Im Jahr 1896 entdeckte Henri Becquerel eine neue, geheimnisvolle Strahlung. Anders als Röntgenstrahlen , die verschwanden, sobald die Röntgenröhre abgeschaltet wurde, wurde diese neue, am Uran beobachtete Strahlung ununterbrochen ausgesandt. Weitere Untersuchungen von Pierre und Marie Curie zeigten, dass auch andere Elemente diese Eigenschaft besitzen. Insbesondere fanden sie diese Eigenschaften 1898 beim Polonium und beim Radium.

Pierre und Marie Curie fanden rasch eine Anwendung für diese Eigenschaft, und schon 1901 wurde Radium in Krankenhäusern eingesetzt. Man erkannte, dass die Radiumstrahlung bei vielen Hauterkrankungen einschließlich Krebs heilsame Wirkungen hat.

Pierre und Marie Curie in ihrem Labor, Paris 1898.

Die neue Strahlung war kernphysikalischen Ursprungs. Manche Kerne senden spontan α-Teilchen (Heliumkerne), β-Teilchen – dies können Elektronen (β^-) oder Positronen (β⁺) sein – und/oder γ-Strahlen (Gammastrahlen) (d. h. hochenergetische Photonen) aus. Ein solches Atom mit einem instabilen Kern, der durch überschüssige Energie gekennzeichnet ist, wird Radionuklid oder radioaktives Nuklid genannt und auch als Radioisotop oder radioaktives Isotop bezeichnet.

Natürliche Radioisotope sind zum Beispiel ²³⁸U (Uran), ⁴⁰K (Kalium), ²³²Th (Thorium) und ihre Tochterkerne ²²⁶Ra (Radium), ²²²Rn (Radon), ²¹⁸Po (Polonium). Einige Radioisotope entstehen fortwährend durch die Einwirkung der kosmischen Strahlung auf die oberen Schichten unserer Atmosphäre, so zum Beispiel ¹⁴C (Kohlenstoff), ³H (Tritium) oder ⁷Be (Beryllium).

Irène und Frédéric Joliot-Curie erzeugten als Erste künstliche Radioisotope , und zwar 1933, indem sie mit einer natürlichen α-Quelle Aluminium-27 beschossen und dabei das Radioelement Phosphor-30 erzeugten, das durch β-Zerfall in Silizium-30 übergeht. Dies war die Folge davon, dass die Kerne der Aluminiumatome zusätzliche Protonen aus den Heliumkernen (α-Teilchen) aufnahmen.

Seitdem wurden viele neue Radioisotope erzeugt, was eine Reihe neuer Anwendungen eröffnete und zu einem besseren Verständnis der Kernmaterie und der Kernkräfte führte. Bis 1936 waren etwa 200 Radionuklide hergestellt worden. Heute kennt man rund 250 stabile Nuklide . Sie werden mit Teilchenstrahlen erzeugt, die von Protonen bis zu ²³⁸U reichen und in Zyklotrons oder Linearbeschleunigern beschleunigt werden.

Der erste Beschleuniger (Zyklotron) wurde 1932 von Ernest O. Lawrence in Berkeley in den USA gebaut. Er und sein Bruder John Lawrence, ein Arzt, erkannten bald sehr wichtige medizinische Anwendungen und stellten radioaktive Isotope für die biologische und medizinische Forschung sowie für die Krebsbehandlung her. Das erste europäische Zyklotron baute Frédéric Joliot (1939) am Collège de France in Paris.

Karte der Nuklidlandschaft. Die Abbruchkanten (drip lines) markieren die Grenze der Kernstabilität gegenüber n - oder p -Emission.

Physiker haben viele neue Isotope erzeugt, die immer weiter vom natürlichen Tal der Kernstabilität entfernt liegen. Derzeit gibt es zahlreiche Anlagen, die radioaktive Ionenstrahlen einsetzen. Die Nachfrage nach medizinischen Radioisotopen ist ein weltweites Phänomen und wächst in den Industrieländern seit 1995 exponentiell.

