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31.08.2018 | 20 Jahre Tumortherapie: 1998 haben die klinischen Studien begonnen

Foto: A. Zschau/GSI

Behandlungsplatz bei GSI

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Rasterscanverfahren

Foto: Mathias Ernet, Springer Medizin

Anwendung im klinischen Betrieb

 

Vor 20 Jahren starteten am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung die klinischen Studien für eine neuartige Krebstherapie mit beschleunigten Kohlenstoffionen. Im August und September 1998 wurden die ersten Patienten über einen Zeitraum von insgesamt drei Wochen mit einer kompletten Kohlenstofftherapie behandelt. Es war der Startpunkt einer Erfolgsgeschichte, die von der Grundlagenforschung in die breite medizinische Anwendung führte.

Vorausgegangen waren gemeinsame Forschungen des GSI Helmholtzzentrums mit der Radiologischen Klinik und dem Deutschem Krebsforschungszentrum Heidelberg (DKFZ) sowie dem Forschungszentrum Rossendorf. Erste, einzelne Bestrahlungen mit schweren Ionen gab es bereits im Dezember 1997. Davor lagen vier Jahre technischen Aufbaus der Therapie-Einheit mit einem Patienten-Bestrahlungsplatz am Schwerionen-Beschleuniger der GSI und 20 Jahre Grundlagenforschung in Strahlenbiologie und Physik.

Die Behandlung mit Ionenstrahlen ist ein sehr präzises, hochwirksames und gleichzeitig sehr schonendes Therapieverfahren. Der große Vorteil der Methode: Die Ionenstrahlen, die zuvor in der Beschleunigeranlage der GSI auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht wurden, entfalten ihre größte Wirkung erst im Tumor, das umliegende gesunde Gewebe wird geschont. Weil die Reichweite eines Schwerionen-Strahls millimetergenau gesteuert werden kann, werden die Teilchen im Tumor gestoppt und können dort ihre Energie konzentriert abgeben. Das Verfahren eignet sich damit vor allem für tiefliegende Tumore in der Nähe von Risikoorganen, wie zum Beispiel dem Sehnerv oder dem Hirnstamm.

Mit dem ebenfalls bei GSI entwickelten und erstmals in der Schwerionentherapie eingesetzten Rasterscan-Verfahren lässt sich der Kohlenstoff-Strahl sehr präzise über den Tumor führen. Die Strahlendosis kann Punkt für Punkt im schädlichen Tumorgewebe platziert werden. Zur Intensitätsregelung verweilt der Strahl so lange auf jedem Punkt, bis die berechnete Solldosis erreicht ist. Trotz der großen Zahl von Punkten/Pixeln dauert die Bestrahlung eines Feldes nur wenige Minuten. Das Verfahren stellt eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen Strahlführungsmethoden dar und erlaubt eine sehr exakte Bestrahlung komplex geformter Tumoren.

Mit großem Erfolg wurden bei GSI bis 2008 über 440 Patienten mit Tumoren im Kopf- und Halsbereich mit Ionen des Kohlenstoffatoms behandelt. Inzwischen setzen Spezialkliniken in Heidelberg (Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT) und Marburg (Marburger Ionenstrahl-Therapiezentrum MIT) sowie in Shanghai, China, maßgeschneidert um, was vor 20 Jahre bei der Darmstädter GSI begonnen hat. Initiator und entscheidender Wegbereiter der Tumortherapie ist Professor Gerhard Kraft. Bereits Anfang der 1980er Jahre baute er die biophysikalische Forschungsabteilung bei GSI auf, deren Leiter er von 1981 bis 2008 war. Er erinnert sich zurück an die Anfänge: „Die meisten haben es damals kaum für möglich gehalten, die hervorragenden biologisch-medizinischen Eigenschaften von Ionenstrahlen technisch für die Therapie nutzbar zu machen. Dies war nur möglich durch das Zusammenwirken vieler Disziplinen wie Kern- und Atomphysik, Strahlenbiologie und -medizin, Beschleunigerphysik, Informatik und noch vielen mehr.“

