2D - FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN - Paul Scherrer Institut (PSI)
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SCHWERPUNKTTHEMA
FORSCHUNG FÜR
PRÄZISE MEDIZIN
5
Das Magazin des Paul Scherrer Instituts
2
03 / 2019
3
2
SCHWERPUNKT THEMA:
FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN
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HINTERGRUND
Krebszellen unter
Beschuss
So präzise wie keine andere Behandlungs
methode gegen Tumore: die Protonen
therapie. Nur das PSI bietet in der Schweiz
diese Therapie an.
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R E P O R TA G E
Medikamente
mit Strahlkraft
Die Radiopharmazie am PSI entwickelt
strahlende Wirkstoffe, mit deren Hilfe
sich Krebszellen aufspüren und bekämpfen
lassen.
Seite 18
3
2
NACHGEFRAGT
Was machen Sie da, Herr Strässle? 4
DAS PRODUKT
Datenspeicher 6
DAS HELFERLEIN
Einweg-Kaffeelöffel 7
SCHWERPUNKTTHEMA:
FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN 8
H I N T E R G R U N D
Krebszellen unter Beschuss 10
I N F O G R A F I K
Feuer frei auf Tumore 16
R E P O R TA G E
Medikamente mit Strahlkraft 18
IM BILD
Niels Schröter 21
I N H A LT
IN DER SCHWEIZ
5 000 000 000 000 000 Bytes
von Villigen nach Lugano 22
Wie Forscher und Ingenieure die Datenflut
am PSI bändigen.
IN KÜRZE
2 Aktuelles aus der PSI-Forschung 26
1 Das Energiesystem der Zukunft
INFOGRAFIK
2 P SI-Bildgebung hilft bei Raketenstarts
Feuer frei auf Tumore 3 Molekulare Schere stabilisiert Zell-Skelett
G
ALERIE
Vom Protonenbeschleuniger bis in das
Gewebe von Patienten. Eine Grafik verrät, Hand in Hand für die Gesundheit 28
was bei der Bestrahlung von Patienten Die Menschen vor und hinter den Kulissen
passiert. der Protonentherapie.
Seite 16 ZUR PERSON
Er macht seine Träume wahr 34
Früher arbeitete Philippe Stutz am PSI als Techniker,
heute ist er Goldschmied in Luzern.
WIR ÜBER UNS 38
IMPRESSUM 40
AUSBLICK 41
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 3
Was machen Sie da,
Herr Strässle?
NACHGEFRAGT
Am PSI werden mit einem hier erfundenen Verfahren Protonen
auf Tumore geschossen und damit zerstört. Das bedeutet
Heilung für bisher Tausende von Krebskranken, darunter mehr
als 500 Kinder. Thierry Strässle, Direktor ad interim, erklärt,
wie das PSI Patienten hilft – nicht nur mit dieser Protonentherapie.
4
NACHGEFRAGT
Herr Strässle, aus der ganzen Schweiz kommen Patienten
nach Villigen, um sich am PSI behandeln zu lassen. Wieso?
Weil sie sich bei uns einer ganz besonderen Therapie unterzie
hen können, der sogenannten Protonentherapie. Das PSI ist
die einzige Institution in der Schweiz, die diese Bestrahlungs
1
möglichkeit zur Behandlung von Tumoren anbietet. Am PSI
behandeln wir Patientinnen und Patienten damit bereits seit
mehr als 30 Jahren – und erzielen einzigartige Erfolge. Nicht
zuletzt wurde hier die Spot-Scanning-Technik entwickelt, die
mittlerweile weltweit bei der Heilung von Krebskranken hilft.
Bei dieser Technik rastert ein dünner Protonenstrahl einen Tu
mor im Körperinneren präzise ab und vernichtet ihn so. Der
Strahl wirkt nur in der Tiefe, wo der Tumor sitzt; davor- und
dahinterliegendes gesundes Gewebe wird geschont.
Das PSI ist doch ein Forschungsinstitut und keine Klinik.
Wie passt das zusammen?
Die Protonentherapie ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie
Grundlagen- und Anwendungsforschung ineinandergreifen
und Nutzen für viele Menschen schaffen. Hier in Villigen ha
ben wir bereits mehr als 7200 Patienten behandelt, darunter
2
mehr als 500 Kinder. Letztere profitieren besonders von der
sehr präzisen und schonenden Protonentherapie. Das ist nur
möglich, weil wir hier über Jahrzehnte geforscht haben: so
wohl für Aufbau und Betrieb der notwendigen Anlagen als
auch für die Entwicklung neuer Methoden zur Bestrahlung.
Wir ruhen uns aber nicht auf dem Erfolg aus, sondern for
schen weiter, um die Behandlungsmöglichkeiten stetig zu
verbessern. Das gilt selbstverständlich auch für das zweite
Gebiet der medizinischen Forschung, auf dem wir uns enga
gieren: die Radiopharmazie.
Was ist das?
Dabei wird ein radioaktives Element mit einem Molekül verbun
den, das sich an Krebszellen heftet. Über eine Infusion gelangt
der Wirkstoff in die Blutbahn des Patienten. Das geschieht in
einer der Kliniken, die sich in der Nähe des PSI befinden. In
der Nähe deshalb, weil die Wirkstoffe aufgrund ihres radioak
3
tiven Zerfalls meist nicht sehr lange haltbar sind und binnen
sehr kurzer Zeit zur Anwendung kommen müssen. Hat sich der
Wirkstoff an die Krebszellen geheftet, sorgt das radioaktive
Element dafür, dass Ärzte den Tumor und seine Ableger genau
lokalisieren können. Bei einigen Wirkstoffen kann die radioak
tive Strahlung den Tumor sogar schädigen und damit bei der
Heilung helfen. Auch mit dieser Forschung nehmen wir welt
weit eine Spitzenposition ein und tragen zum Fortschritt in der
Medizin bei.
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DAS PRODUKT
So manches, was am PSI untersucht wird, könnte Je mehr Wissen die Menschheit generiert und in
eines Tages dazu beitragen, Alltagsprodukte zu elektronischer Form abspeichert, desto mehr steigt
verbessern. Zum Beispiel auch der Strombedarf dafür. Sogenannte multifer
roische Materialien könnten in der Zukunft energie
sparsame Datenspeicher ermöglichen, denn bei
Datenspeicher ihnen sind die elektrischen und magnetischen Ei
genschaften aneinandergekoppelt. Somit würde es
genügen, ein elektrisches Feld anzulegen, um mag
netische Bits und Bytes zu speichern. Dies würde
deutlich weniger Strom benötigen als herkömmliche
Magnetspeicher. Die Krux: Die meisten Multiferroi
ka erhalten ihre besondere Eigenschaft nur weit
unter null Grad Celsius.
Doch vor Kurzem gelang es Forschenden am PSI,
ein neues, möglicherweise multiferroisches Material
unter anderem aus Kupfer und Eisen zu erschaffen.
Im Labortest behielt dieses die magnetische Eigen
schaft sogar bei plus einhundert Grad Celsius – und
damit auch bei der Betriebswärme von Computern.
Nun tüfteln die Forschenden weiter, um bei Be
triebstemperatur nachweislich nicht nur die relevan
te magnetische, sondern auch die elektronische Ei
genschaft und die Kopplung der beiden zu erhalten.
6
DAS HELFERLEIN
In der Spitzenforschung kommen manchmal 50 000 kleine Kaffeelöffel aus Kunststoff haben
überraschend alltägliche Hilfsmittel zum Einsatz. Forschende benutzt, um die gleiche Anzahl Proben
Zum Beispiel gewöhnliche für die Untersuchung an der Synchrotron Lichtquel
le Schweiz SLS am PSI abzufüllen. Es handelte sich
um eine Studie von Geologen aus Finnland, die das
Einweg-Kaffeelöffel Gesteinspulver aus einem Bergwerk erforschten, in
dem unter anderem Kupfer gefördert wird. Die
50 000 Proben waren in mehreren Hundert Bohrun
gen gesammelt worden. Das Ziel: eine detaillierte
dreidimensionale Karte der dortigen Gesteinszu
sammensetzung und ein besseres Verständnis geo
logischer Formationen, das für die künftige Gewin
nung von Metallen nützlich sein wird.
