Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT)

Der Physiker Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) beschäftigt sich in Würzburg mit Kathodenstrahlen. An den Elektroden einer ummantelten Vakuumröhre entlädt sich elektrische Spannung, die Röntgen im Dunkeln genauer untersucht. Dabei leuchtet ein zufällig auf einem Labortisch liegendes Plättchen, das mit einer chemischen Substanz bestrichen ist – die Strahlung kann, anders als Licht, die Ummantelung mühelos durchdringen. Seine Entdeckung revolutioniert die medizinische Diagnostik: Nun sind Bilder vom Inneren des Körpers möglich - wie hier von der Hand des Anatomen Albert von Koellikers, aufgenommen von Conrad Röntgen am 23. Januar 1896.

Der österreichische Arzt Leopold Freund erkennt erstmals die medizinische Wirksamkeit von Röntgen-Strahlen. Im März veröffentlicht er einen Artikel in der Wiener Medizinischen Wochenschrift mit dem Titel: «Ein mit Röntgen-Strahlen behandelter Fall von Naevus pigmentosus piliferus (Tierfell-Muttermal)». Ein fünfjähriges Mädchen wird der erste Mensch sein, der zu Heilzwecken mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird. 1903 schreibt der Professor für Medizinische Radiologie an der Universität Wien bereits ein Lehrbuch über Strahlentherapie: «Grundriss der gesamten Radiotherapie für praktische Ärzte» - und begründet damit diese medizinische Disziplin.

Vincenz Czerny (1842–1916), Chirurg und Begründer der Strahlentherapie, wird 1902 Prorektor der Universität Heidelberg. Er hat bereits 25 Jahre die Chirurgische Universitätsklinik Heidelberg geleitet, wo er erste Methoden der Vollnarkose entwickelt und zahlreiche Standardoperationen beschreibt. Er fasst er den Entschluss, für seine Krebspatienten eine eigene Heil- und Pflegestätte zu errichten und gleichzeitig ein wissenschaftliches Forschungsinstitut zu gründen, um die vielfältigen Karzinome «unter einem Dach» besser erforschen zu können. 1901 erkennt er, «dass Therapieergebnisse durch zusätzliche Strahlen- und Chemotherapie verbessert werden können.

Der britische Physiker Sir William Henry Bragg macht eine Entdeckung, die die Ionenstrahltherapie überhaupt erst ermöglicht. Ionisierte Teilchen werden im Körper umso stärker abgebremst, je tiefer sie eindringen. Sind sie noch sehr schnell, kommt es nur in geringem Umfang zu Wechselwirkungen mit dem menschlichen Gewebe; kurz vor dem endgültigen Abbremsen aber entfalten die Teilchen ihre volle Energie: Sie zerstören den Tumor, verschonen aber das Gewebe davor und dahinter. Partikel verhalten sich hier völlig anders als etwa Photonen; dieses Verhalten heißt nach seinem Entdecker «Bragg Peak». 1915 erhält er dafür den Nobelpreis. 

1906 tritt Vincenz Czerny als Prorektor der Universität Heidelberg zurück, um sich ganz mit dem Aufbau seines Forschungsinstituts und der neu aufkommenden Strahlentherapie zu beschäftigen. Sein «Institut für Experimentelle Krebsforschung» besteht aus dem «Samariterhaus» – einer Krankenabteilung, die sich der onkologischen Chirurgie und der Strahlentherapie widmet – und zwei wissenschaftlichen Abteilungen. Aus dem Samariterhaus im Stadtteil Bergheim geht die Heidelberger Radiologische Klinik hervor, die Keimzelle des heutigen HIT. Gleichzeitig eröffnet Czerny damit den Forschungsbereich der experimentellen Krebsforschung. 

Die Strahlentherapie ist etabliert: Immer mehr Geräte werden entwickelt, um die Bestrahlungen präziser, effizienter und schonender zu machen - etwa die von William David Coolidge erfundene Hochleistungsröhre. 1925 wird nun im fränkischen Erlangen eine Anlage vorgestellt, die die gleiche Besonderheit aufweist wie eine hochmoderne «Gantry»: die Radiologen können die Röntgenröhre um den Patienten herumschwenken und ihn somit aus mehreren Richtungen bestrahlen. Allerdings werden die Kathodenstrahlen bis 1960 zusehends gegen radioaktive Strahlungsquellen ersetzt, weil ihre Leistung weitaus höher ist.

