aus der Forschung der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf

Die Ionenstrahltherapie gegen Krebs wurde ursprünglich an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH entwickelt. Schon seit den 1970er Jahren hatten dort Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Professor Dr. Gerhard Kraft untersucht, wie Ionenstrahlen auf biologische Zellen wirken. Sie stellten fest, dass Ionen ihre Energie erst nach einer genau berechenbaren Strecke freisetzen, die von ihrer Geschwindigkeit abhängt.

Hohe biologische Wirksamkeit

Dadurch lässt sich sehr gut steuern, welche Zellregionen zerstört werden. Während Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung auf ihrem Weg zum Tumor auch das gesunde Gewebe in Mitleidenschaft ziehen, dringen Ionen erheblich schonender durch das gesunde Gewebe. Erst in dem stecknadelkopfgroßen Gewebebereich, in dem sie abstoppen, entfalten sie ihre zerstörerische Wirkung: So lässt sich erreichen, dass das Erbgut der Krebszellen irreparabel geschädigt wird und die Krebszellen absterben. In den folgenden Jahrzehnten arbeiteten Kraft und sein Team zusammen mit Experten aus der Medizin daran, die Ionentherapie für Patienten mit Tumoren im Schädelbereich nutzbar zu machen. Seit 1997 sind am Behandlungsplatz der GSI rund 440 Patienten mit Kohlenstoff-Ionenstrahlen behandelt worden, dabei sind Heilungsraten von bis zu 90 Prozent belegt.

Ionenstrahlen aus maßgefertigtem Teilchenbeschleuniger

Die GSI-Experten haben daran mitgewirkt, eine maßgeschneiderte Beschleunigeranlage für die Tumortherapie am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) zu bauen. Herzstück des HIT ist eine kompakte Beschleunigeranlage, die für den medizinischen Routinebetrieb geeignet ist. Sie besteht aus einem fünf Meter langen Linearbeschleuniger und einem Ringbeschleuniger von 20 Metern Durchmesser. Daran schließen sich drei Behandlungsplätze an. Zwei Behandlungsplätze sind direkte Weiterentwicklungen der bei GSI verwendeten Technik. Ein dritter Behandlungsplatz besitzt ein drehbares Strahlführungssystem für Ionenstrahlen, eine so genannte Gantry, welche aus einem bei GSI entwickelten Prototypen hervorgegangen ist. Diese erlaubt es, den Ionenstrahl aus jeder beliebigen Richtung auf den Tumor eines Patienten zu lenken, was die Behandlungsmöglichkeiten erheblich erweitert.

Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT

Das HIT wurde Ende 2009 eröffnet, schon jetzt werden bis zu 500 Patienten jährlich bestrahlt, perspektivisch sollen jährlich bis zu 1.300 Patienten von dieser Behandlung profitieren. Am HIT werden außerdem zahlreiche klinische Studien zur Wirksamkeit der Ionenstrahltherapie durchgeführt. Das Universitätsklinikum Heidelberg betreibt diese weltweit einzigartige Therapieanlage. „Die Therapiedauer hängt sehr von der Art und Stelle des Tumors ab, sie kann zwischen wenigen Tagen und einigen Wochen betragen, im Maximalfall etwa sechs Wochen“, erklärt Professor Dr. Jürgen Debus, wissenschaftlicher Leiter des Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrums HIT. Dabei dauert die eigentliche Bestrahlung jeweils nur zehn Minuten, die meiste Zeit bei der Behandlung wird mit Kontrollen verbracht, um hohe Präzision zu garantieren.

In Zukunft: Laser beschleunigen Ionen

Doch auch ein maßgeschneiderter Teilchenbeschleuniger ist noch ein extrem großes und damit auch teures Instrument für die medizinische Anwendung. Deshalb arbeiten HZDR-Wissenschaftler um Prof. Dr. Ulrich Schramm daran, Ionenstrahlen auch mit Hilfe von Hochleistungs-Lasern zu beschleunigen. Dabei soll der Laser mit ultrakurzen Lichtimpulsen Teilchen aus einer hauchdünnen Materialfolie schießen. Der Laserstrahl wird dabei auf einen Durchmesser von einigen Mikrometern fokussiert und trifft auf eine dünne Metallfolie mit einem „Druck“ von einigen Milliarden Bar. Dadurch werden die Elektronen nach vorne beschleunigt und ziehen Wasserstoff-Ionen, also Protonen, aus dieser Metallfolie hinter sich her. Das Prinzip funktioniert im Labor: Am Hochleistungslaser DRACO wurden schon die ersten Krebszellen mit Laser-beschleunigten Protonen bestrahlt.

Biologische Fragen: OncoRay

Um die biologische Wirkung von Laser-beschleunigten Ionenstrahlen auf Krebszellen zu untersuchen, arbeiten die Expertinnen und Experten aus dem HZDR mit Kollegen aus der Technischen Universität Dresden und dem Uniklinikum Dresden im Forschungsverbund OncoRay zusammen. „Wir müssen insbesondere klären, ob die Strahlen biologisch genauso auf Zellen wirken wie die Strahlen, die im Moment in Heidelberg eingesetzt werden“, sagt Professor Dr. Michael Baumann, Sprecher von OncoRay. Diese Untersuchungen finden derzeit an Tumorzellen und an Zellkulturen von normalen Geweben statt. Bis die ersten Studien mit Patienten möglich sind, werden noch mehrere Jahre an Sicherheitsforschung nötig sein. „Typischerweise haben unsere Ionenstrahlen eine niedrigere Energie als die, die mit dem Teilchenbeschleuniger erzeugt werden“ sagt Professor Dr. Roland Sauerbrey, Wissenschaftlicher Direktor des HZDR.

Forschung an der Technik

Auch bei der Technik der Laserbeschleunigung ist noch mehr Forschung notwendig. Die Forscher wollen gezielt Ionenstrahlung mit bestimmten Energieprofilen erzeugen und bauen dafür einen neuen Laser auf, der etwa so groß werden könnte wie eine große Modelleisenbahn auf zwanzig bis dreißig Quadratmeter Fläche. Dabei gibt es noch weitere Ideen: So werden zurzeit die Ionenstrahlen für die Krebstherapie durch statische Magnetfelder gesteuert, die Dresdner Wissenschaftler könnten sich aber auch vorstellen, hierfür mit gepulsten Magnetfeldern zu arbeiten. Denn auch dies ist ein Gebiet, auf dem sie weltweit führend sind.

red.