Dass für jede Probe ein eigenes Löffelchen be
nutzt wurde, liegt an der Empfindlichkeit der Un
tersuchungsmethode mit den Röntgenstrahlen der
SLS: Jedes Stäubchen, das von der vorherigen Pro
be am Löffel verblieben wäre, hätte das Ergebnis
verfälscht. Zugleich ermöglichte erst die Schnellig
keit der SLS -Methode dieses immense Projekt:
Jede Probe war innerhalb von nur 12,8 Sekunden
vermessen.
Am Ende behielten die Forschenden einige der
Kunststofflöffel zur Erinnerung – der Rest kam ins
Recycling.
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HINTERGRUND
Krebszellen unter
Beschuss 2
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INFOGRAFIK
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Feuer frei auf Tumore
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Forschung für präzise
SCHWERPUNKTTHEMA
Medizin
Am PSI arbeiten Ärzte und Forscher daran, Tumore so exakt wie möglich
zu lokalisieren und zu behandeln. Sie bestrahlen sie mit Protonen oder spüren
sie mit komplexen Molekülen und Isotopen auf, um sie zu bekämpfen.
Die Fortschritte, die sie dabei erzielen, dienen nur einem Zweck: der Gesund-
heit der Patienten.
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FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN
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R E P O R TA G E
Medikamente mit Strahlkraft
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Diagnose Krebs: Wenn der Tumor ausfindig gemacht ist, lässt er sich meist auch behandeln. 10
FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – HINTERGRUND
Krebszellen unter
Beschuss
Am Paul Scherrer Institut PSI erhalten Krebskranke eine in der Schweiz
einzigartige Therapie. Der Beschuss mit Protonen macht Tumoren den
Garaus – und das so präzise wie mit keiner anderen Form der Bestrahlung.
Das erweitert die Behandlungsmöglichkeiten bei komplizierten Fällen
und insbesondere bei Kindern.
Text: Sabine Goldhahn
Olga Jose aktiviert die Gegensprechanlage. Wäh derter Protonentherapie behandelt. Massgeschnei
rend die Radiologie-Fachfrau einen der vielen Bild dert heisst: die richtige Dauer, Intensität und Häufig-
schirme mit ihren Augen fixiert, fragt sie: «Können keit der Bestrahlung am richtigen Ort. Mit einer der
wir bitte den Strahl haben.» Auf einem Monitor sieht art individuell angepassten Strahlentherapie haben
sie das Bild, das eine Kamera im nur wenige Meter die Spezialisten am PSI schon mehr als 8000 Krebs
entfernten Therapieraum aufnimmt. Dort, an einem patienten geholfen, ihre Erkrankung zu besiegen.
der drei Behandlungsplätze für Protonentherapie
am PSI, der sogenannten Gantry 3, liegt ein junger Diagnose: Krebs
Mann ganz ruhig auf einer Liege. Der Patient wartet
auf die Bestrahlung. Nachdem Jose erfahren hat, Auch der junge Patient – nennen wir ihn Noah
dass der geforderte Strahl abgerufen werden kann, Schmid – ist wegen dieser technologisch fortschritt-
drückt sie auf den Bestrahlungsknopf. lichsten Methode zur Krebsbestrahlung ans PSI
Fünfzig Meter entfernt, hinter der Gantry 3, be gekommen.
ginnen nun positiv geladene Teilchen, sogenannte Die ersten Krankheitszeichen seien ganz unspe
Protonen, ihre Reise zum Patienten. Mit einer Ge zifisch gewesen, erinnert er sich: Schnupfen und
schwindigkeit von bis zu 175 000 Kilometer pro leichte Kopfschmerzen. Als keine Medikamente hal-
Sekunde – fast zwei Drittel der Lichtgeschwindig fen, sei er zum Arzt gegangen. Schon nach wenigen
keit – fliegen sie auf den jungen Mann zu. Sie durch Untersuchungen stand fest: Eine seltene Krebsge
dringen Haut und Gewebe, bis sie den Endpunkt schwulst breitete sich in seinen Nebenhöhlen und
ihres rasanten Fluges erreichen: die Krebszellen, im Rachenraum aus, wucherte entlang der Riech
die das Leben des Patienten bedrohen. nerven zum Gehirn und befiel einen Lymphknoten
Der bleistiftdicke Protonenstrahl steuert sein nach dem anderen, bis hinunter zum Hals. Keine
Ziel äusserst präzise an. Nur weniger als einen Mil Frage: Der Tumor musste raus. Doch durch die Nähe
limeter kann er davon abweichen und benachbartes, zu den Sehnerven durften die Chirurgen nur sehr
gesundes Gewebe treffen. «Im Vergleich zu anderen vorsichtig operieren und konnten nicht alle bösar
Bestrahlungsmethoden, beispielsweise mit Photo tigen Zellen entfernen. Es folgten Chemotherapie
nen, ist das eine sehr schonende Behandlung», sagt und eine Anfrage beim Paul Scherrer Institut. Die
Barbara Bachtiary, Radioonkologin am PSI. Ärzte wussten: Am PSI gibt es die Protonenthera
An dieser Meisterleistung der Präzision haben pie, und die kann Noah Schmid helfen.
viele Mitarbeitende des PSI ihren Anteil. Mediziner, «Krebszellen wachsen oft sehr nahe an emp
Physiker und Techniker arbeiten am Zentrum für findlichen Strukturen wie Sehnerv, Innenohr oder
Protonentherapie ZPT tagtäglich daran, Protonen Rückenmark», erklärt Barbara Bachtiary. «Herkömm-
möglichst genau in Tumore zu lenken und diese zu liche Strahlentherapie würde diese Strukturen
zerstören. Dabei bauen sie auf ihr jeweiliges Exper ebenfalls treffen und dadurch Nebenwirkungen ver
tenwissen, die richtige Infrastruktur und viele Jahre ursachen.» Die Protonentherapie hingegen ist von
Erfahrung. Hier, in Villigen, werden Krebspatienten allen Bestrahlungsarten gegen Krebs diejenige, wel
immerhin schon seit 35 Jahren mit massgeschnei che am genauesten gerichtet und dosiert werden
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 11kann. Das schont gesundes Gewebe. Deshalb ver blaue Fläche daneben zeigt die Areale, welche viel
wenden Ärzte diese Form der Bestrahlung vor allem leicht auch noch Tumorzellen enthalten und eben
bei Tumoren im Kopf- und Halsbereich, wo oft we falls mit einer starken Dosis bestrahlt werden sollen.
nige Millimeter darüber entscheiden, ob ein Patient Daneben folgen gelbe Areale, wo gefährdete Struk
beispielsweise erblindet oder sein Gehör verliert. turen liegen und nur eine schwache Protonendosis
So fürchtet auch Noah Schmid um sein Augenlicht. auftreffen darf. Grün umrahmt sind schliesslich
Seine Stimme wird leise, als ihm Bachtiary behut noch einzelne Krebszellnester entlang der Blut- und
sam erklärt, wie nah der Protonenstahl an den Seh Lymphgefässe am Hals.
nerv herankommen wird: fünf Millimeter. Diese Si
cherheitszone will die Ärztin unbedingt einhalten. Sicherheit durch Teamarbeit
Um die Bestrahlung so genau wie möglich zu
planen, werden von jedem Patienten zunächst aktu Schon im Vorfeld der Bestrahlungsplanung haben
elle Schichtbilder vom Kopf und Hals angefertigt. Zu sich die Mediziner am PSI bei jenen Ärzten über
diesem Zweck hat das ZPT eigene medizinische den Patienten informiert, die ihn vorher behan-
Grossgeräte wie Computertomograf (CT) und Mag delt hatten.
netresonanztomograf (MRT). Die Geräte liefern sehr «Wir legen sehr viel Wert auf die enge Zusam
detaillierte Bilder, die Kopf und Hals in Schichten menarbeit mit den Medizinern der zuweisenden Kli
von weniger als einem Millimeter Dicke zeigen. Auf niken und schätzen den fachlichen Austausch mit
den schwarz-weissen Aufnahmen erkennt Bachtiar y allen Schweizer Universitäts- und Kantonsspitälern.