Der amerikanische Atomphysiker Ernest Orlando Lawrence erhält den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des Zyklotrons. Dieser erste Teilchenbeschleuniger entsteht 1929 und ist noch so klein, dass er auf eine Handfläche passt. Mit seinem Bruder John Lawrence beschäftigt sich der Nobelpreisträger auch mit medizinischen und biologischen Anwendungsmöglichkeiten seiner Technik; er berät schließlich das Institut für Krebsforschung an der Columbia-Universität in New York. Das erste deutsche Zyklotron steht 1944 in Heidelberg; der Otto-Hahn-Preisträger Wolfgang Gentner nimmt es in Betrieb.

Der russische Physiker Wladimir Iossifowitsch Weksler erfindet in Moskau den Synchrotron genannten Kreisbeschleuniger. Zur selben Zeit arbeitet auch der spätere Chemie-Nobelpreisträger Edwin Mattison McMillan in der geheimen amerikanischen Stadt Los Alamos an einem Synchrotron. Erst in solchen Teilchenbeschleunigern erreichen die Partikel sehr hohe Geschwindigkeiten, was gleichbedeutend mit sehr hoher Energie ist. Die Partikel «fliegen» durch ein Vakuum innerhalb eines Rohrsystems und erreichen dabei erst die Geschwindigkeiten und Energien, die für die Tumorbestrahlung nötig sind.

Der spätere Gründungsdirektor des berühmten Fermilabs und Schüler von Lawrence, Robert R. Wilson, schlägt an der Universität Harvard bei Boston erstmals vor, Tumoren mit Protonen zu bestrahlen. Die ballistischen Eigenschaften der geladenen Teilchen könnten für eine - umliegendes Gewebe schonende - Bestrahlung von Tumoren genutzt werden. Die erste Behandlung eines Patienten mit einem Protonenstrahl findet dann 1954 im amerikanischen Berkeley statt, drei Jahre später wird der erste Patient in Europa in Uppsala mit Protonen bestrahlt.

Die ersten Teilchenbeschleuniger werden in der Strahlentherapie eingesetzt. Nach dem Zweiten Weltkrieg werden zunächst die radioaktiven Isotope Cobalt-60 und Cäsium-137 für die Bestrahlungen genutzt, doch sind die Probleme mit diesen radioaktiven Substanzen zu groß. Im amerikanischen Berkeley wird daher ein 184 Zoll Cyclotron für die Strahlentherapie benutzt, andere Anlagen wie Betatrons («Elektronenschleuder» für leichte geladene Teilchen) folgen. Sie sind teuer und liefern nicht die benötigte Strahlendosis. Linearbeschleuniger ersetzen ab 1970 die Cobalt- und Cäsiumstrahler in der Routinetherapie.

Die «Czerny-Klinik» für Strahlentherapie hat sich in ihrer über hundertjährigen Geschichte zu einer der größten und modernsten Einrichtungen für Strahlentherapie und Radioonkologie weltweit entwickelt. 1988 zieht sie aus dem Stadtteil Bergheim in die Kopfklinik im Neuenheimer Feld: den neuen Universitäts- und Klinikumscampus zwischen dem Heidelberger Stadtteil Neuenheim und dem Neckar. Zwei Jahrzehnte später wird das innovative Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) direkt neben der Kopfklinik entstehen - ein unterirdischer Gang wird die Kopfklinik mit der Hightech-Einrichtung verbinden.

Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt beschäftigt sich seit den Siebziger Jahren mit Grundlagenforschung in der Ionenstrahltherapie. Dort experimentieren die Wissenschaftler mit einem Synchrotron-Teilchenbeschleuniger, der für eine Therapie maßgeschneidert ist. Viele Disziplinen wie Kern- und Atomphysik, Strahlenbiologie und -medizin, Beschleunigerphysik, Informatik und andere arbeiten Hand in Hand, um eine Ionenstrahltherapie für das Universitätsklinikum Heidelberg zu entwickeln, die am Patienten eingesetzt werden kann.