Auch der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, betont den großen Nutzen für die Gesellschaft: „Die Methode ist ein herausragendes Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung durch gelungenen Technologietransfer der Gesellschaft und den Menschen zugutekommt und bis heute immer weiterentwickelt wird.“ Denn die Forschungsarbeit ist nach dem Bau der Anlagen in Heidelberg und Marburg, an deren Entwicklung und Konstruktion GSI maßgeblich beteiligt war, längst nicht beendet. Auch im Programm „APPA“, eine der vier großen Forschungssäulen des künftigen Beschleunigerzentrums FAIR, das derzeit bei GSI entsteht, sind weitere medizinische Anwendungen ein wichtiges Ziel der biophysikalischen Fragestellungen. FAIR bietet neue Forschungsmöglichkeiten für die Partikeltherapie der nächsten Generation, zum Beispiel durch den Einsatz von hochenergetischen Ionen für die Radiographie oder von radioaktiven Ionen für die Online-PET-Bildgebung.

„Als Pionier der Schwerionentherapie in Europa ist GSI heute das zentrale Forschungszentrum auf diesem Gebiet", sagt der Nachfolger von Professor Kraft als Direktor der Abteilung Biophysik, Professor Marco Durante. "Wir sind bestrebt, die Partikeltherapie zum Wohle der Patienten zu verbessern und nach neuen Strategien und Lösungen zu suchen, um Schwerionenstrahlen zur Behandlung von Krebs und Nichtkrebserkrankungen einzusetzen", so Durante abschließend. Derzeit arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Biophysik-Abteilung beispielsweise an der möglichen Kombination von Schwerionen- und Immuntherapie. Aktuell laufen auch Arbeiten zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen mit Ionenstrahlen. Auch hier lassen sich die Vorteile der Ionentherapie – punktgenaue Applikation und bestmögliche Schonung des umliegenden Gewebes – nutzen, sodass Kohlenstoffionen bei Herzrhythmusstörungen in einigen Jahren eine nicht-invasive Alternative zu der bisherigen Behandlung mit Herzkathetern oder Medikamenten darstellen könnten.

Ein weiteres großes Ziel ist die Behandlung von bewegten Tumoren an inneren Organen, beispielsweise bei Krebs der Lunge, der Leber oder der Bauchspeicheldrüse. Denn der Ionenstrahl trifft zwar sehr exakt, für diese Präzisionsbestrahlung müssen die Patienten millimetergenau fixiert werden. Tumoren im Bauch- und Brust-Raum jedoch werden auch durch Atmung und Herzschlag bewegt. Möglichkeiten zu finden, um die Präzision und Homogenität der Bestrahlung auch bei bewegten Zielen zu erreichen, sind eine Fragestellung, an der die aktuelle Forschungsarbeit ansetzt. Die Tumortherapie mit schweren Ionen lässt somit noch breiten Raum für weitere wissenschaftliche Erkenntnisse, damit sie in Zukunft noch besser zum Wohle vieler Patienten eingesetzt werden kann. (BP)


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Behandlungsplatz bei GSI
Rasterscanverfahren
Anwendung im klinischen Betrieb
Das Bild zeigt den Behandlungsplatz am Beschleuniger bei GSI, an dem die klinischen Studien zur Tumortherapie mit schweren Ionen durchgeführt wurden. Um den Tumor exakt bestrahlen zu können, muss der Kopf des Patienten mit einer individuellen Maske fixiert werden.
Der Tumor wird in Schichten eingeteilt. Die Schichttiefe wird durch die Energie der Kohlenstoffionen eingestellt. Durch magnetische Ablenker wird der Strahl von rechts nach links und von oben nach unten über die Schicht gescannt.
Im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT wird die bei GSI entwickelte Tumortherapie mit schweren Ionen im Routinebetrieb umgesetzt.
Foto: A. Zschau/GSI
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Foto: Mathias Ernet, Springer Medizin