die Knochenstrukturen und Weichgewebe, wie etwa In den letzten drei Jahren wurden uns die meisten
Nervenstränge. Am Monitor zeichnet sie mit dünnen, Patienten aus dem Universitätsspital Zürich, dem
farbigen Linien die Umrisse von empfindlichen Inselspital Bern und den Kantonsspitälern St. Gallen
Strukturen und Tumorresten nach. Das erfordert und Aarau zugewiesen», sagt Damien Charles We
Übung, doch die Ärztin hat in ihrem Leben schon ber, Leiter und Chefarzt des ZPT.
zigtausende Aufnahmen gesehen. Bei Noah Schmid dauerte es knapp drei Wo
Diese Bilder sind dann die Grundlage für die chen, bis der Behandlungsplan ausgearbeitet war
Behandlung und das wichtigste Werkzeug für den und er seine erste Bestrahlung erhielt. Bachtiary
Bestrahlungsplan: Rot schraffiert ist der Bereich, hatte ihm die Therapie eingehend erklärt: Bei der
den die Protonen am stärksten treffen sollen, also Behandlung schädigt ein gebündelter Strahl von Pro-
Krebsgewebe und befallene Lymphknoten. Eine tonen die Erbsubstanz DNA in seinen Krebszellen,
Bei der Planung wird die betroffene Region
des Körpers in verschiedene Zonen
eingeteilt, die mit unterschiedlicher Intensität
bestrahlt werden, um gesundes Gewebe
zu schonen.
12FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – HINTERGRUND
wodurch diese ihre Fähigkeit zur Zellteilung und richtige Position, die Reihenfolge der Bestrahlungs
Vermehrung verlieren und absterben. Der entschei felder und beobachtet, ob der Patient ruhig liegt.
dende Vorteil bei der Bestrahlung mit Protonen: Die Alles scheint okay. Die Maschinerie, die für eine
schnellen schweren Teilchen lassen sich sehr gut ordnungsgemässe Bestrahlung des Patienten sorgt,
lenken und bremsen, damit sie ihre maximale Ener arbeitet reibungslos.
gie nur im Tumor deponieren. Sie verlieren bloss Kopf und Hals des Patienten werden aus vier
sehr wenig Energie auf dem Weg dorthin und stop verschiedenen Richtungen bestrahlt. Deshalb muss
pen exakt im Tumorgewebe, was wiederum gesun die Gantry beziehungsweise ihr Bestrahlungskopf
des Gewebe vor und hinter der Geschwulst schont. um den Patienten herumgedreht werden. Hinter ei
Der Erfolg der Protonentherapie hängt also letztlich ner weissen Wand verborgen, arbeiten dafür zwei
davon ab, dass die Bestrahlung des Tumorgewebes Elektromotoren mit jeweils zehn PS, um den ge
so exakt wie möglich erfolgt. waltigen Drehkörper der Gantry mit 220 Tonnen
Patient Schmid weiss, dass er sieben Wochen zu bewegen.
lang jeden Tag ans PSI kommen und auf dem Be
handlungstisch der Gantry 3 möglichst regungslos Bestrahlungstechnik am PSI entwickelt
liegen muss. Obwohl eine einzelne Bestrahlung in
ein bis zwei Minuten vorbei ist, kann ein ganzer Be Im Bestrahlungsraum verrät kein Geräusch, dass
strahlungsdurchgang mit Umlagerung des Patien die Protonen nun mit zwei Drittel der Lichtge
ten über eine Stunde dauern. schwindigkeit in den Körper von Noah Schmid ein
dringen und im Tumor abrupt stoppen. Wie bei einer
Bloss nicht bewegen Vollbremsung geben sie dabei ihre ganze Energie ab
und erreichen damit ihre maximale Wirkung. Hinter
Doch bevor es losgeht, muss Schmid es geduldig diesem Energieabfall, Bragg Peak genannt, kommt
über sich ergehen lassen, dass die Radiologie-Fach keine Strahlung mehr an. Diese besondere physika
frau Olga Jose ihm ein Kissen und eine Kopfmaske lische Eigenschaft der Protonen liegt der Spot-
aus Kunststoff anpasst. Beides wird mit Druck Scanning-Technik zugrunde, die vor über zwanzig
knöpfen an der Behandlungsliege in der Gantry be Jahren hier am PSI entwickelt wurde. Damien
festigt. «Für einige Patienten ist es unangenehm, Weber: «Das Verfahren verhalf der Protonenthera
wenn sie ihren Kopf und ihr Gesicht während der pie weltweit zum Durchbruch, denn es ermöglich
Bestrahlung nicht bewegen können», erklärt Jose. te überhaupt erst, Patienten in angemessener Zeit
«Die Maske hilft, dass wir sie an jedem Tag der zu behandeln und sehr unregelmässig geformte
mehrwöchigen Behandlung genau gleich positionie Tumore exakt zu bestrahlen.» Bei der Spot-
ren können.» Trotzdem dauert es vor der ersten Be Scanning-Technik rastert der bleistiftdünne Proto
strahlung noch eine halbe Stunde, bis sich Kopf, nenstrahl den Tumor von hinten nach vorne, Ebene
Hals und Schultern des Patienten an genau demsel für Ebene und Reihe für Reihe ab: zuerst die am
ben Ort in der Bestrahlungsposition befinden wie tiefsten liegende Schicht des Tumors und dann die
auf den Planungsbildern vorgesehen. Die Überein nächsthöher liegende und so fort. Ohne die damit
stimmung kontrollieren Jose und Bachtiary noch erreichbare Präzision hätten Patienten wie Noah
einmal gemeinsam. Schmid ebenso wenig eine Chance auf eine erfolg
Die Radiologie-Fachfrau fährt die Gantry auf reiche Behandlung wie viele Kinder.
die erste Bestrahlungsposition für die nun anste
hende Behandlung, dann verlässt sie den Bestrah
lungsraum und begibt sich in den Kontrollraum, von
dem aus sie das Verfahren starten kann.
Die Sicherheit im Blick
«Wir legen sehr viel Wert auf
Hier zeigen neunzehn Monitore Bilder der Kameras
aus dem Behandlungsraum, den Weg des Protonen die enge Zusammenarbeit
strahls, die Funktionsfähigkeit der Sicherheitssys
teme und vieles mehr. Besonders wichtig: der Be mit den Medizinern der zuwei-
strahlungsplan. Aufmerksam blickt Jose auf einen
Bildschirm nach dem anderen. Sie kontrolliert die senden Kliniken.»
Damien Charles Weber, Leiter und Chefarzt des
Zentrums für Protonentherapie ZPT
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 13Der Protonenstrahl gibt seine Energie genau
im Tumor ab. Er rastert das Krebsgewebe
zeilenweise in Schichten ab und zerstört es.
«Bei Kindern liegen empfindliche Organe und Struk Ulrike Kliebsch, die am ZPT für Patientenstudien
turen sehr nah beieinander. Ihre Zellen haben noch verantwortlich ist, erzählt: «Bei uns laufen regel
viele Zellteilungen vor sich und somit Jahrzehnte mässig Studien zur Wirksamkeit unserer Therapie.
Zeit, Mutationen zu bilden und zu entarten. Des- Zudem werden Kinder im zentralen Kinder-Krebs
halb sollte man ihre Zellen im Kindesalter möglichst register der Schweiz erfasst. Das erlaubt später
wenig ionisierenden Strahlen aussetzen, die ein Rückschlüsse auf die wirksamsten Bestrahlungspa
zusätzliches Risiko darstellen. Zudem vertragen rameter, allfällige Nebenwirkungen und die Lebens
sie nur eine geringe Strahlendosis», erklärt Weber. qualität. Tumore bei Kindern sind sehr selten und
«Wenn Kinder Krebs haben, ist die viel genauer an man will möglichst viel darüber wissen.»
wendbare Protonentherapie für sie besser geeignet Wenn ein Patient seine Bestrahlung beendet
als herkömmliche Strahlentherapie mit Photonen. hat, erfolgt nach acht bis zwölf Wochen die erste
Diese lassen sich nicht so gut fokussieren, weil sie Kontrolluntersuchung, danach meist halbjährlich
ihre Energie nicht so punktgenau abgeben wie oder jährlich. Diese Nachsorge liegt allen Mitarbei
Protonen. Deshalb schädigen sie auch Gewebe vor tenden besonders am Herzen. Manche Patienten
und hinter den Tumoren oft stärker.» Das Team am schicken später Postkarten und Dankesbriefe oder
ZPT hat bei der Protonenbestrahlung der kleinen kommen fit und gesund persönlich vorbei. Das ist
Krebspatienten grosse Erfahrung: Unterstützt von für das Team am ZPT das Schönste.
