Mitten im menschlichen Körper zuckt für einen Augenblick ein Blitz. Nicht der grobe Strahl aus der Ferne, sondern ein präziser und blitzschneller Funke, der nur dort einschlägt, wo er wirken soll. Kein Donnern, kein sichtbares Spektakel. Nur ein minimalinvasiver Eingriff und ein Tumor, der gezielt getroffen wird, während das umliegende Gewebe unversehrt bleibt. Dieses Bild soll eine der großen Hoffnungen der modernen Strahlentherapie visualisieren: Eine Behandlung direkt am Tumor, so punktgenau und kurz wie ein Gewitterblitz, statt Serienbestrahlung von außen. Genau daran arbeiten Forschende des KIT gemeinsam mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ). Im Projekt „Ultracompact Electron Accelerators for Internal Radiotherapy“ (kurz: UCART) entwickeln sie haarfein konzipierte Elektronenbeschleuniger, die endoskopisch ultrakurze Pulse direkt in der Nähe des Tumors erzeugen.
Strahlentherapie ist für die meisten Krebserkrankten unverzichtbar, aber sie hat ihre Grenzen. Zwei Drittel aller Betroffenen erhalten im Verlauf ihrer Krebsbehandlung Bestrahlungen, Tendenz steigend. Die heute verfügbaren Geräte sind groß, schwer, teuer und nicht überall einsetzbar. Ein Linearbeschleuniger, wie er in Kliniken steht, braucht ein eigenes Gebäude, eine stabile Stromversorgung, geschultes Spezialpersonal und mehrere Millionen Euro an Investition. Weltweit gibt es nur rund 15.000 solcher Anlagen – gebraucht würden aber rund 80.000, um allen Betroffenen eine adäquate Behandlung bieten zu können. Hinzu kommt das Grundproblem der klassischen Behandlungsmethode: Die Strahlung muss von außen durch gesundes Gewebe dringen, um den Tumor zu erreichen. Jede Sitzung bedeutet für den Körper daher unnötigen Stress, verursacht Nebenwirkungen und verlängert die Behandlung. Eine Belastung, die viele Betroffene nicht nur körperlich, sondern auch psychisch über Wochen begleitet. Schnell wird klar: Die konventionellen Verfahren stoßen an ihre Grenzen.
Statt ein technisches Konzept zu entwickeln und anschließend nach einer Anwendung zu suchen, hat das Projektteam rund um Prof. Dr. Anke-Susanne Müller vom Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT) am KIT einen anderen Weg gewählt. Die Institutsdirektorin erinnert sich zurück: „Die Zusammenarbeit mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum und dem Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrum ist durch einen gemeinsamen Antrag entstanden. Wir haben uns gefragt, wo und wie wir mit unserem Wissen einen Unterschied machen können. Vor allem war uns aber wichtig, das nicht getrennt zu tun, sondern von Anfang an gemeinsam mit der Medizin zu denken, um später einen Impact zu erreichen.“ Schon bei der Planung wird überlegt, welche Tumorarten erreichbar sind, wie ein Endoskop geführt werden müsste und wie Betroffene profitieren können. Keine Laborblase, sondern Co-Creation vom ersten Tag an – Physik und Medizin im direkten Austausch, nicht als aufeinanderfolgende Disziplinen. Das Ziel der Forschungspartner: Ein ultrakompakter Elektronenbeschleuniger, der nicht von außen bestrahlt, sondern gezielt im Körper wirkt.
Die Idee ist verblüffend einfach und hochkomplex zugleich: Ein wenige Millimeter kleines Beschleunigersystem wird über ein Endoskop direkt zum Tumor geführt. Dort erzeugt es einen ultrakurzen Elektronenpuls – ein winziger kontrollierter Blitz, der nur den Tumor trifft und das umliegende Gewebe schont. Kein Dauerstrahl, sondern ein punktueller Energieeintrag im Millisekundenbereich. Die Technik dahinter klingt nach Science-Fiction: Ein Gas wird ionisiert und bildet ein Plasma, das für extrem starke elektrische Felder sorgt. In dieser temporären Struktur beschleunigen die Elektronen auf mikroskopisch kleinem Raum. Wo herkömmliche Anlagen Meter benötigen, reicht hier ein Bruchteil eines Millimeters. Die Energiezufuhr? Ein Laserimpuls – millionenfach effizienter als bei den großen Geräten. Das Resultat: Hightech, die zugänglicher, flexibler und patientennäher ist. UCART arbeitet ohne permanente radioaktive Quellen, das System kann ein- und ausgeschaltet werden. Keine abgeschirmten Kammern, kein Fachpersonal. Die zu behandelnde Person selbst dient gewissermaßen als Abschirmung und die Behandlung könnte in einer normalen Praxis stattfinden. Das hat auch psychologische Vorteile: Kein abgeschlossener Raum, kein ständiges Warten, kein Gefühl der Isolation.
Die Forschenden haben bereits wichtige Meilensteine erreicht: Die Elektronenverteilung für die ultrakurzen Pulse lässt sich präzise erzeugen, erste Bestrahlungsprofile konnten simuliert und in Therapieplänen getestet werden. Ein Proof of Principle zeigt, dass das System theoretisch und praktisch in der Simulation funktioniert. Als nächstes stehen die Miniaturisierung und praktische Umsetzung auf dem Plan. Dazu gehört, die winzigen Beschleuniger so zu gestalten, dass sie zuverlässig in ein Endoskop integriert werden, alle notwendigen Komponenten aufgenommen und für Fachpersonal handhabbar gestaltet werden können. Parallel wird geprüft, welche Tumorarten besonders geeignet sind, um gezielt und sicher behandelt zu werden.
UCART soll nicht nur in Simulationen funktionieren, sondern später in der klinischen Praxis einsetzbar sein. Ziel ist ein skalierbares, energieeffizientes und patientennahes System – ein Präzisionswerkzeug, das Strahlentherapie zugänglicher, schonender und flexibler macht, ohne auf große Infrastruktur angewiesen zu sein. Dafür arbeiten Forschende eng mit Medizin und Industrie zusammen. „Überraschenderweise hilft uns auch die Uhrenindustrie,“ sagt Müller. Präzisionstechnik, die sonst für Mikromechanik von hochwertigen Zeitmessern genutzt wird, kommt hier auf kleinstem Raum zur Anwendung. Strahlentherapie war lange ein unkontrollierbares Naturereignis, ein Dauerbeschuss, der Tumor und gesundes Gewebe trifft. UCART will diesen Sturm umkehren. Ein winziger, präziser Blitz direkt am Tumor als Start für eine neue Ära der Krebstherapie: schonender, patientennäher und für mehr Menschen zugänglich.
Weiterführende Links:
Bilder:
Entwicklung ultrakompakter, lichtgetriebener Elektronenbeschleuniger zur effizienteren Strahlentherapie bei Krebserkrankungen
In-situ-Anwendungen für endoskopisch ultrakurze Elektronenpulse direkt am Tumor, um gesundes Gewebe zu schonen und Nebenwirkungen zu reduzieren
Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT) des KIT, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), gefördert durch die Carl-Zeiss-Stiftung
