Starke Lichtquellen für die Medizin Intense light sources for medical

Starke Lichtquellen für die Medizin
Intense light sources for medical science
The Munich-Centre
for Advanced Photonics
The Munich-Centre for Advanced Photonics
L
icht ist ein einzigartiges Werkzeug. In der Medizin und der Grundlagenforschung ist es in Form
des Lasers schon lange zu einem verlässlichen
Begleiter geworden. Krankheiten werden mit Laserlicht behandelt, der Mikrokosmos mit ultrakurzen
Lichtblitzen erkundet oder Naturkonstanten mit der
Präzision von Lichtschwingungen überprüft.
Doch die Grenzen dessen was Licht kann, sind
noch lange nicht erreicht. Licht verfügt über ein
schlummerndes Potential, das die Forscher im Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics zum Leben erwecken. Die nächste Generation
Laser wird über weit mehr Energie verfügen, die
kontrolliert werden muss. Mit dieser Lichtenergie
werden die Physiker in der Lage sein, neuartige
Röntgenstrahlung zu erzeugen, um damit feinste
Strukturen in Geweben sichtbar zu machen. Ebenso werden sie Ionen beschleunigen und mit deren
Hilfe Tumoren präzise bekämpfen. Neben den medizinischen Anwendungen werden erstmals „Filme“
von chemischen und biologischen Reaktionen möglich. Die Aufnahmen werden Einblick in die bislang
weitgehend unbekannten, ultraschnellen Vorgänge
im Mikrokosmos gewähren.
Das Munich-Centre for Advanced Photonics stellt
hier einen Teil der Forschung seiner rund 90 aktiven Wissenschaftler vor. Neben den erwähnten
Forschern arbeiten an den großen Fragestellungen
noch viele weitere Kollegen, die wir aus Platzgründen leider nicht alle namentlich nennen können.
In dieser Publikation geht es vor allem darum, wie
man mit Hilfe von Laserlicht neue Strahlungsquellen für die frühzeitige Erkennung und die Behandlung von Krebs entwickeln kann. Gleichzeitig soll
diese neue, laserbasierte Technologie kostengünstig und für einen großen Patientenkreis zugänglich
gemacht werden. Die Motivation ziehen die MAPForscher nicht zuletzt aus der steigenden Zahl
der Neuerkrankungen an Krebs in Deutschland.
Krebs ist nach den Herz-Kreislauf-Erkrankungen
in Deutschland die zweithäufigste Todesursache.
Rund 340 000 Menschen erkranken jedes Jahr daran. Nur 30 Prozent werden wieder geheilt.
Mit der MAP-Forschung ist die Hoffnung verbunden, über neue, bildgebende Verfahren die Früherkennung von Tumoren zu verbessern, Therapien
effizienter zu gestalten und damit die Heilungschancen der Betroffenen deutlich zu erhöhen.
www.munich-photonics.de
L
ight is a unique tool. As laser light it has long become a reliable companion in the fields of medicine and fundamental research. Diseases are treated with laser light, the microcosm is explored with
ultra-short light pulses or natural constants are verified with the precision of light oscillations. But we
are still a long way from reaching the limits of what
light can do. Light has a slumbering potential, which
the scientists try to awake at the Cluster of Excellence „Munich-Centre for Advanced Photonics“.
The next generation of laser will have far more energy available, which needs to be controlled. With this
luminous energy the physicists will have the ability
to create a new kind of X-ray radiation in order to
visualize finest structures of tissue. Likewise they
will accelerate ions and with their aid precisely fight
tumours. Besides the medical applications, for the
first time, it will be possible to make “films” of chemical and biological reactions; the recordings will
provide an insight into so far largely unknown ultrashort processes in the microcosm.
The Munich-Centre for Advanced Photonics presents part of the research of their 90 active scientists. In addition to the mentioned researchers many
more colleagues are working on the major questions, which unfortunately are to numerous to mention here.
This publication is mainly about how new radiation
sources can be developed for the early detection
and treatment of cancer with the aid of laser light.
At the same time, this new laser-based technology shall be cost-effective and made accessible to
a large number of patients. The MAP researchers
draw their motivation not least from the increasing
number of incidences of cancer in Germany. Cancer
is the second most frequent cause of death after
cardiovascular diseases. Around 340,000 people
fall prey to it every year. Only 30 percent are cured
again.
The MAP research shares the hope of improving
the early diagnosis and of shaping therapies more
efficiently through new imaging techniques in turn
aiming to substantially increase the patients’ chances of recovery.
Starke Lichtquellen
für die Medizin
Intense light sources
for medical science
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ...................................................................................................................
3
Eine neue Generation von Röntgen- und Protonenstrahlung ..............................
6
Lasergetriebene Röntgenstrahlung –
Röntgenlicht aus surfenden Elektronen ..............................................................
7
Phasenkontrast-Röntgentomographie –
Röntgenblick auf Gewebe ...................................................................................
9
Phasenkontrast-Röntgentomographie im klinischen Test .....................................
11
Lasergetriebene Ionenpulse für die Tumorbestrahlung .........................................
13
Targetlabor des MAP-Service Centres –
Hauchdünne Folien als Teilchenquelle .................................................................
15
Strahlentherapie der Zukunft Wie reagieren Krebszellen auf Ionen? ..................................................................
17
Eine gewebeschonende Bestrahlung –
In Mikrokanälen zum Tumor ...................................................................................
19
Strahlentherapie der Zukunft –
Punktgenaue Vollbremsung des Ionenstrahls ........................................................
21
Lasergetriebene Ionenstrahlung –
Treffsichere Tumorbehandlung .............................................................................
23
Den Ursprung von Krankheiten verstehen –
Elektronen „fotografieren“ .....................................................................................
25
LEX Photonics und Centre for Advanced Laser Applications ..................................
27
Kontakt .....................................................................................
29
Impressum ...............................................................................
30
Content
Introduction .........................................................................................................
4
A new generation of X-ray and proton radiation ..................................................
6
Laser-driven X-ray radiation –
X-ray light from surfing electrons ........................................................................
7
Phase-contrast X-ray tomography –
X-ray view on tissue ............................................................................................
9
Phase contrast X-ray tomography in clinical tests .................................................
11
Laser-driven ion pulses for tumour radiotherapy ....................................................
13
Target laboratory of the MAP-Service Centre –
Wafer-thin foils as particle sources .......................................................................
15
Radiation therapy of the future –
How do cancer cells react to ions? ......................................................................
17
Tissue-conserving radiotherapy –
Getting to the tumour via micro channels ...............................................................
19
Radiation therapy of the future –
Punctiform instant braking of the ion beam ............................................................
21
Laser-driven ion radiation –
Precise tumour treatment ...................................................................................
23
Understanding the origin of diseases –
“Photographing” electrons .....................................................................................
25
LEX Photonics and Centre for Advanced Laser Applications ...............................
27
Contact ............................................................................................
29
Editorial information .......................................................................
30
3
Vorwort
Prof. Dr. med. Michael Molls
Lasertechnik für die Diagnose und Therapie von Krebs
Im 21. Jahrhundert bleibt Krebs das Damoklesschwert unserer Gesellschaft. Mit der
steigenden Lebenserwartung nimmt die Zahl
der Krebskranken zu. Die Medizin bemüht
sich nach Kräften, das Problem in den Griff
zu bekommen: Die Heilungsraten bei Krebserkrankungen von Erwachsenen sind moderat gestiegen. Der Anstieg ist insbesondere
der früheren Diagnose und Visualisierung
von Tumoren zu verdanken. Dennoch, beim
Lungenkarzinom, aber auch beim Krebs der
Bauchspeicheldrüse, der Speiseröhre und
anderen Organen, inklusive bestimmter Hirntumoren, sind die Heilungsraten gering.
Wir sind gezwungen, uns innovative Wege
auszudenken, um das Problem zu entschärfen. Einen solchen Pfad schlagen wir ein mit
unserer Forschung im Munich-Centre for
Advanced Photonics. Wir wollen eine laserbasierte, kompakte und vor allem kostengünstige Technologie im Krankenhaus zur
Verfügung stellen. Mit der Technik würden
bösartige Tumoren früh visualisiert. Danach
würden kleinste wie auch größere Tumore
effizient bestrahlt. MAP-Forscher wollen vor
allem folgende Ideen in den Alltag der Kliniken integrieren:
- in der Diagnostik: die Visualisierung des
Tumorknotens mit Hilfe der PhasenkontrastRöntgentomographie in möglichst frühem,
nicht metastasierten und damit heilbaren
Stadium bei einer Größe von rund einem Millimeter.
- in der Therapie: die nicht operative und damit nicht invasive Vernichtung des millimetergroßen Tumors mit ionisierenden Strahlen.
Teilchenstrahlen, wie schwere Ionen, erscheinen hierfür geeignet. Sie töten Krebszellen besonders effizient.
- in der Therapie: Protonen für die Anwendung in der Strahlenbehandlung nicht nur
von kleineren, sondern auch größeren Tumoren mit ausgedehnten Grenzflächen zum
gesunden Gewebe.
Das komplette, lasergestützte, Behandlungsszenario könnte dann so aussehen:
Zuerst erfolgt die verlässliche Diagnose mit
lasergenerierten Röntgenstrahlen, wobei die
revolutionäre Methode der PhasenkontrastRöntgentomographie zum Einsatz kommt.
Wie das Phasenkontrast-Röntgen funktioniert, stellen wir in dieser Publikation vor.
Anschließend wird dann der genau lokalisierte Tumor mit laserbeschleunigten Ionen
besonders schonend für das umliegende
gesunde Gewebe behandelt. Bei sehr kleinen Herden würde die kostengünstig und
ambulant durchgeführte Strahlentherapie im
bestrahlten Tumor-Areal eine kleine, funktionell unbedeutende Narbe hinterlassen. Die
Vernichtung des nicht metastasierten Tumors
z B der Lunge, Brust oder Prostata mit einer
einmalig verabreichten hohen Strahlendosis
würde die Heilung bedeuten.
Mit den neuen Laserforschungszentren LEX
Photonics und Centre for Advanced Laser
Applications (CALA), auf dem Campus in
Garching werden wir in den nächsten Jahren
sicher einen großen Schritt zurücklegen - von
der physikalischen Entwicklung der Technologien hin zu einem klinischen Einsatz.
Mit dieser Veröffentlichung wollen wir Ihnen,
liebe Leser, einen Einblick ermöglichen, auf
welchem Stand die laserbasierte, medizinische Forschung heute ist. Wir wollen Sie
faszinieren für die Technologien rund um das
Licht und seinen zahlreichen Einsatzmöglichkeiten. Wir stehen vor großen Herausforderungen und sind hoffnungsvoll, sie meistern
zu können.
Herzlichst Ihr
4
Introduction
Prof. Dr. Ferenc Krausz
Laser-Based Technologies in the Diagnosis and Therapy of Cancer
In the 21st century, cancer continues to present a
massive challenge to our society. As life expectancy rises, so too will the incidence of cancer. Biomedical researchers are intensifying their efforts to
find ways of confronting the problem and, largely
thanks to advances in early diagnosis and tumourimaging techniques, rates of mortality from adult
cancers show a modest decline. Nevertheless,
for specific types of cancer, such as carcinoma of
the lung, cancers of the pancreas, esophagus and
other organs, including certain classes of brain tumours, rates of long-term survival remain low.