Kinder- und Narkoseärzten wurden hier schon über Noah Schmid hat seine erste Bestrahlung hinter
500 Kinder behandelt, die meisten von ihnen nach sich. Die Maske wird ihm abgenommen und er
genau definierten Therapieprotokollen im Rahmen streckt sich. Das reglose Liegen war anstrengend.
internationaler Studien. Bachtiary und Jose reichen ihm die Hand und ver
abschieden ihn. Bis zum nächsten Tag.
Nachsorge zum Wohl der Patienten
Alle wichtigen Informationen zur Behandlung und
zum Befinden der kleinen und grossen Patienten
werden akribisch in einer Datenbank gesammelt.
14FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – INTERVIEW
«Es ist wichtig,
weiter zu forschen»
Die Protonentherapie ist aufwendig und teurer als Wie werden die Indikationen zur Protonen
die herkömmliche Strahlentherapie, doch ihre therapie festgelegt?
Treffsicherheit bei Tumoren ist unübertroffen. Da Das ist in jedem Land anders. Die Liste in der
von ist nicht nur Damien Weber vom PSI überzeugt. Schweiz wurde vor zwanzig Jahren aufgestellt, als
Europaweit entstehen neue Zentren, um mehr die Protonentherapie noch am Anfang war. Seitdem
Krebspatienten damit behandeln zu können. Das wurden keine neuen Krankheiten hinzugefügt. Auch
hilft nicht nur den betroffenen Kindern und Er wenn ich als Arzt von der Protonentherapie über
wachsenen, sondern trägt auch zur Sicherheit bei. zeugt bin: Wir müssen Daten liefern, die beweisen,
dass die Protonentherapie der herkömmlichen
Herr Weber, wie kommt es, dass am PSI Pa Strahlentherapie überlegen ist und weniger Kompli
tienten behandelt werden? kationen macht, oder eben nicht. Doch die Patien
Die grössten und erfahrensten Protonentherapie tenzahl in der Schweiz ist klein, deshalb muss man
zentren weltweit sind aus Forschungsinstituten international zusammenarbeiten, um für die ein
hervorgegangen. Das hat historische Gründe. Man zelnen Krankheitsbilder genügend zuverlässige
braucht eine riesige Infrastruktur und das PSI, wie Daten zur Protonentherapie zu bekommen.
auch andere Zentren, hatte diese. Das ermöglichte
es überhaupt erst, die Methode zu entwickeln, sie Wie wollen Sie den Nachweis erbringen?
patiententauglich zu machen und kontinuierlich zu Die Zahl der Protonentherapiezentren in Europa
verbessern. Die Protonentherapie braucht grosse steigt. Im Jahr 2024 werden es ungefähr dreissig
Erfahrung, insbesondere für die Patientensicher sein. Einige von ihnen haben sich in einem Netz
heit und für noch bessere Ergebnisse. werk, dem European Particle Therapy Network,
zusammengeschlossen, um gemeinsam klinische
Das PSI hat das einzige Protonentherapie Studien mit dreihundert und mehr Patienten durch
zentrum in der Schweiz. Reicht das, um alle zuführen. Das PSI war einer der Gründer dieses
Patienten zu versorgen? Netzwerks. Ausserdem ist das PSI assoziiertes Mit
Das ist eine heikle, aber wichtige Frage in einem glied im amerikanischen NRG-Oncology-Netzwerk.
Land, das die Gesundheitsversorgung auf kantona Es ist geplant, dass das PSI in nicht allzu ferner
ler Ebene reguliert. Wenn man sich die Zahlen an Zukunft an ein bis zwei randomisierten Studien der
schaut, reicht es im Moment, denn nicht alle Patien Phase 3 teilnimmt. Bei einer wird es um Lungen
ten, bei denen eine Protonentherapie angezeigt krebs gehen.
wäre, bekommen sie auch. Das Bundesamt für Ge
sundheit BAG hat eine Liste an Krebserkrankungen Die Lunge bewegt sich beim Atmen. Kann
festgelegt, bei denen die Protonentherapie ange man Lungenkrebs denn überhaupt so genau
wendet werden darf. Diese Liste umfasst derzeit bestrahlen wie Tumore in anderen Körper
zehn Indikationen bei Erwachsenen sowie sämtli regionen?
che Tumore im Kindes- und Jugendalter bis acht Wir haben eine Technik entwickelt, mit der das mög
zehn Jahre. In der Schweiz haben wir mit zwei lich ist. Vor Kurzem haben wir eine 17-jährige Frau
Gantrys bereits mehr als doppelt so viele erstmals damit behandelt. Es ist sehr ungewöhnlich,
Bestrahlungsplätze pro Einwohner wie beispiels dass Kinder oder Jugendliche Lungenkrebs bekom
weise Grossbritannien. Ein Protonentherapiezent men, unter dem sonst Erwachsene leiden. Jetzt
rum muss eine kritische Masse an Patienten aufwei ist sie krebsfrei. Das zeigt, wie wichtig es ist, auf
sen, um gut zu sein. Wenn es nur eine begrenzte diesem Gebiet zu forschen und die Methoden wei
Anzahl von Patienten hat, fehlt die Erfahrung. terzuentwickeln.
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 15Feuer frei auf Tumore
1
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An den Behandlungsplätzen des Zentrums für Pro 5 Der Protonenstrahl rastert den Tumor Schicht für
tonentherapie am PSI (hier abgebildet Gantry 3) Schicht ab. Im Körper übertragen die Protonen den
können Tumore aus jeder Richtung bestrahlt wer grössten Teil ihrer Energie genau im Krebsgewebe.
den. Deshalb muss die Gantry beziehungsweise ihr 6 Protonen haben eine hohe Energiedichte. Da
Bestrahlungskopf um den Patienten herumgedreht durch kommt es in der Krebszelle zu direkten
werden. Der gewaltige Drehkörper 3 der Gantry ist Schäden an der Erbsubstanz DNA, die sich im Zell
220 Tonnen schwer und bis zu 10,5 Meter breit. Die kern befindet und alle wichtigen Informationen für
se Masse kommt unter anderem durch ein rotieren das Überleben der Zelle enthält. Ebenfalls entste
des Stahlgerüst, 9 Magnete zum Lenken des Proto hen durch die aufgenommene Energie in der Zelle
nenstrahls, das Vakuumrohr, in dem die Protonen sehr reaktive Verbindungen, sogenannte freie Ra
gebündelt werden, Vorrichtungen zur Strahlendiag dikale. Auch diese freien Radikale schädigen die
nostik und einen 1,5 Meter breiten Kabelschlepp DNA der Zelle 7 .
zustande. Die Drehung selbst leisten 2 Elektromo
toren mit jeweils 10 PS. Die Folge ist, dass Krebszellen, deren DNA stark
beschädigt ist, nicht überleben können. Die Über
1 Ihren Ursprung nehmen die Protonen an der Io bleibsel der abgestorbenen Zellen werden vom Im
nenquelle, die im Ringbeschleuniger COMET sitzt. munsystem des Körpers beseitigt. Genau das ist
In ihr werden kontinuierlich Wasserstoffatome in das Ziel der Protonentherapie.
Bruchteilen von Sekunden in negativ geladene Elek
tronen und positiv geladene Protonen zerlegt. Ein
elektrisches Feld saugt die Protonen in den Ringbe
schleuniger, wo sie 630 Mal auf einer Kreisbahn
rotieren. Anschliessend werden sie in den Strahlen
gang geleitet 2 und dort mithilfe von Magneten
gebündelt.
