Forschung mit radioaktiven Atomen unter immensem Zeitdruck
Das Zyklotron hilft bei der Suche nach den Ursachen von Demenz und Krebs
(Von Walter Liedtke, 25.11.2021)
Fast zehn Jahre hat es nach dem Grundsatzbeschluss zur Ansiedlung des ersten Kreisbeschleunigers (Zyklotron) im Land Sachsen-Anhalt im Dezember 2011 gedauert, bis das Gerät auf dem Medizin-Campus der Universität Magdeburg (OVGU) endlich eintraf und in einem eigens dafür errichteten Gebäude installiert wurde. Das Zyklotron kommt nach Magdeburg, weil die Universität einen Forschungsschwerpunkt in bildgebenden Verfahren hat und hier u.a. gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) zu Demenzerkrankungen forscht. Es ist eine Scheibe von nur etwa einem Meter Durchmesser, entstehende Strahlung wird nach außen hin unter anderem durch Polyethylen-Platten, Bleieinlagen und von dicken Spezialbetonwänden abgeschirmt. Für die Forschung ist es jedoch enorm wertvoll. Finanziert wurde der Ankauf des Zyklotrons sowie die Errichtung seines Gebäudes unter anderem mit 7,7 Millionen Euro aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Das EFRE-Programm „Förderung des Ausbaus der anwendungsorientierten Forschungs- und Entwicklungs-Infrastruktur“ passt perfekt zu diesem wirklich sehr speziellen Forschungsgerät. Der Förderbescheid wurde im Juni 2018 übergeben. Damit diese teure Anschaffung auch sinnvoll genutzt werden kann, hat die Universität eine zusätzliche Professur für Radiochemie eingerichtet. Ab Frühjahr 2022 soll sich ein neu berufener Spezialist mit darum kümmern, wie man mit der Hilfe des Zyklotrons zu neuen Erkenntnissen in der Demenz- oder auch der Krebsforschung gelangen kann.
Die Halbwertzeit bestimmt das Arbeitstempo
In einem Zyklotron werden radioaktive Atomkerne hergestellt, die – eingebaut in Bio-Moleküle – als Marker fungieren, zum Beispiel im Gehirn von Versuchspersonen. Das ist ein nuklearmedizinischer Prozess. Dabei beschleunigt man im Zyklotron geladene Teilchen wie Protonen oder Deuteronen auf einer Spiralbahn in einer flachen Hochvakuumkammer unter Einfluss eines starken Magnetfeldes. Sauerstoff-18-angereichertes Wasser und Stickstoff-15-Gas werden beschossen und dadurch werden die radioaktiven Atomkerne Fluor-18 und Sauerstoff-15 hergestellt. Diese Kerne – sogenannte Positronen-Emitter – werden dann in Tracer-Substanzen (Bio-Moleküle) eingebaut. „Das sind Moleküle, mit deren Hilfe ich etwas im Körper nachweisen will und die dazu an bestimmten Stellen im Gehirn angelagert werden. Das untersuchen wir dann mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie“, erläutert Prof. Dr. Helmut Weiß. Sein Fachgebiet ist die Physikalische Chemie. Als Prorektor der Otto-von-Guericke-Universität ist er zuständig für Planung und Haushalt. Seit 2016 hat er die Einrichtung des Zyklotrons begleitet und auch das Berufungsverfahren für die Professur für Radiochemie geleitet. Zum Zweck der Forschung mit dem Zyklotron erklärt er: „Ein Ziel ist es, sensitive und spezifische Imaging- oder kognitive Marker für die Früherkennung der Alzheimer-Demenz zu entwickeln.“ Die besondere Herausforderung bei der Arbeit mit dem Gerät besteht darin, dass die radioaktiven Atomkerne sehr schnell wieder zerfallen. Die Halbwertzeit liegt im Bereich zwischen zwei Minuten und zwei Stunden. Deswegen müssen die im Zyklotron erzeugten Atomkerne umgehend genutzt werden. Dazu hat man sich in Magdeburg ein ausgeklügeltes System überlegt.