Clearly, in order to tackle the problem effectively,
we must come up with new approaches to diagnosis and therapy. Our research at the Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) is devoted to
pursuing such an innovative strategy. Our goal is
to develop a compact, effective and – above all –
economical, laser-based technology for use in the
clinical setting. The technology makes it possible
to visualise malignant tumours at an early stage
in their evolution, and also provides a source of
radiation with which both very small and larger tumours can be efficiently eliminated. MAP researchers hope to integrate the following concepts as
standard elements in everyday clinical care:
- Diagnostic use of phase-contrast X-ray tomography, which can pinpoint solid tumours with dimensions on the order of 1 mm, for the earliest possible detection of primary tumours. Early detection,
prior to the development of metastases, greatly
improves the chances of achieving permanent cures.
- Therapeutic application of ionising radiation for
the non-surgical, non-invasive eradication of millimeter-sized tumours. Particle beams, composed
of heavy ions for instance, seem most appropriate
for this purpose, as cancer cells are particularly
sensitive to their killing action.
- Use of high-energy protons for radiation therapy of larger, irregularly shaped solid tumours that
present extensive areas of surface contact with
the surrounding healthy tissue.
The laser-based therapeutic scenario outlined
above could be realised in the following manner.
Reliable diagnosis can be achieved with the aid
of laser-generated X-rays, by means of the revolutionary method of phase-contrast X-ray tomography. How this technique works is explained
in the pages of this publication. The second step
involves exposing the accurately localised tumour
to a precisely targeted beam of laser-accelerated ions, minimising damage to the surrounding
healthy tissue. In the case of very small tumours,
this procedure could be carried out cost-effectively
in outpatient departments, leaving only a tiny and
functionally innocuous scar in the area of the original tumour. Similarly, non-metastatic tumours in
tissues such as the lung, breast or prostate gland
could be eliminated by applying a single high-dosage burst of radiation, effectively curing the condition completely.
With the resources now available at the new research centers for laser science, LEX Photonics
and the Centre for Advanced Laser Applications
(CALA), on the campus in Garching, we are confident that we can make great strides in the coming
years – both in perfecting the necessary technologies and in adapting them for use in the clinical
setting.
In this brochure we provide readers with an insight into the present state of research on the application of laser-based techniques in medicine.
We hope you will share our fascination for the
many surprising properties of light and our enthusiasm for the technological possibilities they offer.
The obstacles we face are substantial, but we are
confident that they can be successfully overcome.
Yours sincerely
© Thorsten Naeser
Eine neue Generation von Röntgen- und Protonenstrahlung
5
6
A new generation of X-ray and proton radiation
Um eine neue Generation von Röntgen- und Protonenstrahlung für die Medizin zu entwickeln,
benötigt man ultrakurze und hochenergetische Lichtpulse. Licht hat ein elektrisches und ein
magnetisches Feld. Geladene Teilchen, wie Elektronen oder Protonen (geladene Kernteilchen),
reagieren stark auf den elektrischen Teil des Lichtfeldes, auf den magnetischen Teil dagegen
deutlich schwächer. Deswegen benötigt man hohe Lichtenergien, um die Partikel durch das
Magnetfeld zu beeinflussen.
Für die Erzeugung extrem hoher Lichtenergien entwickelt das Team um Prof. Ferenc Krausz
im Munich-Centre for Advanced Photonics neue, extrem leistungsstarke Lasertechnologien.
Die Physiker erzeugen unter anderem Laserpulse mit hoher Energie, die nur wenige Femtosekunden dauern (Millionstel einer milliardstel Sekunde, 10-15 Sekunden). Die Wissenschaftler
produzieren das gepulste Licht mit hohen Frequenzen und hohen Intensitäten. Damit befinden
sich in einem Lichtblitz extrem viele energiereiche Lichtteilchen (Photonen).
Je mehr Energie die Physiker einem Lichtpuls mitgeben, desto leistungsfähiger wird er. Ein
starker Lichtpuls kann aus einem Atom Elektronen herausschlagen und diese fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Solche lasererzeugten, freien Elektronen produzieren ihrerseits
Röntgenstrahlung, wenn die Teilchen abgebremst und beschleunigt werden. Sie kann zum
Beispiel eingesetzt werden, um feinste Strukturen zu erkennen, wie Tumoren im Frühstadium.
Protonen können durch Licht momentan bis auf rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit
beschleunigt werden. Aus ihnen lässt sich Strahlung zur Behandlung von Tumoren gewinnen.
To develop a new generation of X-ray and proton radiation for medical purposes, ultra-short
and high-energy light pulses are required. Light has an electric and a magnetic field. Charged
particles, such as electrons and protons (nuclear particles) strongly react to the electrical part
of the light field, and, in contrast, noticeably weaker to the magnetic part of it. For this reason,
high luminous energies are required to influence the particles through the magnetic field.
The team around Prof. Ferenc Krausz of the Munich-Centre for Advanced Photonics develops
new, high-performance laser technologies for the generation of extremely high light energies. Amongst others, the physicists produce high energy laser pulses, which last only a few
femtoseconds (millionths of a billionth of a second, 10-15 seconds). The scientists produce the
pulsed light with high frequencies and high intensities. Thus, one light flash contains an extremely high number of high-energy light particles (photons).
The more energy the physicists give to the light pulse, the more effective it will be. A strong
light pulse can knock out electrons from atoms and accelerate them almost to the speed of
light. Such laser-generated free electrons in turn produce X-rays by decelerating and accelerating the particles. The X-ray radiation may for example be used to detect finest structures such
as tumours at an early stage.
At present, protons can be accelerated by light to about ten percent of the speed of light. They
can be used to provide a source of radiation for tumour treatment.
Lasergetriebene Röntgenstrahlung – Röntgenlicht aus surfenden Elektronen
7
© Thorsten Naeser
Der ATLAS-Laser
in LEX Photonics
produziert Pulse mit
einer Leistung von bis
zu 250 Terawatt. Mit
dieser Leistung können
Elektronen über 1000mal kürzere Distanzen
auf hohe Energie
beschleunigt werden
als mit bisherigen Beschleunigern.
The ATLAS-Laser at
LEX Photonics produces pulses with a peak
power of 250 terawatt.
This power can accelerate electrons to high
energies over a 1000fold shorter distance
than conventional
accelerators.
S
elbst feinste Härchen auf den Flügeln
eines Insekts werden sichtbar, wenn die
Physiker um Prof. Stefan Karsch und Prof.
Franz Pfeiffer ein Insekt mit fein gebündelter Röntgenstrahlung durchleuchten. Das
Experiment hatte Pioniercharakter. Denn die
Wissenschaftler kombinierten erstmals ein
neuartiges Verfahren zur dreidimensionalen
Darstellung von Objekten durch Röntgenlicht
mit dessen Erzeugung durch einen Laser.
Bis heute wird vergleichbares Röntgenlicht
über mehrere hunderte Meter große Ringbeschleuniger produziert, in denen elektrische
Felder Elektronen beschleunigen und Magnetfelder sie auf Schlangenlinien zwingen,
was letztlich die eigentliche Röntgenstrahlung erzeugt.
In dem MAP-Experiment wurden die Elektronen und deren Röntgenstrahlung nun durch
Laserpulse auf einer Strecke von nur einem
Zentimeter generiert. Die Laserpulse dauerten rund 25 Femtosekunden (eine Femto-
W
hen physicists surrounding Prof. Stefan Karsch and Prof. Franz Pfeiffer radiograph an insect with a brilliantly collimated X-ray beam, even the finest hairs on its
wings become visible. This experiment had
pioneering character, because for the first
time, scientists combined a new method for
the three-dimensional presentation of objects
with the generation of X-ray light through a laser. Currently, comparable X-ray radiation is
produced in a ring accelerator of a few hundred metres, where electric fields accelerate
electrons, and magnetic fields force them into
a wiggling motion, in turn causing an actual
X-ray emission.
In this MAP-experiment, the electrons and
associated X-ray radiation were generated by
laser pulses lasting for approximately 25 femtoseconds (one femtosecond is a millionth of
a billionth of a second) and on a scale of only
one centimeter. During this time, the laser
pulses reached a peak power of 80 terawatts
Laser-driven X-ray radiation – X-ray light from surfing electrons
sekunde ist ein Millionstel einer milliardstel
Sekunde). In der kurzen Zeit erreichten die
Pulse eine Leistung von 80 Terawatt (1012
Watt). Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk
produziert gerade einmal 1.500 Megawatt
(1.5x109 Watt).
Eine so hohe Leistung des Lichts ist notwendig, wenn man Elektronen von ihren
Atomkernen lösen und sie dann bis fast auf
Lichtgeschwindigkeit beschleunigen will. Und
genau das haben die Physiker getan.
Die Forscher um Stefan Karsch ließen die Laserpulse auf Wasserstoffatome treffen. Dabei
lösten die elektrischen Felder des Lichts die
Elektronen von den Atomkernen, so dass ein
Plasma entstand und räumten sie wie ein
Schneepflug aus dem Weg. Übrig blieben die
Ionen, die um einiges schwerer sind als die
Elektronen. Die Trennung der Ladungen bewirkt sehr starke elektrische Felder, die dazu
führen, dass die weggeräumten Elektronen
wieder zurückfedern und zu schwingen anfangen, was die Ausbildung einer Wellenstruktur in Plasma zur Folge hat. Diese läuft
dem Laserpuls mit fast Lichtgeschwindigkeit
hinterher, ähnlich wie die Kielwelle eines
Bootes auf der Wasseroberfläche. Einige
der freien Elektronen werden eingefangen
und reiten auf ihr ähnlich wie Surfer in der
Brandung , wobei sie immer in Richtung des
Laserpulses beschleunigt werden. Doch bei
diesem „Ritt auf der Welle“ bewegten sich
die Elektronen nicht nur entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle; Wie ein guter
Surfer vollführten sie einen Slalomritt auf der
Welle, wodurch sie sich in Schlangenlinien
bewegen. Wie jede schwingende Ladung
Strahlung aussendet, emittierten die Teilchen
dabei harte Röntgenstrahlung im Bereich von
0,1 Nanometer Wellenlänge.
Diese Röntgenstrahlung wurde kombiniert
mit der Phasenkontrast-Bildgebung des
Teams von Franz Pfeiffer. Dabei nutzt man
im Gegensatz zur üblichen Absorption die
Brechung der Strahlung an Objekten, um
deren Form exakt abzubilden. Diese Kombination aus lasergenerierten Röntgenstrahlen
mit dem Phasenkontrast-Verfahren konnte
hier erstmals erfolgreich eingesetzt werden
um die feinen Strukturen eines Insekts dreidimensional abzubilden. Es ist ein bislang
einmaliges Experiment, das nicht mehr Platz
beanspruchte als zwei Universitätslabore.
(1012 watts). In comparison, a nuclear power plant produces around 1,500 megawatts
(1.5x109 watts).