Die Protonen fliegen mit zwei Dritteln der Lichtge
schwindigkeit durch den 50 Meter langen Strahlen
gang zur Gantry 3 und werden gezielt auf den Tu
mor gefeuert. 4 Wie tief sie in den Körper eindringen,
entscheidet ihre Energie. Für das richtige Energiele
vel sorgen Graphitkeile. Je dicker die Graphitschicht
ist, die die Protonen durchdringen müssen, um so
grösser ist die Bremswirkung und desto früher geben
die Protonen ihre Energie im Gewebe ab. Wie weit
diese Keile in den Strahlengang eingerückt werden
müssen, bestimmt ein Dosimetrist bei der Therapie 4
planung.
16FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – INFOGRAFIK
3
6
5 7
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 17Medikamente
mit Strahlkraft
Im Dienst der Kranken arbeiten PSI-Wissenschaftler mit radioaktiven
Stoffen und entwickeln Arzneimittel, die Strahlung aussenden.
Damit helfen sie, Krebsleiden und Entzündungen aufzuspüren und
Tumore am Wachstum zu hindern. Ihre Forschung unterstützt
Spitäler und ist für die Schweizer Industrie von grossem Interesse.
Text: Sabine Goldhahn
Der Wettlauf gegen die Zeit startet Montagmorgen Komponente signalisiert den Ort durch Radioakti
im Reinraumlabor des Zentrums für radiopharma vität. Sie besteht nämlich aus einem Radionuklid.
zeutische Wissenschaften ZRW am PSI. Ärzte vom So heissen instabile Atome, die bei ihrem Zerfall
Kantonsspital Baden wollen einen Patienten mit Strahlung aussenden. Für medizinische Zwecke
Prostatakrebs untersuchen und haben dafür beim werden Radionuklide mit einer Halbwertszeit von
PSI ein Radiopharmakon bestellt, ein radioaktives wenigen Minuten bis eine Woche verwendet. Wegen
Arzneimittel. Mit seiner Hilfe wollen die Mediziner der Radioaktivität ist ihre Herstellung nur unter
Tumorzellen im Patienten aufspüren. Das Arznei bestimmten Sicherheitsvorkehrungen erlaubt, die
mittel besteht aus zwei Hauptkomponenten. Ein am PSI gegeben sind. Für die Diagnostik des
Teil, der sogenannte Tracer, passt genau zu Prostatakarzinoms stellt das Team im Reinraum
Zielstrukturen, die auf der Oberfläche von Tumor labor das radioaktive Arzneimittel 68Ga-PSMA-11
zellen sitzen, und heftet sich dort an. Die zweite her. Dafür hat es zwei Tage Vorlauf, doch Mittwoch,
18F O R S C H U N G F Ü R P R Ä Z I S E M E D I Z I N – R E P O R TA G E
am Produktionstag, muss es sich beeilen – in nur reicht. Sie kann Krebszellen direkt zerstören, so
68 Minuten verliert das verwendete Radionuklid bald das Radiopharmakon an ihnen andockt.
die Hälfte seiner Strahlkraft. Die besondere Strahlencharakteristik von Lute
10:00 Uhr: In einer mit dicken Bleiplatten ab tium-177 haben sich Chemiker Martin Béhé und sei
geschirmten sogenannten heissen Zelle startet auf ne Arbeitsgruppe am ZRW zunutze gemacht und das
Knopfdruck die Synthese des Wirkstoffs. Langsam Radionuklid mit einem Minigastrin als Tracer ge-
tropft eine unscheinbare, klare Flüssigkeit vom Syn koppelt. Dieses Molekül bindet sich ganz gezielt an
theseapparat in ein Gefäss. den sogenannten Cholecystokinin-2(CCK2)-Rezep
10:40 Uhr: Die Flüssigkeit mit dem Wirkstoff wird tor, den Tumorzellen des bösartigen medullären
in ein daumengrosses Glasfläschchen abgefüllt und Schilddrüsenkarzinoms auf ihrer Oberfläche tragen.
in einen strahlensicheren Behälter gepackt. Bei dieser Art von Schilddrüsenkrebs ist die sonst
11:00 Uhr: Das Medikament ist zum Versand etablierte Radio-Jod-Therapie nicht wirksam. Er bil
per Gefahrguttransport bereit. Der Behälter wird det früh Tochtergeschwülste in anderen Organen
30 Minuten später im Spital ankommen. Dort wartet und trifft manchmal auch Kinder und junge Erwach
bereits der Patient. sene. «Wenn dieser Tumor Metastasen gebildet hat,
11:30 Uhr: Das Team am PSI kontrolliert eine zu war eine Heilung bisher nicht möglich», sagt Béhé.
rückbehaltene Probe des Arzneimittels auf seine Deshalb suchte er mit seinem Team mehrere Jahre
Qualität und Reinheit und informiert die Klinik über lang nach einem radioaktiven Wirkstoff, um die
die Freigabe. Tochtergeschwülste zu finden und zu vernichten.
12:00 Uhr: Das Fachpersonal zieht mit einer Die Forschenden prüften intensiv, welcher Wirk
Spritze die für den Patienten berechnete Wirkstoff stoff schnell im Körper aufgenommen wird, nur an
menge auf und spritzt sie in dessen Venen. Die den CCK2-Rezeptor bindet und andere Gewebe
Untersuchung geht los. schnell wieder verlässt, um mit seiner Strahlung
Einmal im Blutkreislauf angekommen, sucht keine gesunden Zellen zu schädigen. Diese und wei
sich das radioaktive Arzneimittel sein Ziel im Kör tere spezielle Anforderungen erschwerten die Su
per: die Krebszellen. Diese tragen auf ihrer Oberflä che nach einer passenden Substanz. Erfolg hatte
che Strukturen, die charakteristisch für eine Krebs die Gruppe erst, als sie das Peptid Minigastrin
art sind, und die gesunde Zellen nicht aufweisen. An (PSIG-2) mit dem Lutetium-177 kombinierte: Es rei
diese Strukturen dockt das Arzneimittel an, das an cherte sich gezielt an den Zellen des medullären
das Radionuklid gekoppelt ist. Schilddrüsenkarzinoms an, verblieb nicht in ande
Die radioaktive Strahlung der Arznei macht win ren Geweben und wurde rasch aus den Nieren aus
zige Ableger des Tumors sichtbar, die man sonst geschieden, um dort keinen Schaden anzurichten.
nicht sehen würde. Das gelingt mithilfe von Spezial Damit waren die wichtigsten Voraussetzungen er
kameras. Sie erfassen die Strahlung, die der Wirk füllt, um den Wirkstoff im Reinraumlabor des PSI
stoff aus dem Körper des Patienten nach aussen standardisiert nach pharmazeutischen Vorschriften
schickt. Daraus errechnet ein Computer Bilder, auf herzustellen – der erste Schritt für den kontrollier
denen Tumorherde farbig erscheinen und gut er ten Einsatz am Patienten im Rahmen einer Studie.
kennbar sind. Auch an diesem Tag erfüllt der einge
setzte Wirkstoff seine Aufgabe und die Ärzte am
Kantonsspital Baden wissen nun, wo sich der Tumor
und seine Ableger im Körper ihres Patienten befin
den. Diese Informationen werden genutzt, um eine «Die Eigenschaften eines Radio
auf die Situation des Patienten abgestimmte Thera
pie zu entwickeln. nuklids bestimmen, ob man
Aber strahlende Substanzen können weitaus
mehr, als Krebszellen aufzuspüren. «Die Eigen es zur Diagnostik verwendet oder
schaften eines Radionuklids bestimmen, ob man es
zur Diagnostik verwendet oder ob man damit die ob man damit die Krebszellen ge-
Krebszellen gezielt zerstört», erklärt Roger Schibli,
Leiter des ZRW, einer gemeinsamen Einrichtung des zielt zerstört.»
