Mit Protonenstrahlen werden am PSI Tumore behandelt. Weil diese Bestrahlung für das gesunde Gewebe besonders schonend ist, waren unter den Patientinnen und Patienten bisher auch 370 Kinder und Jugendliche unter 18 Jahren. Die in der Schweiz einmaligen Anlagen für Krebsbehandlungen wurden nur möglich, weil am PSI seit 40 Jahren mit Protonenbeschleunigern geforscht wird.

David Meer hat am PSI die Protonenbestrahlungsanlage Gantry 2 zur Behandlung von Krebspatienten mitentwickelt.

Die Patientin wird in den Behandlungsraum begleitet und legt sich auf den Behandlungstisch. Nachdem sie richtig positioniert und fixiert ist, dreht der Tisch in die Behandlungsposition der Therapiestation Gantry 2, der jüngsten Generation der Protonenbestrahlungsanlage. Während der Tisch still steht, beginnt sich die Gantry 2 um die Patientin zu drehen. Ist die richtige Position erreicht, startet der Radiologieassistent im Nebenraum die Bestrahlung mit Protonen, den positiv geladenen Teilchen, die in jedem Atomkern vorkommen. Die Patientin leidet unter einem Gehirntumor an der Schädelbasis, der mit einer Operation nicht entfernt werden kann. Deshalb soll das Tumorwachstum durch Bestrahlung gestoppt werden. Die Protonenstrahlen tasten den Tumor millimetergenau Punkt für Punkt ab. Dazu lenken Magnete den Strahl wie bei einem alten Röhrenfernseher. Die zielgenaue Bestrahlung schont das umliegende gesunde Gewebe.

Die Gantry 2 steht im Zentrum für Protonentherapie (ZPT) auf dem Gelände des PSI in Villigen. «Diese Anlage ist einmalig», sagt der Hochenergiephysiker David Meer, der seit 2004 an deren Entwicklung beteiligt ist. Weltweit gebe es nichts Besseres. Denn der Protonenstrahl kann das kranke Gewebe besonders schnell und präzise abrastern. Mit der Gantry 2 werden seit November 2013 Krebspatienten behandelt. Doch schon der Vorläufer war Weltspitze: Als die Gantry 1 im Jahr 1996 in Betrieb ging, wurde dieses Verfahren, das die Fachleute als Spot-Scanning-Technik bezeichnen, erstmals zur Bestrahlung von Krebspatientinnen und -patienten angewendet. «Das war ein genialer Wurf – auch noch aus heutiger Sicht», sagt David Meer. Inzwischen wurden mit der Gantry 1, die neben der Gantry 2 weiterhin in Betrieb ist, über 900 Patienten und Patientinnen behandelt.

Ein gewagtes Projekt zahlt sich aus

Die Protonen für die Bestrahlungen erzeugt seit 2007 ein Beschleuniger, der konzeptionell an der US-amerikanischen Michigan State University entwickelt und von der deutschen Firma Accel (heute Teil von Varian Medical Systems) realisiert wurde. Dabei konnte man auch auf Fachleute und eine jahrzehntelange Erfahrung des PSI zugreifen. Denn vor vierzig Jahren ging in Villigen der erste grosse Protonenbeschleuniger in Betrieb, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt noch heute benutzen, allerdings nicht für medizinische Zwecke, sondern für Forschungsexperimente. «Ohne dieses Wissen und diese Erfahrung hätten wir die Anlagen für die Krebsbehandlung am PSI nicht aufbauen können», sagt David Meer. Dabei war der Bau des 100 Mio. CHF teuren Beschleunigers damals keineswegs unumstritten. «Es war ein Wagnis, weil es auf der ganzen Welt kein Vorbild gab», schrieb die Neue Zürcher Zeitung beim Start der Anlage im Jahr 1974. Doch das Projekt sei in jahrelanger Arbeit mit grosser Umsicht entwickelt worden.

Um einen Blick auf den imposanten, altgedienten Beschleuniger zu werfen, muss man in der Experimentierhalle über ein Metallgerüst auf eine Galerie klettern. Unter einer Betondecke verborgen sind acht grosse, 250 Tonnen schwere Magnete in einem Kreis angeordnet. Dazwischen befinden sich vier sogenannte Kavitäten, in denen die Protonen mit Hilfe von Wechselspannung beschleunigt werden. Die Magnete halten die Teilchen auf ihrer Bahn. Rund 15 Meter beträgt der Durchmesser des Rings, in dem die Protonen so stark beschleunigt werden, dass sie mit fast  80 % der Lichtgeschwindigkeit rasen. Dann prallen sie auf spezielle Stücke aus Kohlenstoff und erzeugen dabei Myonen – Teilchen, die Elektronen gleichen, aber viel schwerer sind. Oder sie schlagen Neutronen, die ungeladenen Bestandteile von Atomkernen, aus Bleitargets heraus.