Such high power is necessary to separate
electrons from their atomic nucleus and to
accelerate them close to the speed of light;
this is exactly what the physicists have achieved.Stefan Karsch’s research group employed these laser pulses to interact with hydrogen atoms. In doing so, the electric fields
of the light removed the electrons from the
atomic nuclei (in effect, creating a plasma)
and pushed them out of its path in a manner
resembling a snow plough. Only ions remained, which are considerably heavier than the
electrons.
This separation of charges gives rise to very
strong electric fields that in turn cause the
electrons to snap back and begin to oscillate,
essentially creating a wave-like structure in
the plasma. This wave-like form trails the laser pulse to nearly the speed of light, similar
to the wake of a boat in a body of water.
A number of the free electrons get trapped
and ride this wave like a surfer, while being
accelerated in the propagation direction of
the laser. Just like an expert surfer, they do
not only move in the direction of the wave,
but zigzag down its face. Just as any oscillating charge emits radiation, these particles
radiate hard X-rays with wavelengths measuring 0.1 nanometres.
When combining this X-ray radiation with the
phase-contrast imaging method of the team
led by Franz Pfeiffer, the refraction of radiation at objects, instead of its absorption was
used to accurately determine their shape.
This combination of laser-generated X-ray radiation and phase-contrast imaging was successfully used for the first time to image the
finest structure of an insect. So far this has
been a unique experiment in that it did not
claim more space than two university labs.
Das weltweit erste Bild einer
Fliege, die mit einem lasergetriebenen Röntgenbild-Verfahren
aufgenommen wurde. Es werden
selbst feinste Details sichtbar,
die in einem konventionellen
Röntgenbild unsichtbar bleiben
würden.
The finest details of a fly would
remain invisible with a conventional X-ray image, however now,
with a laser-driven X-ray imaging
method, this has become possible.
© Franz Pfeiffer / Stefan Karsch
8
Phasenkontrast-Röntgentomographie – Röntgenblick auf Gewebe
D
T
he inside of the human body is a highlycomplex architecture of soft parts and
hard bone skeleton. Conventional X-ray
technology merely has the ability to observe
the bone skeleton from the outside. With the
additional use of contrast media, which have
to be administered to the patient beforehand,
vessels become visible in parts as well.
When physicians radiograph the human body
with X-rays (high-energy light) they take advantage of the phenomenon of the absorption of radiation in order to gain insights into
the insides.
However, light is not only absorbed at obstacles but it is also diffracted, that is deflected
in several directions. Behind the obstacles it
gathers again in patterns characteristic for
the form of the obstacles. Thus the scattered light provides information about how the
form, where it has been scattered, has to look
like. Nowadays the MAP researchers around
Prof. Franz Pfeiffer, chair of Biomedical Physics at the Technical University Munich, are
© Thorsten Naeser
as Innere des menschlichen Körpers
ist eine hochkomplexe Architektur aus
Weichkörper und festem Knochenskelett.
Mit konventioneller Röntgentechnologie ist
man heute lediglich in der Lage, das Knochengerüst von außen zu betrachten. Setzt
man zudem Kontrastmittel ein, die man dem
Patienten vorher verabreichen muss, werden
teilweise auch Gefäße sichtbar.
Wenn Mediziner einen Körper mit Röntgenstrahlen – also hochenergetischem Licht –
durchleuchten, nutzen sie das Phänomen
der Absorption der Strahlen, um Einblicke in
das Innenleben zu gewinnen.
Doch Licht wird an Hindernissen nicht nur
absorbiert, es wird auch gebeugt, also in
verschiedene Richtungen abgelenkt. Hinter
den Hindernissen sammelt es sich wieder in
für die Form des Hindernisses charakteristischen Mustern. So gibt das gestreute Licht
Auskunft über die Form, an der es gestreut
wurde. Diese so genannte Phasenverschiebung können die MAP-Forscher um Prof.
9
Blick ins Röntgentomographie-Forschungslabor an der TU München
A glance into the X-ray tomography research laboratory at the TU Munich
Phase-contrast X-ray tomography – X-ray view on tissue
© Birnbacher/Scherer/Pfeiffer
10
Franz Pfeiffer, Leiter des Lehrstuhls für Biomedizinische Physik der Technischen Universität München, heute mit Hilfe von speziellen
Gittern messen. Die Methode nennt man
Phasenkontrast-Röntgen.
Die von Franz Pfeiffer verwendeten Gitter
sind drei dünne Plättchen, die in einer speziellen Anordnung das Röntgenlicht analysieren, bevor es auf das Objekt auftrifft und
nachdem es am Objekt gebeugt wurde. Damit erhalten die Forscher hochaufgelöste,
dreidimensionale Darstellungen von bisher
nicht zu beobachtenden Weichteil-Strukturen
– wie etwa von Blutgefäßen – aus dem Inneren von Lebewesen, ganz ohne zuvor Kontrastmittel injizieren zu müssen.
Aber auch die Analyse von Knochen selber
kann das Phasenkontrast-Röntgenverfahren
verbessern. Denn damit sind die Mediziner
in der Lage, Knochen auf Osteoporose zu
untersuchen. Bisher konnten Ärzte das feine
Gefüge im Inneren von Knochen nicht sichtbar machen und damit Osteoporose erst in
einem fortgeschrittenen Stadium erkennen.
Das Phasenkontrast-Röntgen ist ein Verfahren, das nun seinen Weg in den klinischen
Alltag finden muss. Zurzeit wird die dafür
benötigte Röntgenstrahlung in Kilometergroßen Ringbeschleunigern noch aufwendig
und teuer produziert, was den Einsatz in Kliniken verhindert.
Das könnte sich ändern, wenn künftig für die
Produktion der Röntgenstrahlung die in MAP
entwickelten Laser zum Einsatz kommen.
Denn damit könnten Anlagen kostengünstiger und kompakter gebaut und für weitaus
mehr Patienten zugänglich gemacht werden.
able to measure this so called phase shift
by means of special lattices. This method is
called phase-contrast X-ray.
The lattices used by Franz Pfeiffer are three
thin plates, which analyse the X-ray light in a
special arrangement, before it hits the object
and after it has been diffracted at the object.
Thereby the researchers obtain high-resolution, three-dimensional images of, so far,
unobservable soft-part structures – such as
blood vessels – from the inside of living organisms, completely without injecting contrast
media in advance.
In addition the analysis of bones themselves
can be improved by the phase-contrast X-ray
method as well, because it enables physicians to test bones for osteoporosis. So far,
doctors have not been able to visualize the
fine structure of the bones’ inside and thus
could not detect osteoporosis until it had
reached an advanced stage.
Phase contrast X-ray is a method which
needs to find its way into clinical daily routine.
At present, the X-ray radiation required for it
has to be produced in a complex and expensive way in kilometre-sized ring accelerators,
which prevents its use in hospitals.
This could change, if in the future the lasers
developed in MAP are used for the production
of X-ray radiation, because the units could be
built in a more cost-efficient and compact way
and be made accessible for many patients.
Fast 10 Zentimeter
groß ist dieser Axolotl,
der einmal mit normaler Röntgentechnik
(links) und einmal mit
Phasenkontrast-Röntgenradiographie an
der TUM aufgenommen wurde (rechts).
Während auf dem
linken Bild kaum Details zu erkennen sind,
werden rechts die
Feinheiten sichtbar.
This axolotl, which is
captured once with
normal X-ray technology (left) and once with
phase contrast X-ray
radiography (right), is
almost 10 centimetres
long. Whilst on the
left picture hardly any
details are recognizable, intricacies become
visible on the right
one.
© Franz Pfeiffer (2)
Mit Hilfe der Phasenkontrast-Röntgentomographie werden
Blutgefäße in einem Rattengehirn sichtbar. Würde man solche
Bilder mit normaler Röntgentechnologie aufnehmen wollen,
müsste man zuvor in die Adern ein Kontrastmittel spritzen.
With the aid of phase-contrast tomography, blood vessels
within a rat’s brain become visible. To capture such pictures with normal X-ray technology, it would be necessary
to inject contrast medium in the veins beforehand.
Phasenkontrast-Röntgentomographie im klinischen Test
W
ie lässt sich die röntgenbasierte Phasenkontrast-Bildgebung für Patienten
einsetzen? Das testen in präklinischen Studien die Mediziner am Institut für Klinische Radiologie am Klinikum Großhadern um Prof.
Maximilian Reiser, Dr. Fabian Bamberg und
Dr. Sigrid Auweter.
Die Mediziner analysieren biologische Gewebeproben und Kleintiermodelle an experimentellen Aufbauten und am weltweit
ersten Röntgen-Phasenkontrast-System für
Kleintiere, das Prof. Franz Pfeiffer mit seinem Team in Garching entwickelt hat. Sie
vergleichen herkömmliche Röntgenbilder
mit Aufnahmen, die durch die Phasenkontrasttechnik entstanden sind. Diese Bilder
liefern zusätzliche Informationen darüber,
wie stark die Strahlen von Strukturen im Körper abgelenkt werden. Die Mediziner haben
zum Beispiel Proben zur Gelenkerkrankung
Arthrose untersucht und festgestellt, dass
sich mit dem Phasenkontrast-Röntgen im
Vergleich zu konventionellen Röntgenaufnahmen degenerative Veränderungen des
Knorpelgewebes feststellen lassen. Bei der
Analyse von Brustgewebeproben stellten sie
fest, dass sich Hinweise auf Tumoren mit der
neuen Methode deutlich präziser darstellen
lassen.
Zufrieden zeigten sich die Mediziner, als sich
herausstellte, dass sich krankhafte Veränderungen der Lungenbläschen, die bislang
mit konventioneller Bildgebung erst in einem
späten Stadium sichtbar werden, in den am
Kleintierscanner erzeugten Aufnahmen deutlich und bereits in frühen Stadien erkennen lassen. Auch Experimente
H
ow can X-ray based phase contrast imaging be used for patients? This is being
tested in preclinical studies by physicians
at the Institute of Clinical Radiology at the
Grosshadern Clinic around Prof. Maximilian
Reiser, Dr. Fabian Bamberg and Dr. Sigrid
Auweter.
The physicians analyse biological tissue
samples and small animal models at experimental setups with the world’s first phasecontrast X-ray system for small animals,
which has been developed by Prof. Franz
Pfeiffer and his team in Garching. They compare conventional X-ray images with images that were generated by phase contrast
technology. These images provide additional
information on how strongly the beams are
deflected from structures in the body. For example, the physicians have examined samples concerning the joint disease arthrosis and
have discovered that degenerative changes
of the cartilage-tissue can be identified with
phase-contrast radiography in comparison
to conventional radiography. When analysing breast tissue samples, they discovered
that indications of tumours can be displayed
much more precisely with the new method.
The physicians were highly satisfied when it
turned out that pathological changes of pulmonary alveoli, which up to now became visible only at a late stage with conventional
imaging, could be discovered clearly and already at an early stage on the images created with the scanner for small animals. The
experiments concerning arteriosclerosis,
the calcification of the arteries, provided
clear indications of the disease such as
11
12
Phase contrast X-ray tomography in clinical tests
inflammatory vascular wall alterations and
deposits. In addition to these studies, the
physicians continue to investigate which contrast medium is best suited for the new imaging method.