PSI, der ETH Zürich und des Universitätsspitals Zü
rich. Manche Radionuklide wie Lutetium-177 senden Roger Schibli, Leiter des Zentrums für
auch zerstörerische Teilchenstrahlung, sogenannte radiopharmazeutische Wissenschaften ZRW
Betastrahlung, aus, die nur wenige Millimeter weit
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 192016 war es dann soweit: Mit Erlaubnis der Schwei Am Universitätsspital Basel hat inzwischen
zerischen Zulassungs- und Aufsichtsbehörde für der zweite Teil der Patientenstudie mit dem
Heilmittel Swissmedic durften Ärzte der Klinik für PSI-Wirkstoff begonnen. «Diese Studie ist eine
Radiologie und Nuklearmedizin des Universitäts sogenannte Dosis-Eskalationsstudie», erklärt
spitals Basel den neuen, inzwischen patentierten Rottenburger. «Hier geben wir Patienten mit medul
Wirkstoff erstmals am Menschen einsetzen. «In lärem Schilddrüsenkarzinom eine als sicher erach
dieser ersten Studie haben wir den Wirkstoff sechs tete Wirkstoffdosis und beobachten, ob sie diese
Patienten gegeben, die ein medulläres Schilddrü Dosis gut und ohne höhergradige Nebenwirkungen
senkarzinom in einem fortgeschrittenen Stadium an anderen Organen vertragen. Wenn dies der Fall
hatten», berichtet der Basler Nuklearmediziner ist, kann die Wirkstoffdosis dann weiter gesteigert
Christof Rottenburger. werden.» Mit diesem Vorgehen tasten sich die Bas
Zu dieser Zeit informierte das PSI auf seiner ler Mediziner gemeinsam mit dem PSI an die Strah
Webseite über die Entwicklung des Wirkstoffs und lendosis heran, welche Patienten gefahrlos für eine
dessen Zulassung als Studienmedikament. Dieser Behandlung erhalten können. Für die Dauer der
Artikel weckte das Interesse der Schweizer Pharma Studie wird das radioaktive Arzneimittel noch wei
industrie. Das Lausanner Unternehmen Debio terhin im Reinraum am PSI hergestellt – so wie an
pharm meldete sich bei Martin Behé am PSI. Die dere Radiopharmaka, die von den Kliniken der Re
Geschäftsleute liessen sich erklären, woraus der gion bestellt werden. Am ZRW tüfteln die
Wirkstoff besteht und wie er im PSI-Labor herge Forschenden bereits an den nächsten vielverspre
stellt wird, sie stellten Fragen und prüften Unterla chenden Substanzen.
gen, und sie schauten sich die Ergebnisse der ers
ten Patientenstudie ganz genau an. Das Resultat nd so werden die Radionuklide am
U
überzeugte: Im Dezember 2017 unterzeichneten PSI hergestellt: https://www.psi.ch/de/media/
Debiopharm und das PSI einen Lizenzvertrag, der forschung/im-fokus-der-protonen
es dem Unternehmen erlaubte, den PSI-Wirkstoff
für Anwendungen in der Krebsbehandlung weiter
zuentwickeln und ihn bis zur Zulassung und damit
zur Marktreife zu bringen. Im Juli 2018 war es dann
endlich soweit. Der Wirkstoff mit dem Namen 177Lu-
PSIG-2 heisst nun auch nach dem Lausanner Phar
maunternehmen: Debio1124.
Das Detektormolekül, an das ein Radionuklid
gekoppelt ist, bindet spezifisch an die Oberfläche
von Tumorzellen. Die Strahlung des Radio-
nuklids hilft bei der Lokalisierung von Tumoren
und kann diese sogar zerstören.
20IM BILD
Niels Schröter Neue Materialien, in denen Elektronen exotische
Verhaltensweisen zeigen, faszinieren Niels Schröter.
Diese könnten sich für die Elektronik der Zukunft
als nützlich erweisen – beispielsweise in Quanten
computern. Der Physiker sucht dafür nach Materia
lien mit besonderen Quasiteilchen, zum Beispiel
Majorana-Fermionen. Und kürzlich entdeckten er
und seine Kollegen in einem Kristall aus Aluminium-
und Platin-Atomen erstmals Rarita-Schwinger-Fer
mionen. Diese Teilchen waren bislang nur theore
tisch vorhergesagt worden – vor mehr als 75 Jahren.
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 2122
IN DER SCHWEIZ
Das Bandarchiv des CSCS: Der Roboter
zwischen den Regalen kann auf jedes
der 3600 Datenbänder zugreifen, auf denen
die Daten von wichtigen Experimenten
lagern.
5 000 000 000 000 000
Bytes von Villigen nach
IN DER SCHWEIZ
Lugano
Bei Untersuchungen winziger Strukturen mit den Grossforschungs
anlagen des PSI fallen riesige Datenmengen an. Diese werden
im Supercomputerzentrum CSCS in Lugano archiviert. Dort steht
auch «Piz Daint» – diesen Supercomputer nutzen die Forschen-
den für ihre Simulationen und Modellierungen.
Text: Christina Bonanati
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 23Zwischen den Daten: Leonardo Sala
im Serverraum der Synchrotron Lichtquelle
Schweiz SLS. Hier werden die Daten
zwischengespeichert, die an SLS und
SwissFEL produziert werden.
Am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL in Vil Rhodopsin-Proteinkristalle eine Rohdatenmenge
ligen strömt ein winziger Proteinkristall in einer von etwa 250 Terabyte. Das ist ungefähr das Tau
Zahnpastaartigen Masse langsam aus einem Injek sendfache, das ein handelsüblicher Laptop an Spei
tor. Ein Laser trifft ihn und löst Bewegungen im Mo cherkapazität aufweist.
lekül aus. Es verändert seine Struktur – etwa wie Nicht nur am SwissFEL, auch an anderen Gross
wenn eine Katze einen Buckel macht. Eine billions forschungsanlagen wie der Synchrotron Lichtquel
tel Sekunde später durchdringt ein Röntgenlicht le Schweiz SLS oder der Neutronenquelle SINQ
puls die Probe und trifft auf einen Detektor. Damit führen Fortschritte in der Beschleuniger- und De
wird die Strukturänderung des Proteins quasi foto tektortechnik zu Leistungssteigerungen, wodurch
grafisch festgehalten. Bei dem so abgelichteten bei Experimenten immer mehr Daten erzeugt wer
Protein handelt es sich um lichtempfindliches Rho den. So werden derzeit am PSI jährlich bis zu 5 Peta
dopsin, das zum Beispiel in der Netzhaut des byte Daten produziert. Das entspricht in etwa der
menschlichen Auges vorkommt. Dessen Struktur Speicherkapazität von einer Million DVDs.
veränderung ist der Ausgangspunkt für die Übertra
gung von Lichtreizen zum Gehirn. Wohin mit den vielen Daten?
Im Versuchsaufbau treffen pro Sekunde 25
Röntgenlichtpulse auf die Proteinkristalle in der zäh- Für diese Datenmengen ist das Rechenzentrum
flüssigen Masse. Die Pulse dauern nur eine billiard des PSI nicht ausgelegt. Seit 2018 findet die Archi
stel Sekunde an und haben eine extrem hohe Dich vierung von Daten daher am Supercomputerzent
te an Photonen. Das ermöglicht hochauflösende rum Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS)
Bilder von molekularen Strukturen. Am Ende ent in Lugano statt. Das sogenannte Petabyte-Archiv
steht aus den vielen einzelnen Aufnahmen eine Art wurde in enger Zusammenarbeit zwischen Kolle
Daumenkino von den Bewegungen des Proteins. gen von PSI und CSCS entwickelt. Computerexper
«Bei derlei präzisen Filmaufnahmen wächst der Da ten der beiden Einrichtungen arbeiteten eigens
tenberg gewaltig in die Höhe», so Leonardo Sala, einen Managementprozess aus, mit dem digitale
Gruppenleiter des Bereichs High Performance Informationen komprimiert, sicher übertragen, ar
Computing am PSI. So lieferten die Aufnahmen der chiviert sowie wieder abgerufen und nach Ablauf
24IN DER SCHWEIZ
der mindestens 5-jährigen Archivierungszeit ge puter am CSCS nutzen wir schon seit 15 Jahren», so
löscht werden können. Über ein Glasfaserkabel Andreas Adelmann, Leiter des Labors für Simulati
werden mit einer speziell entwickelten Netzwerk onen und Modellierung am PSI. Denn für Simulati
verbindung zwischen PSI und CSCS pro Sekunde onen und Modellierungen von Grossforschungsan
10 Gigabyte Daten übertragen. lagen und Experimenten, zum Beispiel in den
Ein Ende der Datenflut ist nicht zu erwarten. Mit Material- und Biowissenschaften, benötigen die
der Aufrüstung der SLS zur SLS 2.0 werden künftig Forschenden enorm hohe Rechenleistungen. Die
noch sehr viel mehr Bits und Bytes produziert. «Wir se finden sie am «Piz Daint» des CSCS, einem der
arbeiten derzeit an einer Prozedur, um dieses Volu leistungsfähigsten Supercomputer der Welt. Schaff
men zu reduzieren und komprimieren», sagt Sala. te 1941 der erste in der Praxis einsetzbare, frei pro
Spezielle Algorithmen sollen die Daten, die von den grammierbare Rechner, die "Z3", knapp zwei Addi
Detektoren kommen, sortieren, sodass nur noch die tionen pro Sekunde, so beträgt die Rechenleistung
für die Forschungsarbeiten relevanten Informatio des «Piz Daint» heute 25 000 Petaflop in der Se
nen gespeichert werden. Sala erklärt, weshalb das kunde. Das sind 25 Billiarden Rechenoperationen,
sinnvoll ist: «Bei der Messung der Proteine an der 14 000 -mal schneller als eine Grafikkarte der Play
SLS treffen weniger als 20 Prozent der Röntgenpulse station 4.
