FAIR

Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

fileadmin/_migrated/pics/FAIR_Logo_rgb.png

GSI ist Mitglied bei

fileadmin/oeffentlichkeitsarbeit/logos/Helmholtz-Logo_web.png

Gefördert von

BMBF HMWK MWWK TMWWDG

Außenstellen

HI-Jena HIM

03.06.2013 | Tumoren erkennen und behandeln mit Protonen

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung/Los Alamos National Laboratory

Durchleuchtete Maus

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung/Los Alamos National Laboratory

Matroshka

Foto: Achim Zschau, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Therapie mit Kohlenstoff-Ionen bei GSI

 

Kann man einen Tumor gleichzeitig untersuchen und behandeln? Diese Idee könnte bald Wirklichkeit werden. In einem gemeinschaftlichen Experiment der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, der Technischen Universität Darmstadt (TUD) und des Los Alamos National Laboratory (LANL), USA, haben Forscher im Dezember 2012 gezeigt, dass dies mit Strahlen aus schnellen Protonen gelingen könnte. Die Kombination von Therapie und Diagnostik nennen die Forscher Theranostik.

In den Experimenten an der Beschleunigeranlage in Los Alamos haben die Wissenschaftler eine Maus mit schnellen Protonen durchleuchtet. Winzige Strukturen wie das Rückgrat oder die Rippen sind dabei genau zu erkennen. Ebenfalls mit den Protonen durchleuchtet wurde die menschenähnliche Spezialpuppe des Matroshka-Experiments, die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für Dosimetrieexperimente auf der Internationalen Raumstation ISS eingesetzt wird.

Protonen sind die Atomkerne von Wasserstoffatomen. Mithilfe eines Beschleunigers lassen sie sich auf hohe Geschwindigkeiten bringen. Ähnlich wie die in der medizinischen Diagnostik etablierten Röntgenstrahlen können die Protonen ein Objekt durchstrahlen und ein Bild von ihm erzeugen. "Mit dieser Technik wurden bisher leblose Objekte untersucht – man kann beispielweise ein Plasma oder eine Explosion damit durchleuchten und ein Abbild der Bewegungen darin erzeugen", erklärt Dr. Dimitry Varentsov aus der GSI-Plasmaphysik. In den Experimenten in Los Alamos haben Forscher aus der GSI-Plasmaphysik und -Biophysik nun erstmals Bilder und Filme von biologischem Material erzeugt.

"Die gleichen schnellen Protonen, die für die Bildgebung eingesetzt werden, könnten auch für die direkte Behandlung eines Tumors genutzt werden. Man könnte gezielt und millimetergenau eine Dosis Protonen durch den Tumor hindurchschießen, um ihn zu zerstören – Zielen und Schießen", sagt Professor Marco Durante, Leiter der GSI-Biophysik. "Die von den schnellen Protonen erzeugten Bilder haben eine hohe Auflösung, man kann sehr kleine Strukturen erkennen. So könnte man insbesondere die Abgrenzung zwischen empfindlichem gesunden Gewebe und dem Tumor sehr präzise vornehmen."

"Im Falle der Protonentherapie bekäme man bei einer therapeutischen Bestrahlung gleichzeitig ein genaues Bild der Umgebung des Tumors geliefert, um die Therapie in den Folgesitzungen perfekt einzustellen. Das ist bei sehr empfindlichem Gewebe in der Umgebung, wie Rückenmark oder Hirnstamm, besonders wichtig", erklärt Dr. Matthias Prall aus der GSI-Biophysik, der an den Experimenten in Los Alamos beteiligt war. "Man kann sich quasi an die kritischen Stellen vorsichtig herantasten und sicherstellen, dass der Tumor abgetötet, das gesunde Gewebe jedoch erhalten wird."

GSI hat bereits langjährige Erfahrung in der Tumortherapie mit Verwendung von Kohlenstoffionen zur Bestrahlung. Auch für diese Therapieform wäre die Protonen-Diagnostik vorteilhaft. Bisher werden Informationen über den Tumor durch Diagnostik mit Röntgenstrahlen (CT) gewonnen. Die verschiedenen Gewebearten auf dem Weg der Strahlung zum Tumor spielen dabei eine große Rolle. Die Röntgenstrahlen dringen jedoch anders in das Gewebe vor als die Ionenstrahlen. Die durch ein CT gewonnenen Daten müssen anschließend so umgerechnet werden, dass sie für die Planung der Bestrahlung mit Ionen verwendet werden können. Die Protonen-Diagnostik könnte genutzt werden, um die Reichweitenunsicherheit zu reduzieren und in Folge die Ränder der Bestrahlung noch präziser zu bestimmen. Dies würde gesundes Gewebe schonen.

In geplanten Experimenten im Herbst 2013 in Los Alamos wollen die Forscher von GSI, TUD und LANL weitere biologische Proben untersuchen. Langfristig ist geplant, mit der Technik einen Tumor sichtbar zu machen und direkt mit der Strahlung zu therapieren. Das könnte zunächst entweder ein künstlicher Tumor in der Matroshka-Puppe oder ein Tumor an einem Tier sein.

"In Zukunft werden solche Experimente auch an der Beschleunigeranlage FAIR möglich, die momentan in internationaler Zusammenarbeit errichtet und mit den bestehenden GSI-Anlagen verbunden wird", zeigt Durante als Perspektive auf. "An FAIR ist ein Experimentierplatz geplant, der von den Forschern aus der Plasma- und Biophysik gemeinschaftlich genutzt wird. FAIR kann Protonen mit deutlich höheren Energien zur Verfügung stellen als sie GSI oder die Anlage in Los Alamos aktuell liefert. Das wird die Bildqualität verbessern und eine weitere Untersuchung der Therapiemöglichkeiten erlauben."

Video: Durchleuchtung einer Maus mit schnellen Protonen - Längsschnitte

Video: Durchleuchtung einer Maus mit schnellen Protonen - Querschnitte


/fileadmin/oeffentlichkeitsarbeit/pressemitteilungen/2013/theranostik-maus-rueckgrat.tif
/fileadmin/oeffentlichkeitsarbeit/pressemitteilungen/2013/theranostik-matroshka-phantom.png
/fileadmin/_migrated/pics/2_GSI_Therapie_2.jpg
Durchleuchtete Maus
Matroshka
Therapie mit Kohlenstoff-Ionen bei GSI
Im mit schnellen Protonen generierten Bild sind die Knochen der Maus, beispielsweise das Rückgrat, deutlich zu sehen.
Bei der Durchleuchtung mit schnellen Protonen ist der innere Aufbau der Spezialpuppe des Matroshka-Experiments sichtbar. Man kann die Knochen und die Zähne erkennen.
Auch die bestehende Therapie mit Kohlenstoff-Ionen, die bei GSI entwickelt wurde, könnte durch die Protonen-Theranostik verbessert werden.
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung/Los Alamos National Laboratory
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung/Los Alamos National Laboratory
Foto: Achim Zschau, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung