Doppeltes Upgrade für die Protonenanlage

Die Protonenbeschleunigeranlage HIPA ist eine ebenso hochkarätige wie altgediente Anlage: Sie ging bereits 1974 in Betrieb. HIPA steht für «High Intensity Proton Accelerator»: Dank fortlaufender Weiterentwicklungen liefert die Anlage heute mit 1,4 Megawatt einen der leistungsstärksten Protonenstrahlen weltweit.

Im Zeitraum 2025 bis 2028 soll HIPA ein Upgrade erhalten: «Isotope and Muon Production using Advanced Cyclotron and Target technologies», kurz IMPACT, besteht aus zwei Teilen. Erstens soll unter dem Namen «High-Intensity Muon Beams», abgekürzt HIMB, ein Teil der Anlage umgebaut werden. Das Ziel von HIMB ist es, dass sich die Zahl der hier gewonnenen besonderen Elementarteilchen, der sogenannten Myonen, verhundertfacht und somit auf satte 10 Milliarden Myonen pro Sekunde steigt.

Zweitens will man am PSI zukünftig noch stärker zur personalisierten Krebstherapie beitragen, weshalb an einer anderen Stelle an der HIPA-Anlage eine verbesserte Produktionsanlage für sogenannte Radionuklide entsteht: «Targeted Alpha Tumor Therapy and Other Oncological Solutions», kurz TATTOOS.

Nun hat der ETH-Rat das Gesamtprojekt IMPACT offiziell als Anwärter für die Schweizer Roadmap für Forschungsinfrastrukturen 2023 vorgeschlagen. IMPACT ist ein Gemeinschaftsprojekt von PSI, der Universität Zürich und dem Universitätsspital Zürich.

Unter den anderen, für die Roadmap vorgeschlagenen Projekten aus dem ETH-Bereich ist das PSI noch an zwei weiteren beteiligt: «EM-Frontiers», das die Methoden der Elektronenmikroskopie voranbringen soll, sowie «SDSC+», welches das Swiss Data Science Center zu einer dezentralen nationalen digitalen Infrastruktur erweitern soll.

An IMPACT sind von Seiten des PSI Klaus Kirch und Roger Schibli federführend beteiligt. Klaus Kirch ist Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI. Er beantwortet, weshalb HIMB unser Verständnis des Universums verbessern wird.

Roger Schibli, Leiter des Zentrums für radiopharmazeutische Wissenschaften am PSI, erklärt die Bedeutung von TATTOOS für die Zukunft der Tumortherapie.

Interview mit Klaus Kirch

«Ein Juwel, das man pflegen muss»

Herr Kirch, die Myonenanlage des PSI ist weltweit die Nummer 1. Warum soll die Anlage dann überarbeitet werden?

Klaus Kirch: Es stimmt, unsere Protonenbeschleunigeranlage HIPA ist weltweit einmalig und unübertroffen. Bei der Produktion von Myonen sind wir eindeutig ganz vorne. Was wir nun gemeinsam mit der Universität Zürich vorhaben, ist ein zeitgemässer Ausbau der Forschung, die hier durchgeführt werden kann. Damit bleiben wir auch in den kommenden 20 Jahren an der Weltspitze.

Das sind ja einige Superlative.

Durchaus. HIPA ist ein Juwel, und das muss man pflegen. Wir sind verwöhnt, dass die Anlage so prima läuft. Aber es gibt hier einzelne Bauteile, die sind 45 Jahre alt. Also sind wir auch eine kontinuierliche Baustelle, um den immensen Wert der Anlage zu erhalten.

Können Sie beschreiben, welche Experimente konkret mit den Myonen gemacht werden?

Mit den Myonen erforschen wir einerseits die Teilchenphysik. Da geht es anhand kleinster Teilchen um die ganz grossen, fundamentalen Fragen: Welche exakten Eigenschaften haben die Bausteine der Materie, beispielsweise das Proton als Teil der Atomkerne; und nach welchen Gesetzen funktioniert das Universum? Wir führen Grundlagenforschung durch an der Front dessen, was man heute wissen kann. Und wir arbeiten mit absoluter Hochtechnologie, was uns für Nachwuchsforschende sehr attraktiv macht.

Wie meinen Sie das mit der Hochtechnologie?

Unter anderem entwickeln wir derzeit die nächste Generation von dünnen Pixel-Detektoren, die eine nie da gewesene Zeitauflösung im Pikosekundenbereich hat. In der Teilchenphysik sind die Anforderungen enorm hoch und die benötigten Systeme kann man nicht von der Stange kaufen. Wir entwickeln und bauen also diese Geräte selber, weil wir sonst keinen Fortschritt in unserer Forschung machen würden. Dadurch setzen wir nebenbei auch ganz neue Standards. Vieles, was bei uns in der Teilchenphysik erfolgreich entwickelt wurde, findet sich später in einfacherer und robusterer Version in anderen Forschungsbereichen, beispielsweise Detektoren oder spezielle Elektronik-Systeme.

Sie sagten, die Teilchenphysik sei der eine Teil der Forschung mit Myonen. Was ist der andere?

Neben der Teilchenphysik nutzen PSI-Forschende die Myonen auch für materialwissenschaftliche Experimente. Schon seit 1989 betreibt das PSI eine Anlage für Myonenspin-Rotation. Bei dieser Methode platziert man ein Myon im Material der Probe, wartet, bis es nach etwa 2 Millionstelsekunden zerfällt, und misst dann das Zerfallsprodukt. Dadurch lassen sich lokal bestimmte Eigenschaften des Materials vermessen, die keine andere Methode liefert. Bislang schicken wir in der Regel nur ein Myon nach dem anderen ins Material. Im Zuge des Upgrades aber wollen wir die Spur der Zerfallsteilchen nachvollziehen und dadurch ihren jeweiligen Ursprungsort ermitteln. Wenn wir das können, müssen wir nicht mehr jedes Myon abwarten. Aus einer einspurigen Strasse würde dann quasi eine 12-spurige Autobahn. Oder sogar eine hundertspurige! Dann werden völlig andere Messungen möglich. Wir könnten unterschiedliche Bereiche in einer Probe zeitgleich vermessen. Oder zwei verschiedene Proben nebeneinander vermessen, aber bei exakt gleicher Temperatur, gleichem Druck und so weiter.

Warum kommt das Upgrade gerade jetzt?

Jetzt sind wir an dem Punkt, an dem wir den Bedarf haben und auch das notwendige Können. Wir hätten früher solche hohen Teilchenintensitäten nicht handhaben können. Weder gab es die dafür notwendigen Detektoren, noch gab es die nötige Technologie zur Datenverarbeitung. Bei den Experimenten fallen nämlich gewaltigen Mengen an Messdaten an. Das ist auch für den im Juni 2021 neu hier am PSI gegründeten Forschungsbereich für Computergestützte Wissenschaften, Theorie und Daten interessant. Und es ist sehr schön zu sehen: Die Forschenden in diesen verschiedenen Bereichen können viel voneinander lernen und profitieren.

Interview mit Roger Schibli

Radionuklide für personalisierte Medizin

Herr Schibli, das PSI ist für seine Grossforschungsanlagen bekannt. Da überrascht es vielleicht, dass hier ebenfalls Medikamente für die Behandlung von Tumoren hergestellt werden, sogenannte Radiopharmazeutika. Wie passt das zusammen?

Roger Schibli: Medizinisch etablierte Radiopharmazeutika werden täglich frisch an Spitälern oder von kommerziellen Anbietern hergestellt. Am PSI dagegen stellen wir neue, experimentelle Wirkstoffe her. Es handelt sich dabei um Medikamente, die radioaktive Isotope, sogenannte Radionuklide, tragen. Zukünftig wollen wir am PSI die vielen hochenergetischen Protonen von HIPA für die Produktion unserer Radionuklide nutzen. Das eröffnet Produktionswege für neue, noch nie untersuchte Radionuklide, die in Quantität und Qualität ihresgleichen suchen.

Was ist der Stand in Sachen Radionuklide für die Krebstherapie?