ein Protein und produzieren ein brauchbares Bild.» Prinzipiell wird in der PSI-Forschung für fast
Die Signale, die kein Ergebnis liefern, müssen also alles Modellierung und Simulation benötigt, sei es,
nicht aufwendig gespeichert werden. um zu verstehen, wie sich etwa Risse in Materiali
Was sich so einfach anhört, ist in der Realität en fortpflanzen oder um Komponenten von Brenn
eine gewaltige Herausforderung. «Einem Computer stoffzellen zu erforschen.
beizubringen, welche Messungen unbrauchbar sind, Teilchenbeschleuniger wie das Zyklotron zur Pro-
ist sehr schwierig», räumt denn auch Sala ein. Doch tonenbeschleunigung, die SLS oder der SwissFEL
das ist nur der erste Schritt zur Eindämmung der werden mithilfe von Simulationen nicht nur neu
Datenschwemme. Nach dem automatisierten Aus konstruiert, sondern auch weiterentwickelt und
sortieren können die IT-Spezialisten das Datenvo optimiert. Zudem können die Forschenden berech
lumen um den Faktor zehn verringern, indem sie nen, wie ein Experiment wahrscheinlich verlaufen
nicht Rohdaten, sondern die zur Endnutzung aufbe wird, um so mögliche Probleme in der Versuchs
reiteten Informationen abspeichern. anordnung zu erkennen.
Und es gibt noch einen weiteren Grund, warum
Von Villigen den Roboter man gerne und mit gutem Gewissen seine Daten für
in Lugano aktivieren die Berechnungen und Archivierung nach Lugano
schickt: «PIZ Daint» ist seit 2013 der günstigste und
Am CSCS in Lugano finden sich die Ergebnisse der energieeffizienteste Petaflop-Supercomputer der
Messungen der Proteinforschungsgruppe schliess Welt, denn für dessen Kühlung verbrauchen keine
lich in einer sogenannten Bandbibliothek wieder. energieintensiven Klimaanlagen Strom. Dass die
Eingelagert in einem Regal befinden sich etwa elektronischen Superhirne des CSCS nicht heiss
3600 Datenbänder, bei denen es sich um ähnliche laufen, verhindert das Wasser des Luganersees.
Magnetbänder handelt, wie man sie vor Jahrzehn Aus 45 Meter Tiefe wird etwa 6 Grad kaltes Nass
ten noch für Videokassetten benutzte. «Zu Anfang entnommen und nach der Nutzung in eine Tiefe von
stehen uns in der Bandbibliothek 10 Petabyte Spei 12 Meter zurückgeführt. Dabei wird die durch den
cher zur Verfügung. Der grosse Vorteil an der Höhenunterschied entstehende, potenzielle Ener
Zusammenarbeit mit dem CSCS ist, dass wir das bei gie des Wassers mithilfe von Turbinen auch noch für
Bedarf beliebig aufrüsten können», so Sala. Bis Stromerzeugung genutzt.
2022 plant das PSI, rund 85 Petabyte zur Archivie
rung an das CSCS zu übertragen.
Daten zu speichern, ist die ein Sache, sie wieder
aus dem Archiv herauszuholen, eine völlig andere. «Zu Anfang stehen uns in der
Deshalb listet ein speziell dafür eingerichteter Ka
talog auf, wo sich welche Informationen befinden. Bandbibliothek 10 Petabyte Speicher
Bei Bedarf stöbern Forschende einfach in diesem
Katalog und aktivieren von Villigen aus einen Robo zur Verfügung. Bei Bedarf
ter, der die passenden Bänder heraussucht, in ein
Laufwerk eines Computers steckt und das Versen können wir das beliebig aufrüsten.»
den zum PSI auslöst. Die Zusammenarbeit mit dem
CSCS geht jedoch über die reine Archivierung von Leonardo Sala, Gruppenleiter des Bereichs
Forschungsergebnissen hinaus. «Den Supercom High Performance Computing am PSI
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 25Aktuelles aus der PSI-Forschung 1 Das Energiesystem der Zukunft Das Projekt ReMaP, eine Forschungs kooperation des PSI, der Eidgenössi schen Materialprüfungs- und Forschungs- anstalt Empa und der ETH Zürich, ist gestartet. Damit werden die Forschungs- und Entwicklungsplattformen NEST, move und ehub der Empa mit der For schungs- und Entwicklungsplattform ESI des PSI vernetzt. Mit Letzterer soll bei spielsweise ein Algorithmus, also letzt lich ein Computerprogramm, entwickelt werden, das Energieverbrauch und -ge winnung miteinander abgleicht und Schwankungen automatisch ausgleicht. Dabei wird mit Solarmodulen gewonne ne Energie mittels Elektrolyse in Wasser stoff zwischengespeichert und über eine Brennstoffzelle später wieder in Strom umgewandelt, wenn ein entsprechender Bedarf auftritt. Weitere Informationen: http://psi.ch/node/28856 26
IN KÜRZE
Am 20. Juni 2019 fand der
Ariane-5-Rakete statt.
104. Start einer
Diese Mission brachte 2 Kommunikationssatelliten
erfolgreich in die Erdumlaufbahn.
10 594 Kilogramm betrug das Gesamt
gewicht der Nutzlast dieser Mission.
2 PSI-Bildgebung hilft
bei Raketenstarts
Raketen der Europäischen Weltraum
3 Molekulare Schere
organisation ESA fliegen mit Unterstüt
zung des Paul Scherrer Instituts PSI ins stabilisiert Zell-Skelett
Weltall. In Kooperation mit dem Unter
nehmen Dassault Aviation durchleuch Forschende des Paul Scherrer Instituts
ten PSI-Forschende an der Neutronen PSI in Villigen haben erstmals die Struk
quelle SINQ des PSI sogenannte tur wichtiger Enzyme in menschlichen
pyrotechnische Bauteile, die später in Zellen aufgeklärt, die wesentliche Bau
Trägerraketen vom Typ Ariane 5 sowie steine des Zell-Zytoskeletts verändern.
Vega eingebaut werden. Die Neutronen- Es handelt sich dabei um die sogenann
Bildgebung des PSI dient dabei der Qua ten Vasohibine. Damit ist der noch feh
litätssicherung dieser Komponenten. lende Teil des Kreislaufs aufgedeckt, der
Die pyrotechnischen Bauteile fungieren den Auf- oder Abbau von Stützelemen
beim Raketenstart als Zündschnüre oder ten der Zelle regelt. Die untersuchten
Zündkörper und sorgen unter anderem Enzyme wirken als molekulare Schere.
dafür, dass innerhalb der richtigen hun Sie schneiden einen kleinen Teil vom
dertstel Sekunde die Boosterraketen ab- Zell-Zytoskelett ab. Das stabilisiert das
geworfen werden. Beispielsweise wurden Skelett über das übliche Mass hinaus,
am 20. Juni 2019 Satelliten in die Umlauf was wiederum eine normale Zellentwick
bahn der Erde gebracht – mit einer Ariane- lung behindern und beispielsweise Krank-
Rakete, deren pyrotechnische Kompo heiten des Nervensystems verursachen
nenten zuvor am PSI durchleuchtet wor kann. Die strukturelle Aufklärung der Va
den waren. sohibine bietet nun neue Möglichkeiten
für die Entwicklung spezifischer Hemm
Weitere Informationen: stoffe. Diese liessen sich dann für medi Foto: ESA/CNES/ARIANE-SPACE – Service Optique CSG
https://www.psi.ch/node/28979 zinische Therapien nutzen.
