Vom MLZ in die Klinik: Kompakter Prototyp ermöglicht Mikrostrahlentherapie gegen Krebs auf kleinstem Raum

Ein neu entwickelter Prototyp am FRM II macht die aufwendige Mikrostrahlentherapie erstmals auf nur eineinhalb Metern möglich. Bisher war die neue Strahlentherapie, die eine bessere Tumorkontrolle und zugleich weniger Nebenwirkungen ermöglicht als herkömmliche Verfahren, nur an sehr großen Teilchenbeschleunigern durchführbar und somit für die Klinikkeine realistische Option. Die Linienfokus-Röntgenröhre, von der am FRM II der weltweit erste Prototyp gebaut wurde, könnte die Mikrostrahlentherapie erstmals in die klinische Anwendung überführen.

Kammer Foto b Der Prototyp der kompakten Linienfokus-Röntgenröhre mit nur eineinhalb Metern am FRM II. © Christian Petrich

Der Prototyp der kompakten Linienfokus-Röntgenröhre mit nur eineinhalb Metern am FRM II. © Christian Petrich

In der konventionellen Strahlentherapie wird die Strahlung gleichmäßig über den Tumor verteilt, was umliegende gesunde Zellen schädigen und zu Nebenwirkungen führen kann. Die räumlich fraktionierte Radiotherapie teilt das Strahlenfeld gezielt in hoch- und niedrigdosierte Bereiche auf. Diese Aufteilungen reichen in den Milli- und Mikrometerbereich und können so hochpräzise die Tumorzellen bestrahlen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Gesundes Gewebe regeneriert sich nach der Bestrahlung gut und das Immunsystem wird so angeregt, dass es lernt, den Tumor besser zu bekämpfen.

Probehalter Der computergesteuerte Probenhalter für Tumorgewebe der Linienfokus-Röntgenröhre. © Elena Huber, FRM II / TUM

Der computergesteuerte Probenhalter für Tumorgewebe der Linienfokus-Röntgenröhre. © Elena Huber, FRM II / TUM

Welche Hürden der Prototyp überwindet

„Das Problem: Diese Art der Strahlentherapie braucht eine besondere Strahlenqualität, die bislang nur in wenigen Forschungseinrichtungen mit speziellen Teilchenbeschleunigern, den Synchrotrons, mit einigen hundert Metern Durchmesser, erreichbar war“, erklärt Dr. Christian Petrich, Mitentwickler des Prototyps am FRM II. Ohne diese Präzision verwischt das Strahlenmuster in tieferem Gewebe und niedrige Dosisraten führten zu langen Bestrahlungszeiten. Klinische Anwendungen waren daher bisher auf den Millimeterbereich und oberflächennahe Tumore beschränkt.
Der neu entwickelte Prototyp einer kompakten, nur anderthalb Meter langen Linienfokus-Röntgenröhre (LFXT) am FRM II überwindet diese Hürden. Durch die Kombination aus sehr hohen Beschleunigungsspannungen und Strömen sowie einem extrem präzise fokussierten Elektronenstrahl gelang es erstmals, Mikrostrahlen auf kleinstem Raum zu erzeugen, ohne riesige Synchrotronanlagen. Die LFXT eröffnet damit das Potenzial, Bestrahlungen im Mikrometerbereich und bei tieferliegenden Tumoren klinisch einzusetzen.

FM r Fluoreszenzmikroskopie-Bild von Lungentumorzellen, 30 Minuten nach der Microbeam-Bestrahlung. Die Auswirkungen der Mikrostrahlbestrahlung sind deutlich erkennbar, wobei Bereiche mit hoher Dosis (grün) auf erhebliche DNA-Schäden hindeuten. Umgekehrt weisen die Bereiche mit geringerer Dosis (blau) einer geringere DNA-Schädigung auf. © Petrich et al. (2025)

Fluoreszenzmikroskopie-Bild von Lungentumorzellen, 30 Minuten nach der Microbeam-Bestrahlung. Die Auswirkungen der Mikrostrahlbestrahlung sind deutlich erkennbar, wobei Bereiche mit hoher Dosis (grün) auf erhebliche DNA-Schäden hindeuten. Umgekehrt weisen die Bereiche mit geringerer Dosis (blau) einer geringere DNA-Schädigung auf. © Petrich et al. (2025)

Präzision auf dem Prüfstand

Tests bestätigen: Der LFXT-Prototyp erzeugt Strahlenfelder mit klar definierten hochdosierten Bereichen. Selbst in tieferen Gewebeschichten bleibt das Strahlenmuster weitgehend erhalten, was ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Geräten ist.
Damit können die hochdosierten, schmalen Strahlen ihre Wirkung auf das Immunsystem entfalten und die körpereigenen Abwehrkräfte gegen den Tumor mobilisieren.

Tumore unter Beschuss

In präklinischen Experimenten wurden Krebszellen bestrahlt. Erhebliche DNA-Schäden traten in den Hochdosisbereichen auf, was die Zellen gewollt zerstört, während die dazwischenliegenden Zellen weitgehend verschont blieben, was eine Regeneration von Normalgewebe und die Aktivierung des Immunsystems erlaubt Diese unterschiedliche Reaktion unterstreicht die Fähigkeit der LFXT, präzise Mikrostrahlfelder zu liefern. Auch Gehirntumore bei Mäusen konnten mit der neuen Methode erfolgreich behandelt werden. Während mehrwöchiger Nachbeobachtung zeigten sich weder Nebenwirkungen noch neurologische Einschränkungen, trotz hoher Strahlendosis.

Bild Christian Dr. Christian Petrich schließt den Käfig, der die Röntgenröhre umgibt und somit vor der Hochspannung, die für den Prototypen notwendig ist, schützt. © Elena Huber, FRM II / TUM

Dr. Christian Petrich schließt den Käfig, der die Röntgenröhre umgibt und somit vor der Hochspannung, die für den Prototypen notwendig ist, schützt. © Elena Huber, FRM II / TUM

In den Klinikalltag übertragen

„Mit dem LFXT-Prototyp haben wir eine Maschine entwickelt, die hoffentlich in Zukunft die Mikrostrahlentherapie von der Forschung in den Klinikalltag bringen wird“, so Petrich.
Unabhängig von dem Prototyp zeigen präklinische Studien, dass auch Tumorarten wie Lungen-, Knochen-, Brust- und Kopf-Hals-Tumoren, von der Methode profitieren.
Zu möglichen Kombinationstherapien erklärt Petrich: „Durch die Synergie mit Mini- und Mikrostrahlen entfalten systemische Therapien wie Chemotherapie und Immuntherapie, durch eine verbesserte Gewebe-Durchlässigkeit für die Wirkstoffe nach der MRT oder MBRT-Bestrahlung, zielgerichtet ihre Wirkung im Tumor.“