There is still a long way until clinical application. However, the results of the research
confirm that different tissue areas, in particular soft tissue, can be displayed considerably better with phase contrast X-ray. Now the
scientists of this cooperation, which is unique
in the world, want to examine for which clinical pictures the method will provide a medical
benefit for the patient. In the long run, they
could thus revolutionize medical diagnostics
with the new imaging method.
© Martin Bech und Franz Pfeiffer
zur Arteriosklerose, der Verkalkung von Arterien, lieferten deutliche Krankheitshinweise
wie entzündliche Gefäßwandveränderungen
und Ablagerungen. Neben diesen Untersuchungen erforschen die Mediziner, welche
Kontrastmittel sich am besten für das neue
Bildgebungsverfahren eignen.
Bis zur klinischen Anwendung ist es noch ein
langer Weg. Doch die Forschungsergebnisse
bestätigen, dass sich mit dem Phasenkontrast-Röntgen unterschiedliche Gewebebereiche, insbesondere Weichteilgewebe, deutlich
besser darstellen lassen. Nun wollen die Wissenschaftler in dieser weltweit einzigartigen
Kooperation untersuchen, für welche Krankheitsbilder die Methode einen medizinischen
Mehrwert für den Patienten bringt. Langfristig
könnten sie so mit dem neuen bildgebenden
Verfahren die medizinische Diagnostik revolutionieren.
In Zusammenarbeit mit den Medizinern um Prof.
Maximilian Reiser vom Klinikum Großhadern
wird die Phasenkontrast-Bildgebung vom Team
um Prof. Franz Pfeiffer am Institut für Medizintechnik der TUM bereits an lebenden Mäusen
getestet. In der Mitte zu sehen ist das erste Phasenkontrastbild-Röntgenbild einer Maus. Links
als Vergleich dazu das konventionelle Röntgenbild. Ganz rechts zu sehen ist ein Dunkelfeldbild,
eine weitere Darstellungsmöglichkeit, mit dem
Röntgenkontrast-Verfahren Weichteile (wie hier
die Lunge) in einem Organismus abzubilden.
In collaboration with the medical doctors
around Prof. Maximilian Reiser (Klinikum
Großhadern), the team of Prof. Pfeiffer already
uses the new phase-contrast radiography
technique to image live mice. The middle
image displays the first phase-contrast image
radiograph of a mouse. In comparison on
the left, a conventional radiograph is shown.
On the right, a dark field image can be seen,
another modality to visualize soft tissue in an
organism (such as the lung) ), by means oft
the X-ray phasecontrast method.
13
© Thorsten Naeser
Lasergetriebene Ionenpulse für die Tumorbestrahlung
Das ATLAS-Lasersystem
in LEX Photonics wird
neben der Produktion
von Röntgenstrahlung
auch zur Erzeugung von
Ionenpulsen eingesetzt.
The ATLAS laser system
in LEX Photonics is
used for the creation of
ion pulses in addition to
the production of X-ray
radiation.
H
ochintensive,
ultrakurze
Laserpulse
könnten der Schlüssel zu einer neuen
Ära in der Teilchenstrahlung für medizinische
Anwendungen sein. Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, kann man mit Laserpulsen geladene Partikel beschleunigen und
so eine Teilchenstrahlung für medizinische
Anwendungen erzeugen. Die physikalischen
Grundlagen für zukünftige therapeutische
Ansätze mit Hilfe von laserbeschleunigten Ionen, also geladenen Atomen, erkunden Prof.
Jörg Schreiber und sein Team im Cluster.
Rund 50 Femtosekunden dauern die Laserpulse, die die Physiker auf durchsichtige
Folien auftreffen lassen. Diese, nur wenige
Nanometer dicken, Folien bestehen aus diamantartigem Kohlenstoff. Trifft nun das Licht
auf die Folien, so üben die Photonen Druck
auf sie aus und schlagen Ionen heraus. Der
Druck des Lichts wird bis zu zehn Gigabar
(eine Milliarde Bar) groß. Zum Vergleich:
Auf der Erde herrscht ein Druck von einem
Bar. Die herausgeschlagenen Ionen werden
beschleunigt und deren Wirksamkeit auf Tumorzellen untersucht.
Zurzeit werden Ionenstrahltherapien am Patienten noch mit kontinuierlicher Bestrahlung
durchgeführt. Diese wird an konventionellen
Beschleunigern über elektrische und magne-
E
xtremely intense, ultra-short laserpulses
might be the key to a new era in particle
radiation for medical applications. Since light
is also an electromagnetic wave, laser pulses
can accelerate charged particles and thus
create a particle radiation for medical applications. The physical basis of future therapeutic
approaches by means of laser-accelerated
ions (charged atoms), is explored by Prof.
Jörg Schreiber and his team in the cluster.
The laser pulses, which the physicists direct
onto transparent foils, last about 50 femtoseconds. These foils which are only a few nanometres thick are made of diamond-like carbon. If the light hits the foil, the photons exert
pressure that knocks out ions. The pressure
of the light reaches values of up to ten gigabar (one billion bar). In comparison: a pressure of merely one bar prevails on the earth.
The knocked out ions are accelerated. For
this reason, they are suitable for ion-beam
therapy, whose effectiveness is tested in the
next step.
At present, ion-beam therapies are performed on the patient with continuous irradiation. It is produced with conventional accelerators through electric and magnetic fields.
By means of pulsed, strong laser light it is
now possible to apply pulsed ion radiation as
14
© Thorsten Naeser
Laser-driven ion pulses for the tumour radiotherapy
Das System der lasergetriebenen
Ionenstrahlung: Laserpulse von links
kommend, treffen auf hauchdünne
Folien. Dort schlagen die Lichtteilchen
die Ionen aus dem Material heraus.
Anschließend werden Krebszellen mit
den Ionen bestrahlt.
The system of laser-driven ion
radiation: laser pulses coming
from the left hit wafer-thin foils.
There the light particles knock
ions out of the material. Afterwards, these ions are used to
irradiate cancer cells.
tische Felder erzeugt. Durch das gepulste,
starke Laserlicht wird es jetzt möglich, auch
gepulste Ionenstrahlung einzusetzen. Ein
solches System könnte durch die sich schnell
entwickelnden Lasersysteme platzsparender,
kostengünstiger und damit einer größeren
Zahl von Patienten zugänglich werden.
Im Forschungszentrum LEX Photonics werden zunächst die Lichtquellen zur Erzeugung
von Ionenstrahlung weiter verstärkt, um im
Anschluss noch energiereichere Ionenstrahlung zu erhalten und damit auch tiefiegende
Tumoren zu erreichen. Von unmittelbarem
Interesse ist die gepulste Natur der Strahlung, die verbesserte Kontroll- und Detektionsmethoden verspricht. Auf dem Weg zu
einem laserbasierten System für eine effiziente Ionenstrahltherapie eröffnet sich den
Wissenschaftlern ein neuartiges Werkzeug,
um fundamentale Wechselwirkungsprozesse
von ionisierender Strahlung mit Materie und
Gewebe besser zu verstehen.
well. Due to the rapidly developing laser systems, such a system could become available in a more space-saving and cost-efficient
way and thus become accessible to a larger
number of patients.
Effective irradiation of deep-seated tumours
requires high-energy ion-radiaton. In the research centre LEX Photonics, this is achieved by intensifying light sources before using
them to create ion radiation. The physicists
are interested in the pulsed nature of the radiation, which promises improved control and
detection methods. On the way to a laserbased system for an efficient ion-beam therapy, a novel tool paves the way to a better
understanding of fundamental interaction processes of ionizing radiation with matter.
Targetlabor des MAP-Service Centres – Hauchdünne Folien als Teilchenquelle
D
ie moderne Medizin bedient sich winziger
Teilchen aus dem Mikrokosmos. So wird
etwa aus Ionen bestehende Teilchenstrahlung für die Therapien von Tumoren eingesetzt. Ionen sind geladene Atome.
Doch aus welchem Material lassen sich Ionen mit den benötigten Energien für die
klinische Therapie gewinnen? Was ist das
ideale Target für die Laser-Ionen Beschleunigung? Mit diesen Fragen beschäftigen sich
die Wissenschaftler im Targetlabor des Exzellenzclusters. Die Forscher haben sich auf
die Produktion von hauchdünnen, diamantartigen Kohlenstofffolien spezialisiert. Diese
Folien sind drei Nanometer dick. Würde man
30.000 Folien übereinander stapeln, so wäre
dieser Stapel gerade mal so dick wie ein Blatt
Papier.
Zu ihrer Herstellung verwenden die Forscher
ein heißes Plasma aus Kohlenstoff-Ionen.
Diese werden mit einer Geschwindigkeit von
rund 100.000 Metern pro Sekunde auf einen
mit Natriumchlorid bedampften Siliziumwafer
gelenkt. Anschließend wird diese SandwichKonstruktion in Wasser getaucht. Dabei löst
sich das Natriumchlorid im Wasser auf. Der
Wafer sinkt zu Boden. Zurück bleibt, auf der
Wasseroberfläche schwimmend, die diamantartige Kohlenstofffolie.
Die dünnsten Folien aus dem Targetlabor sind
wenige 100 Atomlagen dick. Sie werden auf
einen Träger mit Metall aufgezogen, der über
viele kleine Löcher verfügt. Lässt man nun
einen starken Laserpuls auf die diamantartigen Folien auftreffen, trennt er die Atome in
schnellere Elektronen und schwerere Ionen.
Die Elektronen werden durch den Lichtdruck
angetrieben. Sie ziehen die langsameren Ionen nach. Unter Medizinern gilt lichtgetriebene Ionenstrahlung als die visionäre Methode
der Tumortherapie, weil sie effektiver ist als
bisherige Ansätze und gleichzeitig das gesunde Gewebe schont.
Blick durch das Mikroskop auf die Oberfläche
der diamantartigen Folien. Die Eigenschaften der
Ionenpulse kann durch die Oberflächenbeschaffenheit der Folie beeinflusst werden. Hier sieht man
eine zehn Nanometer dicke freistehende Folie, in
die ein Mikrolinsenarray eingeprägt worden ist.
The surface of the diamond-like foils seen through
the microscope. The properties of the pulses can
be influenced by the foil’s surface pattern. The
image shows a freestanding foil of ten nanomtres
thickness in which a micro lenses array
is stamped.
M
15
odern medicine uses tiny particles from
the microcosm. This way, for instance,
particle radiation consisting of ions is being
used for the treatment of tumours. Ions are
charged atoms.
Which material can provide ions with the required energies for clinical therapy? What is
the ideal target for the laser-ions acceleration? The scientists in MAP‘s target laboratory
deal with these questions. They specialise
in the production of wafer-thin, diamond-like
carbon foils. These foils are three nanometres thick. If you would pile 30,000 foils on top
of each other, this pile would be merely as
thick as a sheet of paper.
