen Fältbredd ~ mm Mellanrum ~ mm

25 Normalvävnadstolerans Frisk hjärna Hög tolerans för fält mindre än ~ 100 mm Överbryggas av kärlnybildning Ex. mikrostrålterapi till grishjärna Utvärdering 2 år efter 300 Gy Ingen synlig vävnadsdestruktion Inga tecken på CNS-skador 5mm J. A. Laissue et al., SPIE (2001)

26 Tumöreffekt Tumörer verkar inte klara sig lika bra Ex. mikrostrålterapi mot rått-gliom (C6) 350 Gy med mikrostrålar >80% långtidsöverlevnad Number of animals alive 6 no treatment Mikrostrålterapi 5 conventional RT (Exp. terminated at day 100) Ingen beh. Konventionell radioterapi Days after C6 cell implantation MRT E. Schultke et al. Eur J Radiol 68 (2008)

27 Flätade mikrostrålar Den friska värdvävnaden bestrålas med mikrostrålar Target exponeras för en sammanhängande bestrålning Preliminära pre-kliniska försök visar goda resultat

28 Radiobiologi med mikrostrålar Vad är target? By-stander effekter Abscopal-effekter Vad säger absorberad dos? Implikationer för Strålskydd Radioterapi Radionuklidterapi ceramider pro-apoptotisk signallering ROS DNA-skada By-stander cell

29 Foto-aktiveringsterapi Selektivt tumörupptag av tunga atomer i kombination med mono-energetisk strålning Hög lokal dos Lågenergetiska foto-elektroner Auger-elektroner Hög biologisk effekt? Foto-elektrisk effekt i tung atom

30 Pre-kliniska försök Ex. Foto-aktiveringsterapi mot råttgliom* Fischer 344 med F98 gliom Förbehandling med jod (Iomeron kontrastmedel) Synkrotronbestrålning till 15 Gy Förlängd överlevnad med 170% Även med andra råttmodeller och agenter Intracellulärt upptag troligen fördelaktigt Andra ämnen, tex platina, tallium *J.F. Adam et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 64 (2006)

31 Kliniska försök vid ESRF Planerar kliniska studier med start 2010 Höggradiga gliom XRT till 40 Gy + fototerapi med jod ytterligare Gy BED-ökning med 24 Gy (jmf med konventionell radioterapi) C. Boudou et al., Phys. Med. Biol. 50 (2005)

32 Max IV 15

33 Max IV unika möjligheter Starkaste synkrotron-källan i världen Nano-meter upplösning Hög spektral upplösning Upp till kev Dynamiska studier Unika möjligheter inom Strukturbiologi Materialvetenskap Nano-vetenskap Energiteknik Biomedicin Brilliance BW mm 2 mrad 2 )] Average B [Photons/(s 0.1%B 1.E+22 1.E+21 1.E+20 1.E+19 MAX IV 3 GeV, In Vac. Und., 0.5 A ESRF Today, ID 27, 0.2 A PETRA III, 0.1 A, 5 m long und. Diamond, I03, 0.3 A 1.E Photon Energy [ev]

34 Max IV byggplan Total kostnad ca 2.6 miljarder Finansiering klar för fas 1 (ca 1.1 miljarder) VR, VINNOVA, LU och Region Skåne Regeringens strategiska satsningar Lunds Kommun bjuder på marken Fas 1 Driftklar 2014 Ca 8 beamlines (av totalt 20) Urvalsprocessen ej klar Öppet för förslag Biomedicinsk beamline på Max IV?

35 Maxlab User Meeting 2-4/11 Tema: Max IV Särskild session om biomedicinska applikationer Föredrag av Alberto Bravin, ESRF Yolanda Prezado, ESRF Avraham Dilmanian, BNL

36 Biomedical beamline på Max IV Positivt bemötande Maxlab, LU (N- och M-fak), Region Skåne ESRF och BNL Biomedical User Group Ett team på LU inom experimentell radioterapi (medicinsk strålningsfysik, onkologi, neurokirurgi, mfl) Inbjudan till fler svenska användare Grupper i Danmark och Finland Nationell förankring Radiofysik, onkologi, diagnostik, etc

37 Max IV och ESS

38 ..men än så länge är det bara en skånsk leråker...

39 Tack! Material från: Bo-Anders Jönsson, LU Albert Siegbahn, KS Alberto Bravin, ESRF Yolanda Prezado, ESRF Avraham Dilmanian, BNL Nils Mårtensson, Maxlab Åke Kvick, Maxlab Yngve Cerenius, Maxlab

40 Vidare läsning Hemsidor Review-artiklar P. Sourtti and W. Tomlinson, Phys Med Biol 48 (2003) G. Le Duc et al., Synchr Radiat News 20 (2007) J. Baruchel et al., Synchr Radiat News 21 (2008) J. Baruchel et al., C. R. Physique 9 (2008) Z. Bencokova et al., J Synchrotron Rad 15 (2008)

41 European Synchrotron Radiation Facility 6 GeV elektroner 32 beamlines (ID) Biomedical beamline ID17

42 European Synchrotron Radiation Facility 6 GeV elektroner 32 beamlines (ID) Biomedical beamline ID17

43 ID17 Biomedical beamline Experimentstation 2 Experimental hall wall Experimentstation 1

44 Experimentstation 1 Shutter + abs Sec slits MRT mono Attenuators Prim slits 39m 35m 26m Ca 35 m från källan Intensiv fokuserad stråle Dosrat = Gy/s

45 Experimentstation 1

46 Experimentstation 1

47 Experimentstation 2 Detectors Patient pos. system KES mono CT mono ML mono Imaging att. + Slits 157m 142m 135m 152m Ca 145 m från källan Mono-energetisk strålning: E = kev Dosrat = 2.7 mgy/s

48 Experimentstation 2

49 Experimentstation 2