Laserbasierte Photonen- und
Teilchenstrahlen für die Medizin

Projekte

Öffnet internen Link im aktuellen Fenster D.1.6 | FemtoSCOPE − ein hochauflösendes Zweiphotonensystem für die Krebsdiagnose

Öffnet internen Link im aktuellen Fenster D.1.7 | Entwicklung eines ersten vorklinischen Phasenkontrast-Roentgenmikrotomographen

Bei langsam wachsenden und schlecht durchbluteten Tumoren stoßen die gängigen Strahlentherapien an ihre Grenzen. Oft sind solche Krebsgeschwüre wenig empfindlich gegen eine Bestrahlung, die vor allem auf hochenergetischer Röntgen- oder Elektronenstrahlung beruht. Wegen der unvermeidlichen Schädigung des umgebenden gesunden Gewebes kann im Tumorvolumen nicht die notwendige Strahlendosis verabreicht werden. Mehr Erfolg verspricht eine Therapie mit Protonen oder Kohlenstoffionen, weil diese ihre Energie (Dosis) hauptsächlich am Ende ihrer Reichweite abgeben. Durch Wahl der richtigen Einschussenergie kann die Dosis somit auf den Tumor konzentriert werden. Allerdings ist der dafür notwendige technische Aufwand enorm und entsprechend teuer. Deshalb sind dieser Behandlungsmethode enge wirtschaftliche Grenzen gesetzt.

Die MAP-Wissenschaftler erforschen die Möglichkeiten, die ein kompakter Hochleistungslaser für diese Therapie haben kann. Damit könnten sehr viel mehr Patienten in den Genuss einer Strahlentherapie kommen, weil diese Lasergeräte erheblich kleiner, preiswerter und dazu auch leistungsfähiger sind. Siemens Healthcare AG hat ein starkes Interesse an dieser anwendungsorientierten Forschungsrichtung und unterstützt daher den Exzellenzcluster.

Eine neue Technologie soll mittels eines einzigen Laserblitzes von nur 100 Femtosekunden Dauer Ionen von ausreichender Energie und Intensität erzeugen. Durch die ungeheure Feldstärke im hochintensiven Laserpuls hoffen die Wissenschaftler, Protonen auf über 200 MeV, Kohlenstoffionen sogar auf über 4 GeV beschleunigen zu können. Dazu sind mit der heute üblichen Technologie Beschleunigerringe mit fast 100 Meter Umfang notwendig. Die entsprechende Laseranlage könnte in einem größeren Laborraum Platz finden, daher auch die Bezeichnung „table-top“-Laser.

Ein gepulster Hochleistungslaser ist jedoch nicht nur für die Therapie geeignet, er verspricht auch eine deutlich verbesserte Diagnose von Tumoren. Phasenkontrastaufnahmen mit Röntgenstrahlung liefern Bilder von nie gekannter Schärfe und Auflösung. Die dafür nötige Strahlenqualität können derzeit aber nur aufwändige Synchrotronbeschleunigeranlagen mit vielen hundert Metern Umfang liefern. Auch hier hoffen die MAP-Wissenschaftler, mit einem kompakten, lasergetriebenen Freie-Elektronen-Laser (FEL) konkurrenzfähige Röntgenstrahlung zu erzeugen. Durch spezielle, damit mögliche Techniken könnte sogar eine Unterscheidung von gutartigem und bösartigem Gewebe möglich sein. Voraussetzung für diese neue Aufnahmetechnik sind allerdings neue Detektions- und Datenaufnahmeverfahren.

Das FemtoSCOPE-Projekt überträgt die entscheidenden Fortschritte aus der Zweiphotonen-Mikroskopie in die Endoskopie. Energiereiche Lichtpulse von fs-Dauer regen Farbstoffe zur Aussendung von Fluoreszenzlicht an. Morphologische Analysen (oder in Zukunft auch selektive Anfärbung von Tumorzellen) können Aufschluss über die Entartung der Zelle geben. Die Verwendung von infrarotem Licht ermöglicht zukünftig eine endoskopische Differenzierung entarteter Zellen bis in eine Gewebetiefe von 500µm.

Major Goals

Using brilliant particle and photon sources (A.2) for tumour therapy and medical imaging, first cell experiments on radiobiological effectiveness of ultra intense particle bunches and succeeding animal tests
Tests with light ion beams from tandem accelerator
Developing techniques for x-ray phase contrast imaging including tomography and small-angle x-ray scattering for tissue diagnosis