For their production, researchers use a hot
plasma from carbon ions. These ions are accelerated to a speed of about 100,000 metres per second and directed at a silicon wafer
vapour coated with sodium chloride. Afterwards, this sandwich construction is submerged into water, whereby the sodium chloride
dissolves and the wafer sinks to the ground.
What’s left is the diamond-like layer floating
on the water‘s surface.
The thinnest foils of the target laboratory are
a few 100 atom layers thick. They are applied
on a metal carrier, which has many small
holes. If a strong laser pulse hits the diamond-like foil, it separates the atoms into faster electrons and heavier ions. The electrons
drag behind the slower ions. Among physicians, light-driven ion radiation is considered
as the visionary method of tumour therapy,
because it is more effective than common approaches and at the same time preserves the
healthy tissue.
© Peter Hilz
16
Target laboratory of the MAP-Service Centre – Wafer-thin foils as particle source
Das Targetlabor des MAP-ServiceCentres ist weltweit das einzige, das
freistehende hauchdünne Kohlenstofffolien herstellt, in denen die Atome in einer
diamantartigen Struktur angeordnet sind.
The target laboratory of the MAP-ServiceCentre is the only one worldwide that
produces freestanding, wafer-thin carbon
foils in which the atoms are arranged in a
diamond-like structure.
Die diamantartigen Folien werden auf einen
siebartigen Objektträger aufgezogen. Er dient als
Halterung in der Versuchsanordung. Auf ihn treffen die Laserpulse und schlagen Ionen heraus.
The diamond-like foils are mounted on a sieve-like object carrier. It serves as the holder in
the experimental set-up. The laser pulses hit
it and knock out ions.
© Thorsten Naeser (2)
17
© Thorsten Naeser
Strahlentherapie der Zukunft – Wie reagieren Krebszellen auf Ionen?
Am Meier-Leibnitz-Laboratorium bestrahlen
die Forscher Krebszellen. Hier werden
die Protonen mit Hilfe
eines elektrostatischen
Linearbeschleunigers
erzeugt. Zukünftig
könnte die Ionenstrahlung über Laserlicht
produziert werden.
At the Meier-LeibnitzLaboratory the researchers irradiate the cancer cells. The protons
are produced by means
of an electrostatic linear
accelerator here. In the
future, the ion radiation
could be produced with
laser light.
P
rotonen mit Hilfe von Laserlicht zu beschleunigen, könnte neue Wege in der
Strahlentherapie eröffnen. Schon heute werden Protonen, also positiv geladene Wasserstoff-Atome, zur Strahlentherapie eingesetzt.
Die Protonenstrahlung wird über teure Großgeräte durch elektromagnetische Felder erzeugt. Eine breitgefächerte Versorgung aller
Patienten ist damit nicht möglich.
Die Wissenschaftler um Dr. Anna Friedl von
der Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie der Ludwig-Maximilians-Universität
untersuchen in Zusammenarbeit mit der
Gruppe von Prof. Günther Dollinger von der
Universität der Bundeswehr München, wie
man Krebszellen durch eine Bestrahlung mit
Protonen am wirkungsvollsten zerstört, ohne
dabei das umliegende, gesunde Gewebe zu
sehr zu belasten.
Die Protonenbestrahlungen der Zellen werden am Rasterionenmikroskop SNAKE des
Münchner Tandembeschleunigers durchgeführt. Direkt am Bestrahlungsplatz können
die Wissenschaftler über optische Mikroskope in Echtzeit zusehen, wie unterschiedliche Krebszellen reagieren, wenn sie von
Protonen getroffen werden. Die Forscher
untersuchen die Bedingungen unter denen
P
roton acceleration with the help of laser
light may pave the way for new methods
in radiation therapy. Protons (positively charged hydrogen atoms) are already used for radiation therapy, with radiation being created
by expensive, large appliances via electromagnetic fields. Diversified patient care is impossible with such huge apparatus.
Dr. Anna Friedl and her team at the Department of Radiation Therapy and Radiation Oncology at the Ludwig Maximilians University
in collaboration with Prof. Günther Dollinger’s
group at the University of the Federal Armed
Forces Munich, study different ways to destroy cancer cells using proton radiotherapy,
without straining the surrounding, healthy tissue too much.
Their experiments are carried out with the
scanning ion microscope, SNAKE, of the Munich tandem accelerator. On site, scientists
use optical microscopes to monitor the reaction of different cancer cell types to proton beams and explore the best conditions for blocking proliferation of cancer cells. Since every
tumour has its own characteristics, individual
therapies are required. In most cases, a combination of radiotherapy and chemotherapy
is used. The goal is to combat cancer cells
Radiation therapy of the future – How do cancer cells react to ions?
die Vermehrung von Krebszellen am besten
gehemmt wird. Da Tumoren alle ihre eigenen
Charakteristiken haben, versucht man nun
individuell Therapien zu entwickeln, um die
Geschwüre möglichst effizient zu bekämpfen. Zumeist kommt eine Kombination aus
Bestrahlungen, medikamentöser Behandlung und Chemotherapie zum Einsatz. Man
will die Zellen an ihren jeweiligen Schwachstellen bekämpfen, dort, wo sie am leichtesten angreifbar sind. Das kann etwa bei der
Signalübertragung oder bei Reproduktionsmechanismen sein.
Eine neue Ära bei der Bekämpfung von
Krebszellen könnte nun die lasergetriebene
Protonenstrahlung einläuten. Denn über das
Licht werden die Protonen mit einer extrem
hohen Energie ausgestattet, die sie dann gezielt zur Tumorbekämpfung wieder freisetzen
können. Da ein lasergetriebenes System zur
Protonenerzeugung nur noch den Platz von
etwa zwei Universitätslaboren einnehmen
würde und um einiges kostengünstiger als
eine konventionelle Protonen-Bestrahlungseinrichtung sein dürfte, würde es für Kliniken
leichter zugänglich. Damit könnte es möglich
sein, vielen Krebspatienten eine individuelle
Strahlentherapie zukommen zu lassen.
at their respective
weak points, for
instance at processes
responsible for signal
transmission
or
reproduction.
Laser-driven proton acceleration
could herald the
start of a new era
in cancer therapy,
since laser light
equips
protons
with
sufficiently high energies,
which they can
then specifically
release at the tumour site. A second advantage is that laser-driven systems
for proton production only take up the space
of about two university laboratories and
should be considerably cheaper than a conventional proton irradiation facility. In the future, these systems could be used in clinics,
providing many cancer patients with individual radiotherapy.
© Anna Friedl
Bestrahlte Krebszellen
unter dem Mikroskop:
In Echtzeit können
die Forscher um Anna
Friedl beobachten, wie
die Zellen reagieren,
wenn kurz zuvor Protonen auf sie einwirkten.
Die Menge der einwirkenden Ionen kann
sehr exakt platziert und
dosiert werden.
Irradiated cancer cells
under the microscope:
The researchers
around Anna Friedl are
able to observe in realtime how the cells react
when they have been
affected by ions a short
time before. The quantity of the impacting ions
can be positioned and
dosed accurately.
© Thorsten Naeser
18
Nach einer Bestrahlung untersuchen die Forscher, wie viele Krebszellen überlebt haben.
Dazu färben sie die Zellen zuvor an. Jeder
blaue Punkt zeigt eine Kolonie von Zellen, die
als Nachkommen der ursprünglichen Zellen
gelten. Nur diese Zellen haben überlebt. Alle
anderen wurden durch die Protonen unschädlich gemacht.
After an irradiation, the researchers examine
how many cancer cells have survived. For
this purpose they colour the cells beforehand.
Every blue point shows a colony of cells that
are regarded as the progeny of the original
cell. Only these cells have survived. All others
have been irendered harmless through the
protons.
Eine gewebeschonende Bestrahlung – In Mikrokanälen zum Tumor
D
ie Strahlentherapie eines Tumors mit
Protonen hat im Vergleich zu konventionellen Verfahren mit Photonen potentiell
geringere Nebenwirkungen, da Protonen
durch ihre physikalischen Eigenschaften die
maximale Energie direkt im Zielgebiet abgeben. Welche Patienten von einer Protonentherapie am meisten profitieren, wird derzeit
klinisch erforscht. Fest steht aber, dass eine
Protonentherapie bei krebskranken Kindern
von Vorteil ist.
Trotzdem birgt auch die Protonen-Bestrahlung für das um den Tumor liegende gesunde Gewebe Risiken. Die Protonen nehmen
durch die Hautschicht und die im Körperinneren liegende Strukturen ihren Weg in
Richtung Tumor. Hierbei kann es auch bei
Protonen zu einer schädigenden Wirkung an
gesunden Geweben kommen. Genau dafür
interessiert sich das Team um den Physiker
Günther Dollinger vom Institut für Angewandte Physik und Messtechnik der Universität
der Bundeswehr und die Biologen Thomas
Schmid und Gabriele Multhoff von der Klinik
für Strahlentherapie und Radiologische Onkologie am Klinikum rechts der Isar.
„Jede Strahlenbehandlung kann zu Nebenwirkungen führen, da entlang des Weges
durch das gesunde Gewebe Dosisdeposition
stattfindet“, erklärt Thomas Schmid. Grundsätzlich kann eine Strahlenbehandlung zu
Mutationen im gesunden Gewebe führen und
dadurch zu einem späteren Zeitpunkt zu einer
neuen Krebserkrankung. Dieses Risiko muss
vor allem bei jungen Patienten, speziell bei
Kindern, berücksichtigt werden, die in Kombination mit einer Chemotherapie behandelt
werden. Nach Kombination von Strahlenbehandlung und Chemotherapie ist das Risiko
einer späteren, neuen Krebserkrankung bei
Kindern nicht vernachlässigbar.
Die Biophysiker und Strahlenbiologen arbeiten nun daran, die Strahlenbelastung des gesunden Gewebes bei einer Strahlentherapie
mit Protonen noch weiter zu senken. Die Forscher führen dazu Experimente mit Protonen
am Tandembeschleuniger des Maier-Leibnitz-Laboratoriums durch. „Wir bestrahlen
die Haut und Körperoberfläche nicht mehr
homogen über ein „Feld“ mit Protonenstrahlen, sondern nur noch „punktförmig“ mit Hilfe
eines „Rasters“, erklärt Günther Dollinger.
Bei dieser Methode wird in kleinen Mikrokanälen auf dem Weg von der Haut bis zum Tumor eine sehr hohe Dosis deponiert, die zum
Absterben der Zellen führt. Der große Vorteil
der „punktförmigen“ Bestrahlung über Mikrokanäle ist jedoch, dass die gesunden Zellen
außerhalb so gut wie nicht geschädigt wer-
P
19
roton Radiotherapy of tumours has the
potential to have fewer side effects when
compared to conventional photon based methods. The reason for this is that protons release their maximum energy directly in the
targeted area unlike photons which release
their energy throughout their flight path.
Which patients might benefit most from proton radiotherapy is currently under clinical investigation. It is, however clear, that proton
radiotherapy is beneficial for children suffering from cancer.
Nevertheless, proton irradiation also bears
risks for the healthy tissue surrounding the
tumour. The protons make their way through
the dermal layer of the skin and the structures in the body between the irradiation unit
and the tumour causing potential damage.