Am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt wird das Rasterscanverfahren erstmals erprobt - eine der Voraussetzungen für die Ionenstrahltherapie. Die Ionenstrahlen können so gesteuert werden, dass Tumore bis zur Größe eines Tennisballs millimetergenau Punkt für Punkt bestrahlt werden können. Damit eignet sich die Methode vor allem für tiefliegende Tumore in der Nähe des Sehnervs oder des Hirnstamms. Mit dem im HIT eingesetzen Verfahren wird eine weltweit niemals zuvor erreichte Präzision in der dreidimensionalen Bestrahlung von Tumoren erreicht.

Wissenschaftler des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickeln eine spezielle Software für eine biologisch basierte Bestrahlungsplanung. Dabei errechnen sie für jeden einzelnen «Punkt» des Tumors die physikalische Dosis, die der Ionenstrahl abgeben muss, sowie die effektive biologische Wirkung, die er dort erreicht.

Erstmals in Europa werden Patienten mit Ionenstrahlen behandelt. Jürgen Debus (Foto) und Thomas Haberer leiten das Projekt am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschungin Darmstadt. Das Pilotprojekt demonstriert eindrucksvoll, dass die Ionenstrahltherapie funktioniert: Über 400 Patienten mit Chordomen und Chondorsarkomen der Schädelbasis sowie fünfzig Patienten mit adenoidzystischen Speicheldrüsentumoren werden am Darmstädter Teilchenbeschleuniger mit Schwerionen bestrahlt. Diese Tumoren sind konventionell kaum zu behandeln; ein großer Teil der jetzt bestrahlten Patienten kann geheilt werden.

Im September belegt eine Machbarkeitsstudie der GSI: Die Heidelberger Schwerionentherapieanlage kann kommen! Zwei Jahre zuvor wird ein Projektvorschlag veröffentlicht, der den Bau einer klinischen Therapieanlage zur Krebsbehandlung mit Ionenstrahlen vorschlägt. Im November 2001 gibt auch der Wissenschaftsrat ein positives Votum zur Förderung des Projektes ab. Gemeinsam mit dem Universitätsbauamt Heidelberg werden die Planungen weitergeführt und ein Vorhaben entwickelt, dem der Wissenschaftsrat im Mai 2003 zustimmt. Das «HIT» wird das Zentrum des geplanten «Heidelberger Klinikrings» bilden.

Am 12. Mai wird der Grundstein für das HIT gelegt. Der fertige Bau erstreckt sich fünf Jahre später über 5.027 Quadratmeter, so groß wie ein Fußballfeld. Von den drei Stockwerken des HIT ist nur das oberste sichtbar - die anderen beiden anderen sind unter die Erde verlegt. Die Gesamtkosten liegen bei 119 Millionen Euro, die je zur Hälfte vom Universitätsklinikum Heidelberg und von der Bundesrepublik Deutschland aufgebracht werden. Mehr als 70 Ärzte, Pflegekräfte, Medizinisch-Technische Radiologieassistenten sowie Physiker, Ingenieure und Techniker werden hier ab 2009 arbeiten - rund um die Uhr, sieben Tage in der Woche.

Das HIT feiert Richtfest am 20. Juni. Das neue Gebäude ist direkt mit der Radiologischen Universitätsklinik Heidelberg verbunden. Es umfasst neben dem Beschleuniger drei Behandlungsplätze zur Patientenbehandlung mit Ionen und Protonen sowie ein Bestrahlungsplanungszentrum und einen Raum zur Narkoseeinleitung. Durch den Einsatz verschiedener Ionen (Helium-, Sauerstoff- und Kohlenstoff-) kann ein breiteres Spektrum von Tumoren behandelt werden, als dies mit einer reinen Protonenanlage der Fall ist. Das HIT schließt damit eine Lücke bei der Behandlung von Patienten mit unheilbaren Tumoren etwa der Schädelbasis, des Gehirns sowie der Weichteile.

Die Montage und Inbetriebnahme des Teilchenbeschleunigersbeginnt; das Herzstück des HIT ist seit Oktober 2005 im Bau. Das Synchrotron bringt die Ionen auf Geschwindigkeiten von bis zu 75 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Der Beschleuniger besteht aus mehreren Teilen: Zwei Ionenquellen für Protonen und Kohlenstoffionen, einem Linearbeschleuniger sowie dem Synchrotron, in dem die Partikel bei jedem Umlauf näher an die Endgeschwindigkeit herankommen. Hochfrequenzfelder beschleunigen den Partikelstrahl, Magnete formen und führen ihn in Vakuumrohren. Seine Geschwindigkeit muss exakt an die Lage des Tumors angepasst werden.