Um den grossen Ringbeschleuniger herum sind Messplätze angeordnet, an denen die Forschenden mit den neu fabrizierten Teilchen Experimente durchführen, die zum Teil nur am PSI möglich sind. Während die Anlage vor 40 Jahren vor allem der Grundlagenforschung in der Teilchenphysik diente, kamen im Laufe der Zeit Forschungsexperimente in Materialwissenschaften, Strukturbiologie und sogar Archäologie dazu. So untersuchen Forschende mit Hilfe von Myonen heute dünnste Schichten neuartiger Materialien, oder sie durchleuchten mit Neutronen prähistorische Kunst gegenstände. Dank kontinuierlicher Nachrüstungen hält das PSI seit 1994 sogar einen Weltrekord: «Unser Protonenstrahl ist der weltweit leistungsstärkste», sagt Prof. Leonid Rivkin, der Leiter des Bereichs Grossforschungsanlagen am PSI und Professor für Teilchenbeschleunigerphysik an der EPFL.

Heilung für Patientinnen und Patienten mit Augentumoren

Schon vor dreissig Jahren nutzte das PSI die Protonenstrahlen nicht nur für die Forschung, sondern auch zur Behandlung von Krebspatientinnen und -patienten. Den Anfang machte die Bestrahlung von Augentumoren. Inzwischen wurden am PSI über 6 300 Patienten mit derartigen Tumoren erfolgreich behandelt. Besonders erfreulich: Auch nach fünf Jahren liegt die lokale Tumorkontrollrate der Augenpatienten bei 98 %. Als Gantry 1 den Betrieb aufnahm, konnten damit auch tiefliegende Tumore vor allem im Bereich des Kopfes behandelt werden.

Da der 1974 in Betrieb genommene Protonenbeschleuniger für den medizinischen Betrieb nicht optimal geeignet war, wurde ein neuer Beschleuniger entwickelt. «Wie Gantry 1 und 2 nahm auch dieser Protonenbeschleuniger eine Voreiterrolle ein», sagt David Meer. Dank supraleitenden Magneten, die besonders starke Felder erzeugen, hat der neue, 2007 in Betrieb genommene Beschleuniger einen Durchmesser von nur noch drei Metern. Mit der Beteiligung an der Entwicklung der Anlage habe das PSI ein Risiko auf sich genommen, das sich aber gelohnt habe, meint der Experte. Die Herstellerfirma konnte bereits drei weitere Beschleuniger ausliefern und baut zurzeit mehrere neue zusammen.

Für die Bildgebung steht im Behandlungsraum ein Computertomograph sowie ein integriertes Röntgensystem zur Verfügung.

Eine besondere Vorreiterrolle übernahm das PSI auch bei der Auswahl der Patienten: Seit 2004 behandelt das Zentrum nicht nur jugendliche und erwachsene Patientinnen und Patienten aus ganz Europa, sondern auch Kleinkinder, die einen Tumor im Kopf oder Rumpf aufweisen. Während herkömmliche Röntgenstrahlen den Körper durchdringen, stoppen die Protonen, nachdem sie im Körper eine bestimmte Distanz zurückgelegt haben. Das dahinter liegende Gewebe erhält keine oder höchstens eine reduzierte Strahlendosis und wird so geschont. «Das ist gerade für Kinder extrem wichtig», sagt David Meer. Zwar lasse sich das Tumorwachstum auch mit einer konventionellen Bestrahlung aufhalten, doch diese könne auch das gesunde Gewebe schädigen. «Wir bestrahlen vielleicht nicht besser, aber schonender», zieht der Experte Bilanz.

Kinder und Jugendliche machen rund 50 % aus

Zwar gibt es noch nicht genügend Langzeitdaten, doch die Fachleute sind überzeugt, dass die Bestrahlung mit Protonen die Lebensqualität der behandelten Kinder erhöht. Damit die kleinen Patientinnen und Patienten während der Bestrahlung still liegen, erhalten sie eine Anästhesie. Dafür zuständig ist das Anästhesieteam des Kinderspitals Zürich. In den letzten zehn Jahren wurden bereits 220 Kinder so behandelt, die in der Regel unter sieben Jahre alt sind. Kinder und Jugendliche unter 18 Jahren machen inzwischen rund die Hälfte der behandelten Krebspatienten am PSI aus.

Mit Gantry 2 sollen in Zukunft noch mehr Krebspatientinnen und -patienten von der modernen Technologie profitieren. Denn mit der neuen Anlage wollen die Ärztinnen und Ärzte nicht nur seltene Tumore im Kopf- und Wirbelsäulenbereich behandeln, sondern beispielsweise auch Lungenkrebs. Die Schwierigkeit dabei: Beim Atmen bewegt sich der Tumor. Um die Lage des kranken Gewebes dennoch genau zu bestimmen, steht im Behandlungsraum neben der Gantry 2 ein Computertomograph, der zeitaufgelöste Bilder des bewegten Zielvolumens liefern kann. Zusätzlich ist in der Gantry 2 ein Röntgensystem integriert. «Das ist sehr innovativ», sagt David Meer, «weil es Röntgenbilder in Strahlungsrichtung erlaubt und während der Bestrahlung Informationen über die Verschiebung des Tumors liefert.»

Erste Behandlungen von beweglichen Tumoren in der Gantry 2 sollen Ende 2015 beginnen. Zudem ist bereits eine weitere Anlage, Gantry 3, im Bau. Diese wird in einer Forschungskollaboration mit der Herstellerfirma Varian Medical Systems erstellt, aus dem Lotteriefonds des Kantons Zürich mitfinanziert und ab 2016 in Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich betrieben.