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Medikamente aus dem Teilchenphysik-Forschungslabor
CERN-MEDICIS stellt Isotope für medizinische Zwecke her
Das CERN in Genf ist die weltweit grösste Einrichtung für die Erforschung der Elementarteilchen. Die Apparaturen, die gewöhnlich der Wissenschaft dienen, können mitunter aber auch für praktische Zwecke genutzt werden. Das gilt zum Beispiel für die Protonen aus dem Proton Synchrotron Booster (PSB): Sie können weiter im grossen Teilchenbeschleuniger LHC für wissenschaftliche Experimente genutzt werden. Mit den Protonen lassen sich aber auch Isotope herstellen, die in der Strahlenmedizin gute Dienste leisten. Solche Isotope werden in der vor kurzem eröffneten Einrichtung CERN-MEDICIS hergestellt.
Atome bestehen aus einem positiv geladenen Atomkern, der von einer Anzahl negativ geladener Elektronen umgeben ist, sodass netto Atome als neutrale Objekte erscheinen. Die Gesamtladung eines Atomkerns bestimmt somit das entsprechende chemische Element im Periodensystem. Atomkerne wiederum bestehen aus Protonen und Neutronen. Es ist somit die Zahl der Protonen im Atomkern, die die chemischen Eigenschaften definieren. Die Zahl der Neutronen kann dabei variieren, was dazu führt, dass es Atome gibt, die in ihren chemischen Eigenschaften identisch sind, sich aber in ihrer Masse unterscheiden. Isotope sind Atomkerne, bei denen nicht nur die Anzahl der Protonen exakt definiert ist, sondern wo es auch auf die exakte Anzahl der Neutronen ankommt.
Von den gut 3300 bekannten Isotopen ist nur eine geringe Zahl stabil. Die meisten sind instabil, verwandeln sich also durch radioaktiven Zerfall in andere Atomkerne. Diese radioaktiven Isotope, kurz Radioisotope, haben verschiedene Anwendungen. Einige werden in der Strahlenmedizin genutzt. Mit ihnen lassen sich zum Beispiel Krebserkrankungen diagnostizieren und auch behandeln. Für verschiedene medizinische Zwecke sind unterschiedliche Isotope geeignet. Die Herstellung von Radioisotopen ist anspruchsvoll. Im Dezember 2017 hat CERN-MEDICIS ihren Betrieb aufgenommen. Die Einrichtung auf dem CERN-Gelände in Meyrin bei Genf hat sich ganz der Aufgabe verschrieben, geeignete Radioisotope für medizinische Anwendungen herzustellen.
Krebsdiagnose mit Terbium-Isotop 155
Das erste und bisher einzige Radioisotop, das von CERN-MEDICIS hergestellt wird, ist Terbium 155Tb. Dieses Isotop wird von Ärzten seit jüngerer Zeit zur Diagnose von Prostata-Krebs eingesetzt. „Bis die Isotope in Spitälern zum Nutzen der Patienten eingesetzt werden können, haben sie einen langen Weg hinter sich. Ihren Ursprung haben die Isotope in den Forschungsanlagen, die Teilchenphysiker am CERN für die Grundlagenforschung erbaut haben“, sagt Stefano Marzari, ein Schweizer Maschinenbauingenieur, der seine Ausbildung an der Ingenieurschule Fribourg erworben hat und von Beginn weg beim Aufbau von CERN-MEDICIS mitgearbeitet hat.
Tatsächlich ist es ein weiter Weg, bis ein Terbium-Isotop bereit ist für die Anwendung beim Patienten. Ganz am Anfang steht ein Druckbehälter, gefüllt mit Wasserstoffgas. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht aus exakt einem Proton und null, einem, zwei oder auch mehr Neutronen; wobei null Neutronen die häufigste Form in der Natur ist. Diese Protonen sind der Ausgangsstoff, den man zur Herstellung von 155Tb braucht. Die Wasserstoffkerne werden am CERN im Linerarbeschleuniger LINAC in einem elektrischen Feld beschleunigt und dann in den Ringbeschleuniger PSB eingeleitet. Dort werden sie abermals beschleunigt, wodurch sie eine Energie von 1,4 Gigaelektronenvolt (GeV) erreichen.
