In der Ionenstrahltherapie werden Atomkerne in einem Teilchenbeschleuniger (einem Synchrotron) auf hohe Energien beschleunigt und gezielt auf einen Tumor gelenkt. Dort schädigen sie Krebszellen und zerstören das Tumorgewebe. Diese Technik wird inzwischen in mehreren spezialisierten medizinischen Einrichtungen auf der Welt eingesetzt, etwa am MedAustron in Wiener Neustadt.
Ein neues, vielversprechendes Verfahren, das gerade erforscht wird, sind „Mixed Beams“, die aus zwei unterschiedlichen Ionenarten bestehen: Kohlenstoffkerne zerstören die Tumorzellen, während Heliumkerne gleichzeitig helfen, die Anatomie der Patientinnen und Patienten zu beobachten. Dafür muss man aber das Mischungsverhältnis von Kohlenstoff und Helium im Strahl sehr genau kennen. Doch wie soll man einen Ionenstrahl gleichzeitig vermessen und für die Therapie verwenden? Die TU Wien und MedAustron fanden dafür nun eine Lösung, die einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer Krebstherapie mit Mixed Beams darstellt.
So wenig bestrahlen wie möglich
Trotz der hohen Präzision der Ionenstrahltherapie bestehen Unsicherheiten, etwa durch kleine Organbewegungen, die die Reichweite des Ionenstrahls und damit die genaue Lage der Energiedeposition beeinflussen können. Um trotz dieser Unsicherheiten eine vollständige Behandlung sicherzustellen, wird um den Tumor ein kleiner Sicherheitsabstand mitbestrahlt. Je kleiner dieser Abstand gewählt werden kann, desto präziser ist die Therapie und desto besser werden benachbarte empfindliche Organe geschont.
Um Nebenwirkungen möglichst gering zu halten, wäre es daher ideal, die Reichweite des Ionenstrahls sowie mögliche Reichweitenverschiebungen, beispielsweise durch Organbewegungen, während der Behandlung so präzise wie möglich überwachen zu können. Dafür gibt es die Idee der „Mixed Beams“: Man kombiniert Kohlenstoff- und Heliumionen. Alle Elektronen werden entfernt, die verbleibenden Kohlenstoffkerne haben dann genau dreimal so viel elektrische Ladung wie die Heliumkerne, und sie sind fast exakt dreimal so schwer.
Auf hohe Energien beschleunigen
„Weil das Verhältnis zwischen Ladung und Masse fast gleich ist, bewegen sich die beiden Ionensorten im Teilchenbeschleuniger auch fast exakt auf derselben Bahn, und wir können sie gleichzeitig auf hohe Energien beschleunigen und zu den Patientinnen und Patienten lenken“, erklärt Elisabeth Renner.
Im Gewebe zeigt sich dann aber ein entscheidender Unterschied: Die Heliumionen durchqueren den Körper viel besser – sie können ungefähr den dreifachen Weg zurücklegen. Man kann also einen gemischten Strahl durch den Körper schicken, bei dem die Kohlenstoffionen zur Zerstörung des Tumorgewebes verwendet werden, während die Heliumionen den Körper durchqueren.
Eine Aufnahme der Organe
Anschließend lassen sich die austretenden Heliumionen vermessen. Aus der Restenergie der Heliumionen kann man ableiten, wie weit die Kohlenstoffionen tatsächlich in das Gewebe eingedrungen sind und ob die Bestrahlung wie geplant verläuft. Man kann daraus sogar eine Aufnahme der Organe erstellen, ähnlich wie mit Röntgengeräten oder Computertomographie. So lässt sich noch mehr gesundes Gewebe schonen, insbesondere bei Tumoren in unmittelbarer Nähe empfindlicher Organe.
„Damit diese Methode funktioniert, muss man allerdings genau wissen und kontrollieren können, wie hoch der Anteil der Kohlenstoff- und der Heliumkerne im Strahl ist“, sagt Elisabeth Renner. Und das ist eine große Herausforderung: Entweder man vermisst den Strahl, oder man verwendet ihn für Bestrahlung. Beides gleichzeitig ist kaum möglich.
Wie man Strahlen misst, ohne sie zu stoppen
Das Forschungsteam von TU Wien und MedAustron hat dafür aber nun eine Lösung gefunden: Ganz genau betrachtet hat ein Kohlenstoffkern nicht exakt dreimal so viel Masse wie der Heliumkern, sondern ungefähr 0,065 % weniger. Dieser minimale Unterschied führt dazu, dass Kohlenstoff und Helium im Teilchenbeschleuniger auf minimal unterschiedliche Bahnen gezwungen werden.
„Im Beschleuniger wird ständig kontrolliert, ob der Schwerpunkt des Teilchenstrahls auf der vorgesehenen Bahn liegt“, erklärt Elisabeth Renner. „Kommt es zu einer Abweichung, wird die Hochfrequenz des Beschleunigers minimal angepasst. Weil Helium- und Kohlenstoffkerne sich wegen ihres winzigen Massenunterschieds nicht ganz gleich verhalten, hängt diese Frequenzkorrektur vom Mischungsverhältnis ab.“ Wenn man also genau überwacht, welche Frequenz zur Stabilisierung des Strahls nötig ist, kann man daraus auf das Mischungsverhältnis zwischen Kohlenstoff und Helium schließen.
Internationale Aufmerksamkeit
Genau das wurde an der TU Wien durchgerechnet und in Zusammenarbeit mit MedAustron ausprobiert – und die Ergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung. „Wir konnten zeigen, dass sich mit dieser Methode der Helium- beziehungsweise Kohlenstoffanteil des Strahls messen lässt, ohne den Strahl zu beeinflussen oder zu unterbrechen. Damit können wir während Experimenten und in der Zukunft möglicherweise auch bei Behandlungen überprüfen, ob der Heliumanteil im Strahl dem gewünschten Wert entspricht. Erst wenn das der Fall ist, soll der Strahl für die Bestrahlung freigegeben werden.“
Das Ergebnis wurde nun publiziert und sorgt bereits für internationale Aufmerksamkeit: Am 8. und 9. Oktober kamen Forscherinnen und Forscher aus unterschiedlichen internationalen Teilchenbeschleuniger-Anlagen an die TU Wien um beim „1st Workshop on Mixed Ion Beam Delivery“ aktuelle Entwicklungen und Herausforderungen beim Einsatz gemischter Ionenstrahlen zu diskutieren.
Quelle: idw
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