The damage caused in the healthy tissue
may however still have a harmful effect even
when considering that protons deposit the
majority of their energy at the site of the tumour. These aspects are precisely what the
team around physicist Günter Dollinger of the
Institute for Applied Physics and Metrology
at the University of Federal Armed Forces
and biologists Thomas Schmid and Gabriele
Multhoff of the Department of Radiotherapy
and Radiooncology at the Klinkum rechts der
Isar are interested in.
“Any radiotherapy may cause side effects, because a dose deposition is taking place along
the path of the particles through the healthy
tissue”, explains Thomas Schmid. In principle, all radiotherapy can lead to mutations
in the healthy tissue and as a result to new
cancer at a later point in time. This risk has
to be kept in mind in particular when children
young patients are concerned, who are additionally treated with chemotherapy. After the
combination of radiotherapy and chemotherapy the risk of reoccurrence or new cancer
formation in children is not negligible.
Biophysicists and radiobiologists are now
working on further reducing the healthy
tissue‘s exposure to radiation during radiotherapy by using protons. To assess if a reduction in healthy tissue side effects is possible researchers perform experiments with
protons produced by the tandem accelerator
at the Maier Leibnitz Laboratorium. “We do
not irradiate the skin and body surface homogenously with proton beams, rather only
precisely by means of a point-by-point matrix irradiation”, explains Günther Dollinger.
Using this method, a very high dose is deposited in small micro-channels on the way from
the skin to the tumour that causes the death
of the cells. The interplay of the protons with
A tissue-conserving radiotherapy – Getting to the tumour via micro channels
den. Durch die Wechselwirkung der Protonen
mit dem Gewebe kommt es zur Aufweitung
der Strahlenkanäle vor dem Tumor und das
ermöglicht, dass auch mit dieser Methode im
Tumor die Energiedosis homogen deponiert
wird und damit zu einer Heilung des Tumors
führt.
Erste Versuche mit einem Hautgewebemodell bestätigen den schonenderen Behandlungsansatz. Die Hautproben sahen nach
der Bestrahlung aus, als hätten viele kleine
Nadelstiche auf sie eingewirkt. Jedoch blieb
eine komplette Rötung und Entzündung der
Haut, wie bei flächiger Bestrahlung, aus.
Mit lasererzeugten Protonen, wie sie die Forscher in MAP zukünftig bereit stellen wollen,
könnte man bei der Tumorbestrahlung die
Strahlenbelastung des gesunden Gewebes
durch die Verwendung von Mikrokanälen
weiter reduzieren und damit z.B. das Krebsrisiko von Kindern nach Strahlentherapie mit
möglicher anschließender Chemotherapie
reduzieren.
Die Simulation zeigt, dass eine „punktförmige“ Bestrahlung über Mikrokanäle die
gleiche Strahlendosis im Tumor deponiert wie eine konventionelle Bestrahlung. Rote Flächen kennzeichnen eine
sehr hohe, gelbe eine mittlere und blaue
Flächen eine niedrige Strahlendosis.
The simulation shows that a “punctiform”
irradiation via micro channels deposits
the same radiation dose in the tumour as
a conventional radiotherapy. Red areas
mark a very high, yellow a medium and
blue areas a low radiation dose.
Article: Thomas Schmid und Michael Molls,
collaborationThorsten Naeser
Kontinuierliche
Bestrahlung eines
Tumors durch die Haut
Continuous
irradiation of a
tumour through the skin
Punktuelle
Bestrahlung eines
Tumors durch die Haut
Punctiform
irradiation of a
tumour through the skin
Haut
skin
Gesundes Gewebe
healthy tissue
Tumor
tumour
Aufsicht auf das auf der Haut angebrachte Filmdosimeter
nach einer punktförmigen Bestrahlung (links) und einer
homogenen Bestrahlung (rechts). Der Anteil der bestrahlten
Regionen (dunkel) ist nach der punktförmigen Bestrahlung
deutlich geringer.
View of the film dosimeter placed on the skin after a punctiform irradiation (left) and a homogenous irradiation (right).
The proportion of the irradiated areas (dark) is significantly
lower after the punctiform irradiation.
Punktuelle Bestrahlung Kontinuierliche Bestrahlung
punctiform irradiation
continuous irradiation
© Stefanie Girst
Text: Thomas Schmid und Michael Molls,
Mitarbeit Thorsten Naeser
biological tissue between the radiation unit
and the tumour results in a widening of the
radiation channels which makes it possible to
deposit a homogenous dose in the tumour,
thus leading to an obliteration of the tumour.
The biggest advantage of the matrix irradiation via micro-channels is that the healthy cells
surrounding the micro-channels stay practically undamaged.
First experiments using an artificial human
dermal tissue model confirm the more gentle
treatment approach. After proton micro-channel radiotherapy, the skin samples showed
localized damage where the micro-channels
had been applied but not between the channels. Complete redness and inflammation of
the skin as seen during homogenous, large
area, irradiation did not manifest itself.
By using laser-generated protons, as the
MAP researchers are planning to do in the
future, one might further reduce the radiation
exposure of healthy tissue via micro-channels
and thus, reduce the tumor reoccurrence and
secondary cancer risk for children after radiotherapy.
© Thomas Schmid
20
21
© Thorsten Naeser
Strahlentherapie der Zukunft – Punktgenaue Vollbremsung des Ionenstrahls
Sobald ein Teilchenstrahl schneller Protonen oder Ionen in einem
Körper mit dem Gewebe
in Wechselwirkung tritt,
entsteht Gammastrahlung. Mit der ComptonKamera messen die
Forscher die Eindringtiefe des Strahls im
Körper.
As soon as a particle
beam of fast protons
or ions interacts in the
body with tissue, gamma radiation is produced. With a Compton
camera the researchers
measure the penetration
depth of the beam in the
body.
U
ltrakurze, laserproduzierte Ionenpulse
könnten zu „geschliffenen Messern“ für
die Tumortherapie werden. Ionenstrahlung
bietet physikalische Vorteile gegenüber herkömmlichen Bestrahlungsmethoden; sie hat
eine definierte Reichweite und gibt ihre enorme Energie auf einen Schlag an das Gewebe
ab, im so genannten Bragg-Peak. Dadurch
kann der Tumor präzise bestrahlt und umliegendes Gewebe geschont werden.
Mit Ionenstrahlung kann somit eine höhere
Strahlendosis verabreicht werden; die Wahrscheinlichkeit der Heilung für den Patienten
steigt. Doch solch „scharfe Messer“ müssen
sehr zielgenau eingesetzt werden, um den
Therapiestrahl so zu steuern, dass die maximale Strahlendosis den Tumor genau trifft.
Das Team um Prof. Katia Parodi, Leiterin des
Lehrstuhls für Experimentalphysik und Medizinische Physik an der Ludwig-MaximiliansUniversität München, entwickelt spezielle
Silizium-Detektoren für die lasergetriebene
Ionentherapie. Dies sind Online-Analysege-
U
ltra-short, laser-produced ion pulses
could one day act as ‘ultrasharp knives’
for tumour treatment, as ion radiation has
a significant advantage when compared to
conventional radiation therapy: it maintains
a defined range and deposits most of its destructive energy in a very localized area. This
behaviour is associated with the so-called
‘Bragg Peak’, a peak in energy deposit. The
tumour can thus be irradiated precisely, while
minimizing the effect on the surrounding tissue.
Consequently, with ion radiation, a higher
radiation dose can be administered, significantly improving the patient’s prognosis. But
in order to ensure maximum radiation dose
exactly at the tumour site, the therapy beam
must be controlled precisely, much like a
surgeon’s knife has to be applied accurately.
The team surrounding Prof. Katia Parodi,
Chair of the Department for Experimental
Physics and Medical Physics at the Ludwig
Maximilians University Munich, is working on
22
Radiation therapy of the future – Punctiform instant braking of the ion beam
räte, die aus hauchdünnen Siliziumscheiben
bestehen und die Energie und Position der
Strahlung messen, die durch sie hindurchfliegt. Sie ermöglichen es, den Ionenstrahl
nach der Wechselwirkung mit dem Detektor
zu charakterisieren. Die Rückmeldung wird
elektronisch erfasst. Zudem dienen SiliziumDetektoren auch als permanente Monitoringsysteme, um den Strahl vor dem Eintritt in
den Patienten zu überwachen.
Des Weiteren erforschen die Wissenschaftler
eine Möglichkeit, den Ionenstrahl während
der Bestrahlung im Patienten zu lokalisieren.
Nachdem die eingestrahlten Ionen mit dem
bestrahlten Gewebe in Wechselwirkung getreten sind, entsteht Gammastrahlung. Diese,
aus hochenergetischem Licht zusammengesetzte Strahlung, fangen die Forscher mit
einem Detektorsystem ein, das auf einer so
genannten Compton-Kamera beruht. Damit
messen sie die Eindringtiefe des Strahls im
Körper. So könnte es bald möglich werden,
online zu beobachten, wo der Strahl im Körper des Patienten landet und seine „punktgenaue Vollbremsung“ millimetergenau zu
lokalisieren.
Daneben unterstützen bereits heute theoretische Berechnungen die Behandlung von
Tumorpatienten; diese Verfahren sollen auch
bei einer künftigen, lasergetriebenen Ionenbestrahlung zum Einsatz kommen. Durch so
genannte Monte-Carlo-Simulationen modellieren die Forscher im Vorfeld die Wechselwirkung der laserproduzierten Strahlung ab
deren Entstehung. Dies sind Berechnungen,
die auf der Wahrscheinlichkeitstheorie beruhen und die den Transport und die Wechselwirkung in Materie beschreiben. Die Modellierung begleitet die Experimente und die
Entwicklung neuer Detektoren und ebnet den
Weg für präklinische Studien.
special silicon detectors for laser-driven ion
therapy. These instruments are made of wafer-thin silicon slices that measure the energy and position of radiation traversing them.
The detectors characterize the laser-driven
ion beam according to its interaction with the
detector material and record the data electronically. Furthermore, they serve as permanent monitoring systems to detect the beam
before it enters the patient’s body.
Katia Parodi’s team also investigates methods to accurately localize the ion beam in
the patient’s body during radiotherapy. When
ions interact with body tissue, gamma radiation is generated. The researchers capture
this radiation, consisting of high-energy light,
by means of a detector system based on a
‘Compton Camera’. This system allows for
precise measurement of penetration depth.
Soon, it may be possible to observe the
beam’s position via online tools and localize
its maximum deposit of energy with an accuracy of a few millimetres.
Nowadays, theoretical calculations are already in use to support treatment of cancer
patients and these methods will also be used
for future, laser-driven ion radiation therapy.
Through the method of ‘Monte Carlo’ simulations, researchers model the paths of laserproduced radiation. These calculations are
based on probability theory and use equations describing the interaction of radiation
and matter. This modelling accompanies the
experiments and development of new detectors, paving the way for preclinical studies.
Theoretische Simulationen unterstützen die Wissenschaftler bei der
zielgenauen Platzierung der Ionenstrahlung im Organismus.