Die Idee, Tumore mit Radionukliden zu behandeln, geht zurück in die 1950er-Jahre. Das radioaktive Spaltprodukt Jod-131 war seit der Entdeckung der Kernspaltung von Uran bekannt; weil Jodid selektiv in die Schilddrüse wandert, wurde damit eine der besten Therapieformen für Schilddrüsenkarzinome entwickelt. In den vergangenen zehn, fünfzehn Jahren hat man erkannt, dass man andere Radionuklide zur Therapie sogenannter neuroendokriner Tumore einsetzen könnte, also bei Krebsgeschwüren in hormonproduzierendem Drüsengewebe. Und man hat – unter anderem am Universitätsspital Basel – die Chemie entwickelt, mit der man die Isotope an Trägermoleküle bindet, die wiederum an die Tumorzellen andocken.

Und jetzt?

In den letzten fünf Jahren ist ein regelrechter Boom um Radiopharmazeutika entstanden. Jetzt sucht man nach massgeschneiderten Radionukliden. Als einfaches Beispiel: Wenn Sie eine Person mit sehr kleinen Tochtergeschwülsten, sogenannten Metastasen, behandeln, dann brauchen Sie ein anderes Radionuklid als bei grossen Metastasen.

Geht es immer um Metastasen?

Ja. Ein einzelnes Krebsgeschwür – üblicherweise der Primärtumor – operiert man besser. Radiopharmazeutika kommen ins Spiel, wenn Operieren keine Option ist oder die Chemotherapie versagt hat. Also in den Fällen, für die es lange Zeit keine Hoffnung mehr gab. Für diese Menschen wollen wir Theranostika entwickeln.

Was versteht man unter Theranostik?

Theranostik beschreibt die Kombination von Therapie und Diagnostik. Das ist der neue Standard in der Radiopharmazie: Das diagnostische und das therapeutische Radionuklid gehören dabei im besten Fall zum gleichen Element, also zur gleichen Atomsorte. Dadurch verhalten sie sich im Körper gleich. So kann man bei der Diagnostik nicht nur die Metastasen lokalisieren, sondern wir können auch vorhersagen, welche Metastase viel vom Therapeutikum aufnehmen wird und welche Metastase noch zu wenig. Dann kann man entsprechend reagieren und genau das meint man, wenn man von personalisierter Therapie spricht.

Was beinhaltet das geplante Upgrade TATTOOS?

TATTOOS wird eine völlig neue, weltweit einzigartige Anlage, die wir in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich und dem Universitätsspital Zürich aufbauen. Hier am PSI wird die Anlage eine neue Protonenstrahllinie beinhalten sowie neue Targets, einen Massenseparator und neue Radiochemielabore. Die Targets sind viele dünne hintereinandergeschaltete Metallscheiben. Wenn die hochenergetischen Protonen auf die Scheiben treffen, entsteht eine Vielzahl von Radionukliden. Und die Scheiben werden sehr heiss, wir reden von mehr als 2000 Grad Celsius. Dabei verdampfen viele der Radionuklide und wir können sie einsammeln. Dann isolieren wir die von uns gewünschten Radionuklide mittels Massenspektrometrie und chemischen Trennmethoden.

Wie funktioniert die Massenspektrometrie?

Dabei wird mithilfe von Lasern gezielt eine bestimmte Sorte Isotope ionisiert, damit sie noch besser abgetrennt werden können. Das PSI ist bereits sehr gut aufgestellt in Sachen Laserphysik und arbeitet auf diesem Gebiet auch eng mit dem CERN zusammen. Darauf können wir nun aufbauen.

Wann können wir erwarten, dass diese neuen Radiopharmazeutika in den Spitälern angewendet werden?

Die Entwicklung von Radiopharmazeutika ist, nicht anders als bei anderen Medikamenten, ein langwieriger Prozess über viele Jahren. Mit TATTOOS betreten wir absolutes Neuland und es wird einige Jahre und viele präklinische Experimente brauchen, bis wir ein neues Radiopharmazeutikum im Patienten testen können.

Text und Interviews: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann