Dem Krebs den Schrecken nehmen

Rund fünfzehn Mal pro Minute hebt und senkt sich der menschliche Brustkorb, während wir atmen. Auch bei der Patientin, die auf einer Liege im Zentrum für Protonentherapie des PSI ruht. Sie ist zur Bestrahlung ihres Lungentumors hier, und die Atembewegung ist dabei eine Herausforderung. Um den Tumor dennoch immer exakt treffen zu können, haben die Forschenden am PSI eine neue Methode entwickelt.

Die Protonentherapie am PSI ist schweizweit einmalig und hat eine über vierzigjährige Geschichte. Sie stellt eine wichtige Ergänzung zur klassischen Strahlentherapie an den Spitälern dar: Die beschleunigten Protonen lassen sich äusserst präzise steuern. Dadurch kann gesundes Gewebe besser geschont werden. Und genau deswegen kommt es auf jeden Millimeter an.

Massgeschneiderte Protonentherapie

Rund 450 000 Krebsüberlebende gibt es derzeit im Land, schätzt die Krebsliga Schweiz. Die Patientin am Zentrum für Protonentherapie soll dazugehören. Um ihren Tumor trotz der Atembewegungen optimal zu treffen, nutzen die PSI-Forschenden zwei Massnahmen: Erstens rastert der dünne Protonenstrahl in allen drei Dimensionen den Tumor ab; und das nicht nur ein Mal, sondern mehrfach, mit jeweils geringerer Dosis. So fallen kleine Lageveränderungen bei jedem einzelnen Rastern weniger ins Gewicht. Zweitens verfolgen spezielle Kameras die Atmung der Patientin. Bestrahlt wird immer nur während der kurzen Ruhelage nach dem Ausatmen.

Ein aktuelles Projekt am Zentrum für Protonentherapie geht noch einen Schritt weiter und betrifft Tumore in allen Körperregionen. Denn eine Protonentherapie erfolgt in vielen Einzelsitzungen, die sich in der Regel über mehrere Wochen erstrecken. In dieser Zeit kann der Tumor sich verschieben, die Form wandeln; oder es verändert sich das davorliegende Gewebe. Die Medizinphysikerin Francesca Albertini und ihr Team haben daher einen neuen Behandlungsplan entwickelt, den sie bereits erfolgreich an Personen mit Tumoren im Schädelbereich angewendet haben: die Daily Adaptive Proton Therapy, kurz DAPT. An jedem Behandlungstag wird zunächst eine niedrig dosierte Computertomografie (CT) durchgeführt, anhand derer die optimale Strahlendosis ermittelt wird. Das erhöht die Präzision so sehr, dass die zusätzliche Strahlendosis des CTs mehr als ausgeglichen wird, erklärt Albertini: «Der DAPT-Plan kann in vielen Fällen die Dosis für empfindliche Strukturen im Vergleich zur bisherigen Methode um etwa zehn bis fünfzehn Prozent reduzieren. Das kann einen grossen Unterschied für die Person bedeuten.» Die Forschenden haben den Prozess weitgehend automatisiert, sodass jede Sitzung insgesamt nur wenige Minuten länger dauert. Als Nächstes werden sie DAPT an Tumoren in anderen Körperteilen wie etwa dem Bauchraum testen.

Huckepack zur Tumorzelle

Auch am Zentrum für radiopharmazeutische Wissenschaften des PSI werden hochmoderne Behandlungsmethoden bei Krebs erforscht: Radiopharmaka kommen zum Einsatz, wenn der Krebs sich bereits ausgebreitet und sogenannte Metastasen gebildet hat. Während eine Chemotherapie alle sich schnell teilenden Körperzellen angreift – auch gesunde –, agiert das Radiopharmakon gezielter und belastet so den Köper weniger.

Ein Radiopharmakon ist zusammengesetzt aus einem Radionuklid – ein Atom, das ionisierende Strahlung abgibt – und einem Molekül, das gezielt an die Tumorzellen andockt. Zunächst wird für die Diagnose ein Radionuklid gewählt, das Gammastrahlung aussendet. Die Therapie erfolgt danach mit einem möglichst eng verwandten Radionuklid, das eine geeignete Form der Betastrahlung abgibt. Anders als Gammastrahlung hat diese eine geringere Reichweite von nur wenigen Millimetern, ist aber wesentlich intensiver. Das bedeutet: Sie zerstört gezielt die Tumorzellen, an die das Radiopharmakon andockt, und nicht das gesunde Gewebe der Umgebung.

Bei Schilddrüsenkrebs ist dieses Prinzip schon seit einigen Jahrzehnten etabliert mit Radionukliden des Elements Jod, welche die Schilddrüse natürlicherweise aufnimmt. «Leider hat aber nicht jedes Organ, das von Krebs befallen wird, eine natürliche Affinität zu einem passenden Element», sagt Roger Schibli, Leiter des Zentrums für radiopharmazeutische Wissenschaften. Aus diesem Grund entwickeln die PSI-Forschenden sogenannte Liganden: Moleküle, die gezielt an die jeweiligen Tumorzellen binden. Dann koppeln sie das Radionuklid an den Liganden und dieser bringt es huckepack zum Ziel. Mit einem in der Forschungsgruppe von Cristina Müller entwickelten Mittel, das das Radionuklid Terbium-161 nutzt, lassen sich auf diesem Wege sogar Mikrometastasen bis hin zu einzelnen Tumorzellen besonders effektiv abtöten.

Um in Zukunft verschiedenste Radionuklide in deutlich grösseren Mengen zur Verfügung zu haben, plant das PSI eine neue Anlage: 2029 startet der Bau von TATTOOS (Targeted Alpha Tumor Therapy and Other Oncological Solutions). Es ist Teil des grossen PSI-Upgradeprojekts IMPACT (Isotope and Muon Production with Advanced Cyclotron and Target Technologies). «TATTOOS wird völlig neue Möglichkeiten eröffnen», sagt Cristina Müller. «Wir werden in Zukunft viele weitere Radionuklide für die Behandlung verschiedenster Krebsarten untersuchen, die effektivere Therapien ermöglichen, aber gleichzeitig gesunde Organe schonen.» Das wird insbesondere älteren und vorbehandelten Menschen zugutekommen, da ihr Organismus belastende Therapien oft weniger gut verkraftet.

Langfristiges Ziel der Radiopharmazie ist eine personalisierte Therapie: Für jede Krebsart, jedes Stadium und die individuellen Voraussetzungen der erkrankten Person soll es ein passendes Radiopharmakon geben. TATTOOS wird einen grossen Schritt dorthin leisten.

Präzisere Mammografie

Doch am besten ist es, wenn Krebs bereits im Anfangsstadium erkannt wird. Marco Stampanoni, Forscher am Zentrum für Photonenforschung des PSI, arbeitet mit seinem Team an der Früherkennung von Brustkrebs. Daran erkranken in der Schweiz rund 6800 Frauen pro Jahr. Die heute übliche Mammografie misst die Absorption von Röntgenstrahlen durch das Gewebe. Gewebeknötchen und Verkalkungen, die eine Krebsvorstufe darstellen können, erscheinen als helle Punkte. Doch die Bilder sind nicht perfekt: Fast die Hälfte der Verdachtsfälle erweist sich bei der folgenden Biopsie als falscher Alarm; ein Fünftel der realen Tumore dagegen bleibt unentdeckt.

Die Forschungsgruppe um Stampanoni setzt eine Technik namens Gitter-Interferometrie ein. Sie basiert auf Informationen, die neben der Absorption auch aus der Brechung und der Streuung der Strahlen am Gewebe gewonnen werden. Dies ermöglicht wesentlich schärfere Bilder mit erhöhtem Kontrast. «Insbesondere kleine Objekte werden präzise messbar – selbst bei Weichteilen, die sonst unsichtbar bleiben», sagt Stampanoni. «Wahrscheinlich lässt sich anhand der Streuung sogar schon unterscheiden, ob eine Veränderung gut- oder bösartig ist.»

Langfristig soll das Verfahren präzise dreidimensionale Untersuchungen auch ohne schmerzhafte Kompression der Brust ermöglichen. Und die Gitter- Interferometrie könnte auch bei anderen Krebsarten helfen: beispielsweise bei Lungenkrebs, da hier die Lungenbläschen die Röntgenstrahlen ebenfalls anders streuen als bei einer gesunden Person.

Die Moleküle der Chemotherapie

Nicht zuletzt arbeiten PSI-Forschende auch daran, die klassische Chemotherapie zu verbessern. So hat ein Team von Michel Steinmetz, Leiter ad interim des Zentrums für Life Sciences am PSI, sogenannte Tubuline mithilfe von Bildgebungsverfahren wie der Röntgenkristallografie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI atomgenau untersucht. Tubuline sind jene Moleküle der Zelle, an denen die meisten chemischen Krebsmedikamente andocken.

Es gelang unter anderem, zahlreiche neue sogenannte Bindungstaschen zu identifizieren und weitere bereits bekannte genau zu charakterisieren. In diese Vertiefungen des Tubulins schmiegen sich die Wirkstoffe hinein. Je genauer sie hineinpassen, desto länger haften und desto besser wirken sie. «Und je präziser wir die Struktur der Bindungstaschen kennen, desto exakter lassen sich neue Wirkstoffe konstruieren, die optimal greifen», sagt Steinmetz.

Eine Forschungsgruppe um Jörg Standfuss, der mit Steinmetz am Zentrum für Life Sciences arbeitet, hat zudem am Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL des PSI auf hundert Femtosekunden genau – das ist eine Zehntelbillionstelsekunde – gemessen, wie sich Wirkstoff und Bindungstasche verformen, wenn sie sich wieder trennen. Dies hilft insbesondere, um neuartige photoaktive Wirkstoffe zu verbessern. Das sind Medikamente, die sich mit einem Lichtimpuls quasi an- und ausschalten lassen –was das Potenzial birgt, auch Chemotherapien deutlich schonender zu gestalten. 

Von Francesca Albertini bis Jörg Standfuss – sie alle verbindet ihre Geduld und Leidenschaft, mit der sie ihre Methoden über viele Jahre entwickeln und verfeinern. Gemeinsam verfolgen sie das Ziel, dem Krebs seinen Schrecken zu nehmen.