Partikeltherapie
Tumor unter Beschuss
Mancher Tumor ist inoperabel. Doch dank einer Zusammenarbeit der Gesellschaft für Schwerionenforschung mit Siemens wird künftig eine neue viel versprechende Behandlungsmethode verfügbar: die Bestrahlung mit schnellen Partikeln. Sie zerstört Tumore schnell, schonend und dauerhaft.
Eigentlich kommt es mir gar nicht vor wie eine Behandlung ich stehe auf und fahre nach Hause, als sei nichts geschehen. Nur die Maske, mit der mein Kopf für die zehn Minuten der Bestrahlung präzise fixiert wird, erinnert mich an den Grund für meine täglichen Besuche im Forschungszentrum." Das sagt ein Patient, der am Beschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt behandelt wird. Er leidet an einem inoperablen Hirntumor. Für einen chirurgischen Eingriff liegt sein Geschwür zu dicht an Sehnerven und Hirnstamm das Risiko, diese Organe mit dem Skalpell zu schädigen, war den Ärzten zu groß.
Bei der GSI steht aber der Tumormedizin eine neue, besonders präzise Behandlungsmethode zur Verfügung. Die so genannte Partikeltherapie nutzt die Eigenschaften schneller Protonen- und Ionenstrahlen und hat damit bereits erste klinische Erfolge erzielt. Eine Kooperation der GSI mit Siemens Medical Solutions soll nun den Weg zu spezialisierten klinischen Zentren ebnen, die eine bedarfsgerechte Versorgung von Patienten gewährleisten. "Die erhöhte Energieabgabe von Ionen am Ende ihrer Bahn durch das Körpergewebe und ihre hohe biologische Wirksamkeit machen sie zu einem hervorragenden Werkzeug für die Bestrahlung tief liegender Tumore", erklärt Dr. Thomas Haberer, technischer Projektleiter Therapie bei der GSI.
Anerkanntes Heilverfahren. Am Anfang stand die Grundlagenforschung. 1997 war das bei der GSI eingesetzte und weiter entwickelte Rasterscanverfahren (siehe Kasten) reif für die Erprobung an ersten Patienten. Im Jahr darauf startete mit dem Krebsforschungszentrum Heidelberg eine klinische Langzeitstudie mit mehr als 250 Patienten. "Für einige Indikationen wie etwa Schädelbasistumore haben wir bereits die Anerkennung als Heilverfahren", sagt Prof. Dr. Walter Henning, wissenschaftlicher Direktor der GSI. "Um aber das Potenzial dieser innovativen Therapieform völlig zu erschließen, sind weitere klinische Erprobungen auch auf anderen Tumorgebieten wünschenswert."
So stoßen die konventionellen Behandlungsmethoden, von der operativen Entfernung über Chemotherapie oder radiologi- sche Behandlung bis zu Kombinationstherapien, bei manchen Tumoren an biologische Grenzen etwa bei solchen, die schwer zugänglich sind oder dicht an Risikoorganen liegen, wie zum Beispiel Schädelbasis- oder Hirntumore. Ein anderes Anwendungsgebiet sind Weichteilsarkome und das gefürchtete Prostatakarzinom, die von empfindlichem Gewebe umgeben sind. Für diese Indikationen ist die Partikeltherapie ein neuer, effektiver Weg der Behandlung. "Die Ergebnisse haben unsere Erwartungen übertroffen, da die Tumore schnell, schonend und dauerhaft zerstört wurden. Wir möchten diese Art der Bestrahlung nun auch für andere Tumore und mehr Patienten einsetzen", sagt Dr. Dr. Jürgen Debus, ärztlicher Direktor der Klinischen Radiologie in Heidelberg.
Schematische Darstellung des Therapieplatzes der GSI in Darmstadt: Protonen oder Kohlenstoff-Ionen werden punktgenau auf die zu zerstörenden Tumorstellen gelenkt
Die Behandlungsdauer ist kürzer als bei herkömmlichen Bestrahlungsarten: 20 Minuten für die Vorbereitung sowie fünf bis zehn Minuten Bestrahlung typischerweise für die Dauer von zwanzig Tagen genügen, um einen deutlichen Tumorrückgang zu erzielen und erneutes Tumorwachstum zu verhindern. Außerdem verläuft die Therapie sehr schonend: Menschen, die im Arbeitsleben stehen, konnten während der Therapie ihren Beruf weiter ausüben. Außer leichten Schleimhautschwellungen und Hautrötungen traten kaum Nebenwirkungen auf. Diese Vorteile ergeben sich aus der besonderen biologischen Wirksamkeit von Ionenstrahlen (siehe Kasten).
Pilotanlage in Bau. Mit den Erkenntnissen, die am Bestrahlungsplatz in Darmstadt gewonnen wurden, konstruieren die Experten der GSI derzeit für das Uni-Klinikum Heidelberg eine Pilotanlage. Anders als bei der GSI soll dieser Beschleuniger nicht von Wissenschaftlern, sondern von einem eigens geschulten Mitarbeiterteam betrieben werden. Ab 2006 sollen hier drei Bestrahlungsplätze für etwa 1 000 Patienten pro Jahr zur Verfügung stehen. Zwei davon gleichen dem Bestrahlungsplatz an der GSI. Der dritte ist mit einer drehbar gelagerten Strahlzuführung ausgestattet. "Damit kann der Ionenstrahl aus jeder Richtung auf ein erkranktes Organ gelenkt werden, und benachbarte Risikoorgane lassen sich optimal umgehen", erläutert Haberer.
Alle Komponenten der Anlage sind einzeln bereits durch Experimente bei der GSI erprobt worden. Doch die baulichen Einschränkungen und die wirtschaftlichen Anforderungen stellen eine neue Herausforderung dar. Auf einem Areal von 60 × 70 m&sub2; sollen zwei Ionenquellen, ein nur noch 5 m langer Linearbeschleuniger, ein Synchrotron mit sechs Magneten und einem Durchmesser von 20 m sowie drei Therapieräume Platz finden.
Damit diese neue Methode der Bestrahlung von Tumoren auch einer größeren Patientenzahl zugänglich gemacht werden kann, haben der Siemens-Bereich Medical Solutions und die GSI im Oktober 2003 einen Kooperationsvertrag geschlossen. Siemens entwickelt auf Basis der GSI-Patente eine standardisierte und zertifizierte Partikeltherapie-Anlage für den klinischen Routinebetrieb und übernimmt die Produktion und Vermarktung. Die standardisierten Komponenten und die modular aufgebauten Anlagen werden Planung, Inbetriebnahme und Zulassung künftiger Bestrahlungseinrichtungen deutlich vereinfachen und verkürzen. "Mit dem Engagement in die Partikeltherapie unterstreichen wir unsere klare Absicht, mit innovativen Lösungen die marktführende Stellung von Siemens Medical Solutions in der Onkologie auszubauen", betont Dr. Walter Folberth, Projektleiter Partikeltherapie bei Siemens. "Auch fordern unsere Kunden zunehmend einen Gesamtlösungsanbieter mit medizinischer Expertise in Onkologie, diagnostischer Bildgebung und IT-Integration für alle Arbeitsabläufe."
Anja Stemmer
Mit halber Lichtgeschwindigkeit auf einen Tumor
Positiv geladene Ionen wie Protonen oder Kohlenstoffionen sind ideal für die Bestrahlung bestimmter Tumore. Der Grund: Zum einen können sie mit Hilfe einer Beschleunigeranlage auf hohe Geschwindigkeiten gebracht werden, und zum anderen geben sie ihre Energie im Körpergewebe sehr präzise wieder ab. Auf ihrem Bremsweg zerstören sie zunächst das Erbgut weniger Zellen (die dies zudem im Lauf von Stunden wieder reparieren können), aber bei einer bestimmten Eindringtiefe vervielfacht sich ihre Zerstörungskraft, um dann wieder schnell abzufallen. Damit lässt sich der Ort, an dem die Partikel Zellen abtöten, in allen drei Raumrichtungen exakt bestimmen: Die Eindringtiefe (z-Richtung) ergibt sich aus der Energie der Ionen, während die seitliche Ablenkung des Strahls in x- und y-Richtung der Rasterscan mit Hilfe von Magnetfeldern eingestellt wird. Der Ionenstrahl kann damit so präzise geführt werden wie das Skalpell eines Chirurgen, die Bestrahlung ist jedoch schonender für den Patienten und zudem schmerzfrei, weil sich das umliegende Gewebe rasch wieder erholt.
Die Beschleunigeranlage bei der GSI (siehe Grafik) und die geplante Anlage in Heidelberg sind so konstruiert, dass das Rasterscanverfahren optimal zum Einsatz kommt. In einer Gasentladung entstehen die Ionen, die ins System aus Linearbeschleuniger und Synchrotronring eingespeist werden. Im Synchrotron laufen die Partikel mit bis zu 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn um. Es liefert für die Therapieplätze einen gepulsten Partikelstrahl mit exakt vorher definierter Energie, Fokussierung und Intensität, also quasi in abgezählten Portionen. Die Energie bestimmt die Eindringtiefe, die Intensität die Bestrahlungsstärke und die Fokussierung den Dosisabfall ins umliegende gesunde Gewebe. Diese Parameter lassen sich sekundenschnell umschalten.
Vor der Behandlung wird der Tumor mit Hilfe eines Computertomogramms mit etwa einen Millimeter Genauigkeit vermessen. Die Bestrahlungsplaner unterteilen das Tumorvolumen senkrecht zur Strahlachse in virtuelle Schnitte von 2 bis 3 mm Dicke, die der Ionenstrahl dann zeilenweise abtastet. Bei typischen Volumina von 0,5 l müssen die Bestrahlungsparameter für etwa 20 000 Punkte errechnet werden. Für die Behandlungsplanung wählt ein Spezialistenteam dazu aus einer Bibliothek von verschiedenen Fokussierungsgraden und Intensitätsstufen die optimalen Einstellungen aus. Sogar Tumore, die sich um ein gesundes Organ herum geschlungen haben, können auf diese Weise exakt angesprochen werden. (Das Bild am Anfang zeigt am Beispiel von Plexiglasplatten, wie ein Torus so bestrahlt wird, dass die Mitte ausgespart bleibt.)