Der Nobelpreis für Chemie des Jahres 1943 wurde G. de Hevesy dafür verliehen, dass er als Erster natürliche (und später künstliche) radioaktive Elemente als Tracer einsetzte, um stabile Elemente in biologischen Systemen zu untersuchen. Eine sehr kleine Menge eines radioaktiven Elements lässt sich im menschlichen Körper leicht verfolgen. Dies ließe sich auch mit chemischen Tracern erreichen, doch wären dafür weit größere Mengen an Chemikalien nötig, was das Verfahren für den Patienten weit riskanter machen würde.

Bei einer typischen nuklearmedizinischen Untersuchung wird dem Patienten ein Tracer verabreicht, und die vom Tracer- Nuklid ausgesandten γ-Strahlen werden mit einer Anordnung von Strahlungsdetektoren aufgezeichnet. Dies nennt man Emissionstomografie. Der Tracer wird in der Regel so gewählt, dass er sich selektiv in einem bestimmten Organ ablagert; die nachgewiesenen γ-Strahlen liefern dann ein detailliertes Bild der interessierenden Region. Dem geschulten Auge können die Bilder strukturelle oder stoffwechselbedingte Auffälligkeiten offenbaren und so zu besseren Diagnosen führen. In der Nuklearmedizin wird eine große Vielfalt von Isotopen verwendet, jedes gezielt auf einzelne Organe des menschlichen Körpers abgestimmt.

Bild oben: PET-Anwendung in der Neurophysiologie (verbales Arbeitsgedächtnis im Gehirn), Krankenhaus San Raffaele, Mailand.

Tumoren lassen sich mit Verfahren wie der Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie (SPECT) oder der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) lokalisieren (bei der positronenemittierende (β+) Kerne verwendet werden, um – über den Annihilationsprozess – energiereiche γ-Strahlen zu erzeugen). SPECT- und PET-Verfahren sind Standard in der Tumordiagnostik ebenso wie bei funktionellen Untersuchungen des normalen, gesunden Gehirns.

Bild aus einer Computertomografie mit Röntgenstrahlen und einem Jod-Tracer (Hôpital Erasme, Brüssel).

Unter den radioaktiven Elementen spielt Jod (I) eine herausragende Rolle, da es sich mit großer Affinität und Selektivität an das Schilddrüsengewebe anlagert. In niedrigen Dosen lässt es sich zu Diagnosezwecken einsetzen; umgekehrt kann die Strahlung von radioaktivem Jod, das sich ausschließlich an das Schilddrüsengewebe anlagert, Schilddrüsenkrebs behandeln.

¹³¹I (β- und γ-Aktivität, mit einer Halbwertszeit von 8 Tagen) wird seit über 50 Jahren zur Untersuchung der Schilddrüsenfunktion verwendet. Tc-99m (ein metastabiler angeregter Zustand des Kerns Technetium-99 mit einer Halbwertszeit von 6 Stunden) ist ebenfalls ein sehr guter Tracer zur Untersuchung von Organen wie Gehirn, Leber und Lunge. Radium und Strontium dienen der Untersuchung von Knochen und Skelett.

Die physiologisch interessantesten chemischen Elemente wie C (Kohlenstoff), N (Stickstoff) und O (Sauerstoff) besitzen kurzlebige β⁺-emittierende Isotope, die in PET-Verfahren eingesetzt werden. Die gebräuchlichen betaemittierenden Nuklide sind ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O und ¹⁸F (Fluor).

Bild rechts: Szintigrafie der Schilddrüsenaktivität mit Technetium.