Das Bild rechts zeigt schematisch einen Patienten
umgeben von einem Detektorring zum Nachweis von Gammastrahlung, auf den von links ein Teilchenstrahl trifft.
Theoretical simulations of t support the scientists to place the ion beam
accurately within the organism.
The picture on the right schematically shows a patient surrounded by
a detector ring, for detecting gamma radiation, which is hit by a particle
beam from the left
© Georgios Dedes
23
© Kerstin Hofmann
Lasergetriebene Ionenstrahlung – Treffsichere Tumorbehandlung
Simulation der Dosisverteilung von lasergetriebenen Protonen, die auf
den Kopf eines Patienten
mit einem Gehirntumor
im Gehirn treffen. Das
umliegende, gesunde
Gewebe, wird dabei nur
wenig durch die Strahlung
belastet.
Simulation of the dose
distribution of laser-driven
protons hitting a patient
with a brain tumour. The
surrounding, healthy tissue is thereby only slightly
affected by the radiation.
W
ie muss man laser-produzierte Teilchenstrahlung dosieren, um einen Tumor effizient zu bekämpfen und gleichzeitig
das umliegende Gewebe zu schonen? Diese Frage beschäftigt Prof. Jan Wilkens und
sein Team an der Klinik für Strahlentherapie
und Radiologische Onkologie des Klinikums
rechts der Isar der TU München.
Für ihre praktischen Tests verwenden die
Forscher Teilchenstrahlung, die zur Zeit noch
über den konventionellen Beschleuniger des
Maier-Leibnitz-Laboratoriums (MLL) auf dem
Campus Garching erzeugt wird. Dort testen
sie zum Beispiel gemeinsam mit Strahlenbiologen, wie Hautzellen auf die Bestrahlung mit
Ionen reagieren.
Doch neben der Praxis spielen auch theoretische Berechnungen eine wichtige Rolle.
Schon heute geht jeder Tumorbekämpfung in
einer Klinik eine Simulation der Strahlenbehandlung am Computer voraus. Dabei wird,
individuell für jeden Tumor, berechnet, wie
W
hat is the correct dose of laser-produced particle radiation in order to combat a tumour efficiently, while at the same
time preserving the surrounding tissue? This
question is addressed by Prof. Jan Wilkens
and his team at the Department of Radiation
Oncology at Klinikum rechts der Isar of the
Technical University Munich.
For their practical tests, the researchers use
particle radiation which is currently still produced by a conventional accelerator at the Maier-Leibnitz-Laboratorium (MLL) in Garching.
In collaboration with radiobiologists, they explore phenomena such as the reaction of skin
cells to ion irradiation.
However, besides practical applications, theoretical calculations are important as well.
Nowadays every tumour treatment in a clinic
is preceded by a computer simulation which
calculates treatment plans individually for
each patient. The aim of these simulations
is to obtain the appropriate dose and correct
Laser-driven ion radiation – Precise tumou r treatman die Bestrahlung dosieren und in welchem Winkel man sie auftreffen lassen muss,
um eine möglichst effiziente Behandlung mit
Ionen, aber auch mit Röntgenphotonen zu
gewährleisten.
Solche Berechnungen erstellen die TU-Mediziner auch für gepulste Strahlung, die mit
der in MAP entwickelten Lasertechnologie
erzeugt werden soll. Das Energiespektrum
dieser licht-getriebenen Strahlung wird breiter sein, als die aus konventionellen Beschleunigern gewonnene Strahlung.
Das verspricht neues Potential. Denn damit
sind die Mediziner in der Lage, bestimmte
Teile des Energiespektrums herauszufiltern
und so eine Strahlentherapie individueller
als bisher auf die Bekämpfung eines Tumors
auszurichten.
Und noch ein Vorteil könnte sich aus laserproduzierter Röntgen- und Teilchenstrahlung
für die Tumortherapie ergeben: Die Technologie zur Diagnose und Therapie könnte
zusammengelegt werden. Heute werden
Tumoren meist erst über Röntgenbilder diagnostiziert. Anschließend muss der Patient zu einem anderen Gerät wechseln, das
die therapeutische Bestrahlung übernimmt.
Künftig könnte es gelingen, zuerst mit Laserlicht die Röntgenstrahlung für die Diagnose
und gleich im Anschluss - mit der gleichen
Lichtquelle - die Ionenstrahlen zur Therapie
einzusetzen. Der Patient müsste sich dazwischen nicht mehr bewegen. Das würde die
Treffersicherheit der Teilchenstrahlung zur
Bekämpfung des Geschwürs erhöhen.
angles to ensure efficient treatment with ions,
as well as X-ray photons.
Researchers of TU Munich also provide these types of calculations for pulsed radiation,
which will be produced with the help of laser
technology developed at MAP. The energy
spectrum of this light-driven radiation will be
wider than of the radiation gained from conventional accelerators.
This holds new potential, as physicians will
be able to filter out certain parts of the energy
spectrum, adjusting radiotherapy to an even
more personalized level. Another benefit
could arise from laser-produced X-ray and
particle radiation for tumour treatment: technology used in diagnosis and therapy being
combined. Today, tumours are usually first
diagnosed via X-ray imaging, and the patient then has to change to a different device
that delivers the radiotherapy. In the future, it
may be possible to apply X-ray radiation for
diagnostic purposes with laser light first, and
directly afterwards (with the same light source), ion radiation for therapy purposes. The
patient would not need to move between the
procedures, increasing the accuracy of the
particle radiation.
Lasergetriebene Tumorbehandlung der Zukunft:
Ein Laser produziert Röntgen- und Teilchenstrahlung.
Der Patient muss sich nach der Lokalisierung zur Ionenstrahl-Behandlung nicht mehr bewegen. Das würde die
Treffsicherheit der Teilchenstrahlung erhöhen.
Laser-driven tumour treatment of the future:
A laser produces X-ray and particle radiation. The patient does not have to move after the localisation of the
ion beam irradiation. This would increase the accuracy
of the particle radiation.
© Stefan Schell
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25
© Thorsten Naeser
Den Ursprung von Krankheiten verstehen – Elektronen „fotografieren“
N
In LEX Photonics
entwickeln die Physiker Lasersysteme, mit
denen sie eine neue
Generation Attosekunden-Lichtblitze erzeugen
wollen. Diese sollen bis
in den Röntgenbereich
des Spektrums reichen
und kleinste Strukturen
sichtbar machen.
At LEX Photonics the
physicists develop laser
systems with which they
want to produce a new
generation of attosecond
light flashes. These
should extend to the Xray range of the spectrum and make smallest
structures visible.
eben der lasergetriebenen Teilchenbeschleunigung verfolgen die Physiker in
LEX Photonics einen weiteren, völlig anderen Ansatz auf dem Weg zu neuen medizinischen Diagnose- und Therapieverfahren.
Mit Attosekunden-langen Lichtblitzen, die nur
Milliardstel einer milliardstel Sekunde dauern, erforschen sie Elektronenbewegungen.
Die quantenmechanischen Sprünge dieser
Teilchen bestimmen die elementarsten Prozesse in der Natur. Damit sind sie auch für
die Entstehung von Krankheiten mit verantwortlich. Denn wie chemische Reaktionen
ablaufen und damit auch Veränderungen in
Organismen, wird entscheidend von Elektronenbewegungen bestimmt.
Die Welt der Elektronen ist bislang nur im
Ansatz verstanden: Attosekunden-Lichtblitze
ermöglichen es aber nun erstmals, Elektronen-Phänomene zu verstehen und sie in einem späteren Schritt auch zu beeinflussen.
So könnten Krankheiten unmittelbar in ihrem
Ursprung bekämpft werden – etwa dort wo
durch eine fehlerhafte Orientierung der Elektronen in einer Zelle Krebs entsteht.
Wie entstehen nun Attosekunden-Lichtblitze?
Attosekunden-Lichtblitze werden von Femtosekunden-Laserpulsen produziert. Je stärker
diese Laserpulse sind, desto wirksamer erzeugt man daraus Attosekunden-Lichtblitze.
I
n addition to laser-driven particle acceleration, physicists at LEX Photonics also pursue
a completely different approach to new medical diagnostic and therapeutic methods.
They explore electron movements via light flashes that only last for a few attoseconds, that
is, a billionth of a billionth of a second. The
quantum-mechanical leaps of these particles
determine the most fundamental processes
in nature. For this reason they are (among
other factors) involved in the origination of
diseases. Chemical reactions are decisively
determined by electron movements, thus,
changes in living organisms can also be traced back to these elementary particles. However, little is known of their world. Attosecond
light flashes now provide the opportunity to
understand electron phenomena for the first
time and to possibly influence electron behaviour. In doing so, diseases could be combated directly at their source, for example when
cancer forms in a cell due to a faulty orientation of the electrons.
But how can attosecond light flashes be generated? They are produced by means of
femtosecond laser pulses. The stronger these pulses are, the more effectively attosecond light flashes can be produced. The flashes must also meet high demands in order
to be suitable for the exploration of the micro-
Understanding the origin of diseases – “Photographing” electrons
Sie müssen hohe Anforderungen erfüllen, um
sich für die Erkundung des Mikrokosmos zu
eignen. Die kürzesten Lichtblitze dauern nur
wenige zehn Attosekunden. Heute schafft
man es, Attosekunden-Lichtblitze im extremen ultravioletten Wellenlängenbereich des
Lichts (XUV) zu produzieren. Extremes ultraviolettes Licht besitzt eine Wellenlänge von
weniger als zehn Nanometer.
Doch bei XUV-Licht ist noch lange nicht
Schluss. In LEX-Photonics arbeiten die Forscher daran, Attosekunden-Lichtblitze bis in
den Röntgenbereich von wenigen Nanometern Wellenlänge zu verkürzen. Hintergrund
ist ein physikalisches Gesetz, das besagt,
dass man mit einer bestimmten Art von Licht
nur Strukturen sehen kann, die genauso groß
sind, wie die Wellenlänge dieses Lichts lang
ist. Verkürzt man nun die Wellenlänge des
Lichts, sollten die winzigen Teilchen noch klarer sichtbar werden. Zudem wird es dann einfacher, ihre quantenmechanischen Laufwege
zu verfolgen.
Neben der Verkürzung ihrer Wellenlänge
wollen die LEX Photonics-Wissenschaftler
die Leistung der Attosekunden-Lichtblitze
steigern, sie also mit mehr Energie ausstatten. Je höher nämlich die Leistungsfähigkeit
der Lichtblitze ist, desto einfacher wird es,
Kontrolle über Elektronen zu gewinnen und
diese womöglich später einmal zu steuern.
Dies wäre der Schlüssel, um Krankheiten
bereits während ihrer Entstehung an ihrem
absoluten Ursprung zu bekämpfen.
Ein Attosekunden-Lichtblitz trifft auf ein komplexes Molekül und zeichnet
die Bewegungen der
Teilchen außerhalb der
Atomkerne in Echtzeit
auf. Damit könnten die
Ursprünge von Krankheiten auf elementarster
Ebene erforscht werden.