Weitere Informationen:
http://psi.ch/node/29057
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 27Hand in Hand für die
Gesundheit
Für einen optimalen Verlauf der Protonentherapie braucht es viele
GALERIE
verschiedene Spezialisten. Mediziner für die Diagnose, Dosimetristen
für die Therapieplanung, Medizinisch-technische Radiologie-Fachper
sonen für die Betreuung der Patienten während der Therapie und
Überwachung des korrekten Ablaufs der Bestrahlung, Physiker für
den Betrieb der Anlagen und Forschende, die die Therapie weiterent
wickeln. Sie alle arbeiten zusammen für die Gesundheit der
Patienten.
Text: Sebastian Jutzi
28FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – GALERIE
Diagnose
Damien Weber ist seit 2013 Leiter und Chef
arzt des Zentrums für Protonentherapie am
PSI. Jede Woche analysiert er mit Kollegin
nen und Kollegen Aufnahmen von Patienten,
die mit einem Magnetresonanztomografen
angefertigt wurden. Auf ihnen erkennt man
genau, welches Gewebe mit Protonen be
schossen werden muss.
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 29Therapieplanung
Dosimetrist Nicola Bizzocchi plant die The
rapie für jeden Patienten ganz individuell.
Dazu teilt er mithilfe eines speziellen Com
puterprogramms den Tumor in verschiede
ne Zonen ein. Jede dieser Zonen wird prä
zise mit einer eigens für sie definierten
Intensität bestrahlt. Das minimiert mögli
che Nebenwirkungen der Behandlung und
garantiert einen bestmöglichen Erfolg der
Therapie.
30FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – GALERIE
Therapie
Olga Jose ist Medizinisch-technische Ra
diologie-Fachfrau und stellvertretende
Leiterin der Gruppe der Radiologie-Fach
personen. Sie macht die Qualitätskontrolle
am Bestrahlungsgerät und führt die Be
handlung durch. So positioniert sie die
Liege mit dem Patienten in der richtigen
Ausgangsstellung und achtet darauf, dass
die Bestrahlung reibungslos abläuft und
sich die Patienten – soweit als möglich –
wohlfühlen.
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 31Betrieb
Das Revier von Betriebsphysikerin Zema
Chowdhuri liegt hinter den Kulissen der
Behandlungsräume und erstreckt sich
vom Protonenbeschleuniger COMET über
die Strahllinie, durch die die Protonen zur
Behandlungsstation flitzen, bis in die Gan
try, dem eigentlichen Behandlungsraum.
Sie stellt den einwandfreien Betrieb der
Anlagen sicher, mit deren Hilfe die Proto
nen exakt gelenkt und dosiert werden.
32FORSCHUNG FÜR PRÄZISE MEDIZIN – GALERIE
Forschung
Physiker David Meer forscht, um die Proto
nentherapie weiter zu verbessern und noch
präziser zu machen. So untersucht er bei
spielsweise mithilfe eines menschlichen
Phantoms, wie sich die Behandlung von
Tumoren im Brust- und Bauchraum opti
mieren lässt. Dort sind Tumore besonders
schwer exakt zu treffen, weil das Gewebe
durch die Atmung ständig in Bewegung ist;
auch das Herz schlägt permanent.
5232 Das Magazin des Paul Scherrer Instituts 33Er macht seine
Träume wahr
ZUR PERSON
Am PSI baute Philippe Stutz unter anderem Spinnrotatoren für
Experimente am Protonenbeschleuniger oder zeichnete Pläne
für eine 20-Tonnen-Betonbrücke. Heute fertigt er als Goldschmied
in Luzern Hochzeitsringe und andere wertvolle Schmuckstücke.
Text: Joel Bedetti
Es gibt Menschen, die einen Raum betreten und den andern kündigte Stutz seinen geliebten Job als
jeden darin mit ihrer positiven Energie anstecken. Techniker am Protonenbeschleuniger des Paul
Philippe Stutz ist so einer. Wenn der Innerschwei Scherrer Instituts, um Goldschmied zu werden.
zer Hüne mit sanfter Stimme sein Goldschmiede Ereignisreich war das Leben von Philippe Stutz
atelier am Schwanenplatz Nummer 4 betritt, strömt immer. Als er vier Jahre alt war, trennten sich seine
seine gute Laune durch den elegant möblierten Eltern. Stutz wuchs bei der Mutter, einer Filzmache
und schwarz gestrichenen Verkaufsraum in die an rin, im Luzernischen auf. Sie gab ihm das Interesse
grenzende Werkstatt, wo gerade drei seiner sechs am Handwerk mit. Nach der Lehre als Mechaniker
Angestellten arbeiten und ihn mit grossem Hallo montierte und entwarf er einige Jahre lang Anlagen
empfangen. bei seinem Vater in der Firma, die Gummigranulat für
Wie ein Wirbelwind führt Stutz den Besuch Sportplätze produziert. Von ihm, sagt Stutz, habe er
durch sein Reich. Begeistert bleibt er vor der neu das Unternehmerische. Als er, Ende zwanzig, wieder
erstandenen Occasion-Walzmaschine stehen, ein mit seiner Jugendliebe Jasmin zusammenkam, zog
hüfthohes, metallgrünes Gerät mit Kurbel zum ma er in ihren Studienort Lausanne und fand dort einen
nuellen Plattwalzen von Gold. «Gute alte Qualität», Job in der Versuchswerkstatt eines Zahnradherstel
betont Stutz und springt zurück in den Verkaufs lers. «Wir machten einen Ausflug ans CERN», erin
raum, wo er über den Holztisch streicht, an dem er nert sich Stutz, «und ich dachte: In so einer riesigen
Kunden seine Schmuckmodelle präsentiert. «Den Forschungsanlage will ich auch einmal arbeiten.»
habe ich mit meinen Angestellten selbst gezimmert», Wenige Monate später ging der Wunsch in Erfül
erzählt Stutz und hält bereits eine Kinderhalskette lung. Jasmin nahm eine Stelle am Universitätsspital
hoch, Spezialität des Hauses und Schmucktrend Zürich an, Stutz sah sich nach einem Job in der Re
seit den 90er-Jahren. «Sieh mal, diesen schlichten gion um. Von einem Freund, der an der ETHZ und am
Stern als Anhänger kann man auch als junger Mann PSI doktorierte, hörte er, dass ein Techniker für den
noch tragen», ist er überzeugt. Zuletzt steht Stutz, grossen Protonenbeschleuniger gesucht wurde.
der sich eine kindliche Freude bewahrt hat, wieder Stutz bewarb sich und erhielt den Zuschlag. Als Mit
im Eingang und ahmt mit geweiteten Augen und glied eines vierköpfigen Teams war er nun für Be
offenem Mund das Kind eines Kunden nach, das die trieb und Unterhalt des ringförmigen Beschleuni
Spielecke mit altem Schulpult, Malstiften und Holz gers mit einem Umfang von rund 48 Metern zu-
klötzen entdeckt. «Auch sie sollen sich wohlfühlen», ständig, in dem Protonen mit etwa 80 % der Licht
sagt er. «Es darf auch mal laut sein hier drin.» geschwindigkeit kreisen. In der riesigen Halle der
Schnell wird klar: Philippe Stutz sprudelt nicht Anlage installierte er mit seinen Kollegen Geräte für
nur vor Ideen, er verwirklicht sie auch. So schnell es Experimente oder skizzierte neue Bauteile, etwa für
geht, selbst wenn sie radikal sind. Nur so lässt sich eine mehr als 20 Tonnen schwere Betonbrücke über
die Wende erklären, die der 39 -Jährige seinem Le einer Experimentierstation. «Am PSI durfte ich
ben vor sieben Jahren gab. Fast von einem Tag auf schnell viel Verantwortung übernehmen», erzählt er.
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