Von PSB über ISOLDE zu CERN-MEDICIS
An dieser Stelle gehen die Protonen getrennte Wege: Ein Teil der im PSB beschleunigten Teilchen gelangen in weitere Ringbeschleuniger und werden schliesslich – mit einer 5'000fach höheren Energie von rund 7'000 GeV – für bahnbrechende Teilchenphysik-Experimente im Large Hadron Collider genutzt. Ein anderer Teil der PSB-Protonen hingegen gelangt zu ISOLDE, kurz für: Isotope Separator On Line Device. ISOLDE nutzt Protonen, um radioaktive Ionenstrahlen für wissenschaftliche Experimente in der Kernphysik sowie Material- und Biowissenschaften zu generieren. Die Ionenstrahlen entstehen, wenn die Protonen auf Zielscheiben ('targets') aus speziellen Materialien treffen.
An diesem Punkt trennen sich die Wege zwischen teilchenphysikalischer Forschung und medizinischer Anwendung nun definitiv: „Nur 10% der Protonen, die ISOLDE erreichen, werden auch durch das Experiment benutzt; der Rest fliegt quasi ungenutzt durch ISOLDE hindurch. Diese bisher verlorenen Protonen nutzen wir bei CERN-MEDICIS nun neu für medizische Zwecke. Wir arbeiten also quasi mit einem Abfallprodukt“, schmunzelt Stefano Marzari. Konkret bedeutet das: Die Protonen, die die ISOLDE-Targets ungenutzt durchqueren, werden auf ein CERN-MEDICIS-Target gelenkt und dort zur Isotopen-Produktion genutzt.
Extraktion von Terbium-Isotopen
Als Targets sollen bei CERN-MEDICIS in Zukunft Metalle wie Tantal oder keramische Stoffe wie Uran oder Siliziumkarbid eingesetzt werden. Für das erste Isotop, das hier hergestellt wird, nämlich 155Tb, wird als Target das Übergangsmetall Tantal verwendet, das beispielsweise in Implantaten und für die Herstellung von Knochennägeln Verwendung findet. Das Target ist eine Röhre von ca. 20 cm Länge; darin befinden sich 20 Wickel aus Tantalfolie, jeder ca 1 cm breit. Wenn Protonen auf die Folien treffen, entstehen unter anderem 155Tb-Isotope. Damit sind die Betreiber von CERN-MEDICIS aber noch nicht am Ziel: „Die grosse Herausforderung besteht darin, die Isotope aus dem Target herauszubekommen“, sagt Stefano Marzari.
Für die Extraktion wird das mit Terbium-Isotopen versetzte Target in einen zwanzig Meter entfernten Bunker gebracht. Dieser ist mit 40 cm dicken Stahlwänden geschützt, im Innern herrscht Unterdruck. Diese Vorkehrungen stellen sicher, dass vom Target keine radioaktiven Partikel unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Im Bunker werden die Terbium-Isotopen in vier Schritten aus dem Target extrahiert: Zuerst wird die Tantalröhre, die neben 155Tb eine grosse Anzahl weiterer Isotope enthält, in einem Vakuumbehälter auf 2000 °C erhitzt. Die 155Tb-Isotope wechseln dadurch in den gasförmigen Aggregatszustand. Alle Isotope, die durch die grosse Hitze ausgasen, werden zuerst ionisiert, dann in einem elektrischen Feld beschleunigt und anschliessend durch einen Elektromagneten seitlich abgelenkt – die leichteren Isotope stärker, die schwereren schwächer. So werden die verschiedenen Arten von Isotopen nach Masse voneinander getrennt. Die 155Tb-Isotope werden dabei auf einem 2 x 1 cm grossen Metallplättchen gesammelt. In der Form werden die Isotope dann an die Partnerorganisationen oder Spitäler verschickt. Dort werden sie mit einem chemischen Prozess aus dem Plättchen gelöst und können für Krebsdiagnostik und -behandlung eingesetzt werden.
Isotope für neue Anwendungen
„Wir sind sehr froh, dass wir die hochenergetischen Protonen, die am CERN für wissenschaftliche Zwecke produziert werden, für medizinische Anwendungen nutzen dürfen“, sagt Thierry Stora, Sprecher und Projektkoordinator von CERN-MEDICIS. Dabei sind die 155Tb-Isotope nur der Anfang. In Zukunft soll hier eine breite Palette von Isotopen hergestellt werden und damit die Grundlage schaffen für neue innovative Anwendungen in der Strahlenmedizin.
Autor: Benedikt Vogel