Viele moderne Methoden der Medizin sind aus Anwendungen der Kernphysik entstanden. Moderne bildgebende Verfahren wie Magnet-Resonanztomographie, Positronen-Emissionstomographie oder die Herzuntersuchung mittels radioaktiver Kontrastmittel sind genauso Beispiele wie die Strahlentherapie für Krebspatienten.

Unsere Forschungsgruppe arbeitet aktiv an verschiedenen Projekten der Krebsforschung, sowohl lokal an der Universität zu Köln als auch innerhalb internationaler Kollaborationen.

Ein Forschungsschwerpunkt ist die Strahlentherapie mittels Protonen-und Kohlenstoff-Ionen. Die Strahlentherapie ist ein wichtiges Standbein der Krebstherapie, und fast die Hälfte der Krebspatienten erhalten eine Strahlentherapie, oft in Kombinationen mit anderen Therapieformen.

Die Grundidee der Strahlentherapie ist es, eine hinreichend große Strahlendosis (gemessen in "Gray") in dem Tumor zu deponieren, ohne dabei letale Schäden im gesunden Gewebe zu hinterlassen. Herkömmliche externe Strahlentherapie benutzt hierzu γ-Strahlen, also hochenergetische Röntgenstrahlen welche von einem Linearbeschleuniger abgegeben werden und dann auf den Patienten gelenkt werden. Leider deponieren diese Strahlen ihre Dosis nicht nur in dem Tumor, sondern es wird auch ein erheblicher Anteil der Dosis im gesunden Gewebe abgegeben (siehe Bild, rechts). Insbesondere für junge Patienten besteht dadurch die Gefahr, dass sich nach Jahren oder Jahrzenten der Therapie ernsthafte Spätfolgen entwickeln. Außerdem ist es leider so, dass manche Tumore nicht sehr gut auf die Bestrahlung mit γ-Strahlen reagieren und sich nicht hinreichend zurückbilden.

Hier soll die Strahlentherapie mit Protonen- bzw. Kohlenstoff-Ionen helfen. Hierbei werden Protonen (also der Atomkern des Wasserstoff-Atoms) oder Kohlenstoff-Atomkerne mittels eines Teilchenbeschleunigers auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht. Bei diesen Geschwindigkeiten entwickeln diese Teilchen eine besondere Eigenschaft: Sie können Gewebe durchdringen und verlieren dabei nur sehr wenig Energie, geben also auch nur sehr wenig Strahlendosis an den Patienten ab. Erst am Ende der Bahn dieser Teilchen geben sie innerhalb einer kurzen Distanz, im sogenannten "Bragg Peak", ihre ganze Dosis ab (siehe Bild, links). In dieser Form der Strahlentherapie ist es also das Ziel, die Reichweite der Teilchen genauso einzustellen, dass sie im Tumor zum Stehen kommen, und dabei den Tumor zerstören. Man hat herausgefunden, dass sogar Tumore die schlecht auf γ-Strahlen reagieren, noch durch diese Form der Strahlentherapie erfolgreich behandelt werden können. Die Kohlenstoff-Therapie wurde maßgeblich an der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt mitentwickelt und wird heute unter anderem am Heidelberger Ionenstrahlzentrum für Patienten eingesetzt.

Dadurch, dass bei der Strahlentherapie mit Protonen und Kohlenstoff-Ionen die Dosis in einem kleinen Bereich abgegeben wird ist es besonders wichtig sicherzustellen, dass der Strahl genau an der richtigen Stelle im Tumor gestoppt wird. Trotz intensiver Forschung und großer Fortschritte in den letzten Jahren ist es immer noch nicht gelungen, hier Verfahren für alle Fälle und Patienten zu entwickeln welche es den Ärzten und dem klinischen Personal ermöglichen die Position und Reichweite der Ionen im Patienten während der Bestrahlung millimetergenau zu überwachen.

Unsere Arbeitsgruppe forscht an neuen Ansätzen, um in Zukunft die Überwachung der Reichweite der Ionen während der Bestrahlung mit höchster Präzision zu ermöglichen. Wir arbeiten hierbei mit der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt eng zusammen.

Publikationen

• E. Kasanda, C. Burbadge, V. Bildstein, J. Turko, A. Spyrou , C. Höhr and D. Mücher: GEANT4 simulation of a new range verification method using delayed gamma spectroscopy of a Mo-92 marker; Physics in Medicine and Biology 65, 245047 (2020).
• C. Burbadge, E. Kasanda, V. Bildstein, G. Dublin, B. Olaizola, A. Spyrou C. Höhr and D. Mücher: Range Verification in Proton Therapy via Delayed Gamma-Ray Spectroscopy of a Molybdenum Tumour Marker; Physics in Medicine and Biology 66, 025005 (2021).
• D. Hymers and D. Mücher: Monte Carlo Investigation of Sub-Millimeter Range Verification in Carbon Ion Radiation Therapy using Interaction Vertex Imaging; Biomed. Phys. Eng. Express 5 045025 (2019).
• D. Hymers, E. Kasanda, V. Bildstein, J. Easter, A. Richard, A. Spyrou, C. Höhr and D. Mücher: Intra- and inter-fraction relative range verification in heavy-ion therapy using filtered interaction vertex imaging; Physics in Medicine and Biology 66, 245022 (2021).