Transport mit unterirdischer Rohrpost
„Das Zyklotron ist wie eine vertikale Scheibe aufgestellt“, so Helmut Weiß. Vom Zyklotron aus gehen die erzeugten Atomkerne über sehr dünne Leitungen, die im Boden liegen und abgeschirmt sind, direkt in Nachbarräume, die ebenfalls in Sachen Strahlenschutz gesichert sind: „Dort werden die radioaktiven Kerne in die Tracer-Moleküle eingebaut.“ Im nächsten Schritt verlassen diese radioaktiven Moleküle das Zyklotron-Gebäude und begeben sich per Rohrpost ins Nachbargebäude, wo man im Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) auf die Substanzen wartet. „Die Proben befinden sich in einer Umhüllung aus Wolfram, die enorm schwer ist und die Strahlung abschirmt“, erklärt Helmut Weiß. Wenn die Halbwertzeit einer Probe etwas länger ist, kann sie auch ganz unspektakulär auf einer Sackkarre ins Nachbargebäude gebracht werden. Dort werden die Proben dann an Probanden verabreicht. Die radioaktive Substanz wird ihnen dazu meist in einer Wasserlösung gespritzt. „Diese Probanden werden Menschen mit Demenz-Erscheinungen sein, die sich der Forschung zur Verfügung stellen“, verdeutlicht Helmut Weiß. „Wir wollen neue sogenannte PET-Tracer finden, damit wir daraus neue Heilverfahren ableiten können. Unser Wissen auf diesem Gebiet ist einfach noch viel zu klein.“ Darum wird sich aber nicht der Prorektor kümmern, sondern der neu berufene Professor für Radiochemie mit seinen Kollegen aus dem DZNE und der Medizin. Er wird neue Methoden entwickeln, wie man mithilfe der schnell wieder zerfallenden Atomkerne zu aussagekräftigen Ergebnissen gelangen kann. Damit soll es bald losgehen: „Wir stehen noch in Verhandlungen mit dem besten Kandidaten und wir hoffen, dass er im ersten Quartal 2022 hier seinen Dienst antreten wird“. Dann soll das Zyklotron auch feierlich eröffnet werden.
Zyklotron ist noch im Probebetrieb
Das Zyklotron-Gebäude befindet sich derzeit im Probebetrieb. Helmut Weiß: „Es werden Testmessungen für den Strahlenschutz gemacht und es wird die Zuverlässigkeit der Überwachungsanlagen geprüft.“ Aber die Anlage muss auch eine Zulassung gemäß dem Arzneimittelgesetz erhalten, denn das Erzeugen der Tracer-Substanzen fällt unter die Arzneimittelherstellung. „Es muss gezeigt werden, dass das hier vor Ort möglich ist und beherrscht wird. Dabei ist auch immer ein Nuklear-Mediziner mit eingebunden.“ Bis alles im Normalbetrieb laufen kann, wird es deshalb wohl noch bis 2023 dauern. Verantwortlich dafür ist die arzneimittelrechtliche Genehmigung, die noch erteilt werden muss.
Es entsteht kein Atommüll
Die Universität Magdeburg muss keine radioaktiven Materialien kaufen, um das Zyklotron zu betreiben, sondern sie stellt sie selbst im Zyklotron her. „Ein Vorteil der PET-Technologie ist auch, dass die Radioaktivität nach zwölf Halbwertzeiten nur noch bei deutlich weniger als einem Tausendstel der ursprünglichen Strahlung liegt. Nach zwei Tagen können Sie die Reste ganz normal entsorgen, weil es keine Radioaktivität mehr gibt,“ erläutert Weiß. Für den Abfall aus dem Zyklotron benötigt man also kein Atommülllager. Es wird noch etwas dauern, bis die verschiedenen Nutzer – das DZNE sowie die Demenz- und die Krebsforschung an der Universität – sich aufeinander eingespielt haben. Doch in einer Sache ist sich der Chemiker sicher: „Das Zyklotron wird hier nicht herumstehen und Staub ansetzen. Es wird durchgehend von der Forschung genutzt werden.“
Hier finden Sie weitere interessante Beispiele, wie die Menschen von EU-Fördermitteln aus ELER, EFRE und ESF in Sachsen-Anhalt nachhaltig profitieren.
Weitere Quellen:
- Kurzbeschreibung des Bauprojekts auf der Website der Universität Magdeburg
- Website des Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Magdeburg: https://www.dzne.de/ueber-uns/standorte/magdeburg/
- Portal „Europa vor Ort in Sachsen-Anhalt“ der Europäischen Kommission