Den nyutviklede sensoren er den første i sitt slag, og kan altså måle stråling ned på cellenivå i kreftsvulsten.  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 vært veldig vanskelig. For det første er cellen svært liten: I en kubikkmillimeter med vev er det cirka 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 strålingen gjør på cellene.

• Les også: Forskere avslører kreftsvulstenes svakheter

Etterlikner menneskelig vev

Men nå har det internasjonale forskerteamet klart å løse begge disse problemene:

Det første problemet, nemlig størrelsen, løses ved at forskerne har klart å lage en sensor som er like liten som en kreftcelle. Dette har de gjort med en teknologi som heter halvlederprosessering.

Det er en teknologi som blir brukt i all framstilling av mikrobrikker i moderne elektronikk. Alt fra mobiltelefoner, leketøy og kjøleskap 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.

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 strålingen som treffer de ekte kreftcellene.

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 styrken på strålene som treffer, forklarer Kok.

I bruk etter fire års forskning

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.

Den aller første prototypen av sensoren så dagens lys i Sintefs mikro- og nanolaboratorium etter et større samarbeid med forskere i medisinsk strålefysikk fra flere nasjoner. Nylig ble den testet i et europeisk laboratorium - European Synchrotron Radiation Facility - i Grenoble med, bokstavelig talt, strålende resultater. I tillegg er sensoren testet ved Australian Nuclear Science and Technology Organisation av australske forskere.

– 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.

• Les også: Friske naboceller hjelper kreftcellene til å vokse

Vil forbedre protonterapien

Forsker Marco Povoli har jobbet i prosjektet både som Sintef-ansatt og forsker ved Universitetet i Oslo. 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 i Australia, som vi samarbeidet med, jobbet lenge med å lage sensorer for protonterapi, sier forskeren.

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 Povoli.

Nå er sensoren testet med gode resultater. Ifølge forskerne er den i stand til å måle reell strålingsdose 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.

• Les også: Kreftforskernes fem største utfordringer nå

Referanse: 

Povoli Marco m.fl: Functional Characterisation of Novel Silicon Beam Monitors for the Micro-beam Radiation Therapy. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. 2016. ISSN 1082-3654