Im Januar wird die Drehkonstruktion der Gantry montiert. Die gesamte Beschleunigeranlage mit den Zusatzsystemen ist im ersten und zweiten Untergeschoss des Gebäudes angeordnet, die elektrische Anschlussleistung für den Betrieb beträgt drei Megawatt. Die Anforderungen an den Strahlenschutz sind selbstverständlich sehr hoch: die Wände und Decken der Räume, in der die Beschleunigeranlage steht, sind aus bis zu zwei Meter dickem Stahlbeton. Die Gantry selbst ist 25 Meter lang, 13 Meter breit und hat ein Gewicht von 670 Tonnen. 600 Tonnen werden bei der rotierenden Führung des Ionenstrahls mit Submillimeterpräzision bewegt.

Am 2. November wird das HIT feierlich eröffnet und nimmt knapp zwei Wochen später seine Arbeit auf: Am Sonntag, 15. November, werden die ersten Patienten von dem abgebildeten Team im HIT bestrahlt. Das HIT ist die europaweit erste Therapie-Anlage, die sowohl mit Protonen als auch mit Schwerionen arbeitet. Damit sind klinische Vergleichsstudien möglich. Kinder und Patienten mit bestimmten Tumoren der Prostata, der Lunge und der Leber können hier effektiv behandelt werden. Zwei Behandlungsplätze und ein Forschungsplatz gehen sofort in Betrieb, 2012 folgt dann der dritte Behandlungsplatz in der «Gantry».

Das HIT wird im November zwei Jahre alt. 600 Patienten sind erfolgreich bestrahlt worden, die Technik entwickelt sich permanent weiter, die Anwendungsmöglichkeiten weiten sich aus. Mittlerweile können auch Organe bestrahlt werden, die sich bewegen; ein Computertomograph lokalisiert sie vor der Bestrahlung und überprüft den Bestrahlungserfolg danach. Die richtige Strahlendosis wird vor der Bestrahlung an einer 3D-Darstellung des Tumors errechnet. Die Innovationskraft des HIT wird ausgezeichnet: Es wird zum «Ausgewählten Ort 2011» im «Land der Ideen».

Am 20. Juli wird der eintausendste Patient im HIT bestrahlt. Eine einzelne Bestrahlung dauert in der Regel nur wenige Minuten. Die gesamte Behandlung besteht allerdings aus durchschnittlich zwanzig Einzelbestrahlungen. Der Therapiestrahl muss die DNA der Tumorzellen irreparabel zerstören, damit sie sich nicht mehr weiter teilen können. Das gelingt nicht immer beim ersten Mal, daher sind mehrere aufeinander folgende Bestrahlungen notwendig. Die Ärzte kontrollieren einige Wochen nach den Bestrahlungen mit CT oder MRT, ob der Tumor kleiner geworden oder sogar ganz verschwunden ist.

Bundesforschungsministerin Dr. Annette Schavan und Landeswissenschaftsministerin Theresia Bauer nehmen gemeinsam die «Gantry» in Betrieb - zusammen mit den beiden Direktoren des HIT, Prof. Jürgen Debus und Prof. Thomas Haberer. Mit einem Knopfdruck setzen die Ministerinnen den 670 Tonnen schweren blauen Giganten in Bewegung. Die «Gantry« vollendet die Anlage des HIT: Nun dreht sich der Ionenstrahl um die Patienten herum und kann Tumoren optimal treffen, die bislang eher schlecht vom Ionenstrahl erreicht werden.

Die dritte Strahlenquelle wird installiert, in das System integriert und in Betrieb genommen. Nun können am HIT neben Protonen und Kohlenstoffionen auch Heliumionen erzeugt werden. Die Heliumionenstrahlen werden zunächst zu Forschungszwecken an einem speziellen Forschungsplatz genutzt. Das Ziel ist es, in einigen Jahren die Heliumionenstrahlen auch in der klinischen Therapie am HIT einzusetzen.

Am 8. August wird der fünftausendste Patient im HIT bestrahlt.

Das neue Airo CT-Gerät wird installiert. Durch das mobile Gerät zur 3D-Bildgebung kann nun eine Lagekontrolle direkt im Behandlungsraum durchgeführt werden. Außerdem ermöglicht es eine adaptive Bestrahlung, also eine direkte Reaktion auf anatomische Veränderungen während der Therapie.