An attosecond light flash
hits a complex molecule
and records the movement of the particles
outside of the atomic
nucleus in real-time. In
this way the origins of diseases could be studied
at the most basic level.
cosm.The shortest light flashes only last for
a few tens of attoseconds. Today, it is possible to produce attosecond light flashes in the
‘Extreme Ultraviolet Wavelength’ light range
(XUV), which has a wavelength of less than
10 nanometres.
However, XUV is not the limit. At LEX Photonics, researchers work on reducing the wavelength of attosecond light flashes down to the
X-ray range of a few nanometres. The laws
of physics limit the size of structures we are
able to observe with different types of light:
light of a certain wavelength can only be used
for observing structures that are of equal or
larger size to the light’s wavelength. When
using an extremely short wavelength, particles should be visible even more clearly. In addition to this, it is much easier to follow their
quantum-mechanic movements when using
shorter wavelengths.
LEX Photonics scientists not only want to
shorten the wavelengths of attosecond light
flashes, but are also working on enhancing
their power and equipping them with more
energy. Electrons could then easily be monitored, and possibly controlled. This could be
the key to combating diseases at their absolute origin.
© woogieworks
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LEX-Photonics und Centre for Advanced Laser Applications (CALA)
Seit 2012 wird in LEXPhotonics eine neue
Generation Lasertechnik
entwickelt. Östlich davon
entsteht ab 2014 das
neue Centre for Advanced Laser Applications
(CALA), das hier bereits
in der Animation zu
sehen ist.
Since 2012 a new generation of laser technology
is being developed at
LEX Photonics. To the
east of it the new Centre
for Advanced Laser
Applications (CALA) will
be evolving as of 2014,
which can already be
seen in the animation
here.
icht ist das Werkzeug des 21. Jahrhunderts. Die Photonik gilt als Schlüsseltdiszplin mit zahlreichen vielversprechenden Perspektiven in technischen und medizinischen
Bereichen. Die Grenzen der Lichttechnologien loten die Physiker im Laserforschungszentrum LEX Photonics der Ludwig-Maximilians-Universität aus.
Zunächst arbeiten die Forscher daran, eine
neue Generation Lasersystem für hochintensive Attosekunden-Lichtquellen zu entwickeln. Diese Quellen sollen noch mehr
Photonen in kurzer Zeit bereitstellen und die
Licht-Wellenlänge der Blitze in den Röntgenbereich verkürzen. Langfristig könnte diese
Technologie die sogenannte AttosekundenRöntgenbeugung ermöglichen. Damit würden
erstmals alle chemisch-biologisch relevanten
Bewegungen, außerhalb von Atomkernen direkt sichtbar. Man könnte also das Verhalten
von Elektronen und Atomkernen in Echtzeit
beobachten – und das in beliebig komplexen
Systemen, wie etwa in großen, lebenswichtigen biologischen Molekülen. Das könnte
beim Verständnis der fundamentalen Ursachen der Krebserkrankungen behilflich sein,
wenn nicht sogar eine entscheidende Rolle
dabei spielen.
Die Weiterentwicklung der AttosekundenTechnologien könnte auch in der Elektronik
eine neue Ära einläuten. Denn damit könnte
es möglich werden, die elektronische Signalverarbeitung mit Lichtfrequenzen zu steuern.
Das würde die heutige Elektronik millionenfach beschleunigen.
Doch LEX Photonics wird auf dem Campus
nicht das einzige laserforschungszentrum
bleiben. Östlich des Gebäudes entsteht in
den nächsten Jahren das Centre for Advanced Laser Applications (CALA). Hier wird es
vor allem um die Entwicklung neuartiger Diagnose und Therapieverfahren mit Hilfe von
lasergetriebenen Teilchenquellen gehen.
L
ight is the tool of the 21st century. Photonics is considered a key field with numerous promising perspectives in technology and the medical sciences. Physicists at
LMU’s laser research centre LEX Photonics
explore the boundaries of modern light technology.
Their first project is the development of a new
generation of laser system for high-intensity,
attosecond light sources. These sources provide even more photons in a short amount
of time and push the achievable light wavelength of the flashes to the X-ray area of the
light spectrum. In the long run, these technologies could facilitate ‘attosecond X-ray
diffraction’, with which movements outside
of the nucleus (with relevance to biology
and chemistry) could be directly visible. One
could observe the behaviour of electrons and
atomic nuclei in real-time and in all systems,
such as in large biological molecules. This
could be helpful for understanding the fundamental causes of cancer, or even play a
decisive role in its progress and growth.
Further development of attosecond technologies will also herald a new era in the field
of electronic engineering: it might one day be
possible to control electronic signal processing at frequencies of the speed of light, leading to electronics that are a millionfold faster
than today.
But LEX Photonics will not remain the only
laser research centre on the campus. East of
the building, the Centre for Advanced Laser
Applications (CALA) is currently under construction. The main research goals at CALA will
be to develop innovative diagnostic and therapeutic methods by means of laser-driven
particle sources.
The first task to be tackled at CALA is to provide laser-driven, X-ray beam sources of the
next generation. For this purpose, a short
pulse laser produces light flashes in the fem-
© woogieworks
L
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LEX-Photonics and Centre for Advanced Laser Applications (CALA)
In dem eher unscheinbaren Gebäude des
Laserzentrums LEXPhotonics steckt eine
komplizierte Technik für
den Betrieb der Hochleistungslaser.
© Thorsten Naeser
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Die erste Anwendung betrifft die Bereitstellung der nächsten Generation von lasergetriebenen Röntgenstrahl-Quellen. Dabei
produziert ein Kurzpulslaser Lichtblitze im
Femtosekunden-Bereich. Diese Lichtpulse
erzeugen Röntgenstrahlen, die die Krebsdiagnostik zukünftig erheblich verbessern
könnten. Die Strahlen gestatten die Früherkennung von Tumoren. Mediziner wären in
der Lage, Tumoren zu identifizieren, die sich
noch im Anfangsstadium ihres Wachstums
befinden, das heißt, bevor sie einen Millimeter Durchmesser erlangen. Die gegenwärtigen Röntgenstrahlen diagnostizieren Tumoren erst ab einem Durchmesser von fünf
Millimeter. Der Vorteil der Früherkennung
liegt darin, dass die Wahrscheinlichkeit der
Metastasierung kleiner Tumoren wesentlich
geringer ist. Damit würde diese Diagnostik
die Heilungsrate von an Krebs erkrankten
Patienten deutlich anheben. Neben der früheren Diagnose von Krankheiten würden die
laser-produzierten Strahlen für den Patienten
auch eine deutlich geringere Dosisbelastung
bedeuten.
Die zweite medizinische Anwendung, die in
CALA entwickelt wird, betrifft die Behandlung
von Tumoren mittels laserbeschleunigter Teilchenstrahlen, insbesondere Protonen und
Kohlenstoffionen, die von dünnen, mit energiereichen ultrakurzen Lichtpulsen bestrahlten Diamantfolien ausgesandt werden.
Aufgrund des einzigartigen Spektrums an
Teilchenstrahlquellen und ultrakurzen intensiven Lichtpulsen wird CALA dem Ensemble
an Exzellenzclustern im Münchener Raum,
sowie der Ludwig-Maximilians-Universität
und der Technischen Universität in den Bereichen Biochemie, Physik und Materialwissenschaften neue Forschungsfelder eröffnen.
Dazu schafft CALA hochqualifizierte Arbeitsplätze und rechnet aufgrund seiner Alleinstellungsmerkmale mit weltweitem Zuspruch.
This rather inconspicuous building of the
laser centre LEX Photonics contains a complicated technology for the
operation of high-energy
laser.
tosecond range. These light pulses produce
X-ray beams which could considerably improve cancer diagnostics in the future, allowing
early recognition of tumours. Doctors would
be able to identify them in their initial stage of
growth, that is, before they reach a diameter
of one millimetre. Unfortunately, current X-ray
beams can only be used to diagnose tomours
at a diameter of five millimetres or larger. The
early recognition of cancerous tumours is a
great benefit as the probability of metastasis
of smaller tumours is much lower. This diagnostic would increase the prognosis for cancer patients considerably. In addition to early
diagnosis of diseases, laser-produced beams would also ensure lower dose-exposure
for patients.
The second application to be developed at
CALA concerns the treatment of tumours by
means of laser-accelerated particle beams,
in particular protons and carbon ions. These
particles are emitted by thin, diamond foils
and irradiated with high-energy, ultra-short
pulses. Due to the unique variety of particle beam sources and ultra-short intensive
light pulses, CALA will open up new fields
of research for the ensemble of excellence
clusters in the Munich area as well as for the
Ludwig Maximilians University and Technical
University in the fields of biochemistry, physics, and material sciences. CALA will create
highly qualified jobs and is anticipating worldwide recognition due to its unique features.
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Kontakt Munich-Centre for Advanced Photonics:
Contact Munich-Centre for Advanced Photonics:
Prof. Dr. Ferenc Krausz
Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians Universität München
Am Coulombwall 1, 85748 Garching
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Tel.: +49 (0) 89 32905 600
E-Mail: [email protected], [email protected]
www.attoworld.de, www.munich-photonics.de
Prof. Dr. Michael Molls
Technische Universität München (TUM)
Klinikum rechts der Isar
Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radiologische Onkologie
Ismaninger Str. 22, 81675 München, Germany
Tel.: +49 (0)89 4140-6988
E-Mail: [email protected]
Kontakt LEX Photonics:
Contact LEX Photonics:
Prof. Dr. Ferenc Krausz
Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians Universität München
Am Coulombwall 1, 85748 Garching
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching
Tel.: +49 (0)89 32905 600
E-Mail: krausz@lmu
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(Wissenschaftliches Management/Scientific managment LEX-Photonics)
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Am Coulombwall 1, 85748 Garching
Tel.: +49 (0)89 32905 788
E-Mail: [email protected]
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Editorial information:
Herausgeber/Editor: Pressestelle/press office des Munich-Centres for Advanced Photonics MAP
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Redaktion/editorial staff: Thorsten Naeser, Judith Eckstein, Cornelia Meier, Sigourney Luz, Ismene Kolovos
Texte/Texts: Thorsten Naeser, Judith Eckstein, Thomas Schmid und Michael Molls
Fotos/Pictures: Thorsten Naeser, Peter Hilz, woogieworks, Anna Friedl, Stefan Schell, edi und sepp, Franz
Pfeiffer, Jan Wilkens, Georgios Dedes, Martin Bech, Stefanie Girst, Thomas Schmid, Stefan Karsch
Layout und Umschlaggestaltung/Layout and cover design: Thorsten Naeser
Satz/Composition: Thorsten Naeser
Titelbild/Cover picture: Der Laserphysiker Martin Gorjan im LEX Photonics Labor, © Thorsten Naeser
Übersetzt aus dem Deutschen ins Englische: Business Languages Augsburg, Mitarbeit Sigourney Luz
Translated from German into English by Business Languages Augsburg, collaboration Sigourney Luz
Das Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) ist ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG) gefördertes Exzellenzcluster.
The Munich Centre for Advanced Photonics (MAP) is an excellence cluster supported by the German Research Foundation (DFG).
www.munich-photonics.de