SPECT steht für Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie. Bei diesem Verfahren werden Organe abgebildet, indem die Verteilung eines injizierten Radiotracers mit einer an einen Computer angeschlossenen Gammakamera gemessen wird. Bei der SPECT-Bildgebung rotiert eine Anordnung von Gammadetektoren um den Patienten, um Messwerte aus vielen Richtungen zu gewinnen. Mit dieser Technik werden Ort und Konzentration der Radionuklidverteilung bestimmt. SPECT verwendet Radioisotope wie ^99mTc oder ¹²³I, bei denen ein einzelnes γ-Quant (von 140 keV) ausgesandt wird.

Bild links: Eine Hirnläsion wird durch eine SPECT-Aufnahme klar lokalisiert (links). Das Gliom (eine Art Hirntumor) ist in der Röntgentomografie (rechts) nur undeutlich abgegrenzt, erscheint aber auf einer mit Tc-99m erstellten SPECT-Aufnahme als deutlicher dunkler Fleck.

SPECT hat viele Anwendungen sowohl in der Diagnostik als auch als Hilfsmittel der Therapie. SPECT-Aufnahmen mit einem Radioisotop, das nicht vom Gewebe aufgenommen wird, sondern im Blutkreislauf zirkuliert, können zeigen, wie das Blut zu bestimmten Geweben und Organen fließt. Das ist besonders nützlich für Aufnahmen von Gehirn und Herz.

Bei der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) werden üblicherweise die Isotope ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C und ¹⁸F verwendet. Diese haben kurze Halbwertszeiten von etwa 2, 10, 20,4 bzw. 110 Minuten, sodass die Radioisotope in der Nähe des Einsatzortes hergestellt werden müssen. Aus diesem Grund verfügen viele Krankenhäuser über ein kleines Zyklotron in der Nähe oder sogar im Haus selbst, das eigens zur Erzeugung dieser Isotope gebaut wurde. Das Isotop wird dann an eine natürliche chemische Substanz wie Glukose, Wasser oder Ammoniak gebunden, die anschließend durch eine Injektion oder gegebenenfalls durch Einatmen als Gas in den menschlichen Körper gebracht wird. Das Radioisotop gelangt in den Körperteil, der die Substanz verwendet, an die es gebunden wurde – deshalb werden viele verschiedene Substanzen eingesetzt.

Schematische Darstellung des PET-Verfahrens. Eine ringförmige Detektoranordnung registriert die beiden Gammaquanten, die aus einer e⁺ - e^- -Annihilation stammen.

Elementarteilchen besitzen zugehörige Antiteilchen. Das Antiteilchen eines Teilchens ist praktisch dasselbe Teilchen, jedoch mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen zusammenstoßen, vernichten sie sich unter Aussendung reiner Energie.

Die bei einer PET-Aufnahme üblicherweise verwendeten Isotope sind β⁺ -Emitter. Zerfällt das Isotop im Körper des Patienten, so legt jedes ausgesandte Positron (β⁺) im Gewebe nur eine kurze Strecke zurück (typischerweise weniger als 1 mm, abhängig vom Isotop), bevor es mit einem Elektron (β^-) annihiliert. Die bei der Annihilation frei werdende Energie erscheint als Paar von Gammaquanten (γ), die unter 180° zueinander ausgesandt werden und je 511 keV Energie tragen. Der Nachweis der beiden γ-Quanten in Koinzidenz durch zwei Detektoren erlaubt es, das Zerfallsereignis auf der Verbindungslinie der beiden Detektoren zu lokalisieren.

PET-Aufnahmen werden häufig zur Diagnose von Krebserkrankungen, Herzleiden und einigen Hirnerkrankungen wie Epilepsie oder Alzheimer eingesetzt. PET dient auch der Beurteilung des Ansprechens auf eine Krebstherapie. Darüber hinaus werden PET-Aufnahmen in der Forschung genutzt, etwa bei Untersuchungen zu den Auswirkungen von Drogenmissbrauch oder des Alterns.

Die mit einer PET-Aufnahme verbundenen Risiken sind sehr gering, doch wie bei den meisten Untersuchungsarten ist sie für schwangere oder stillende Frauen nicht immer geeignet. Wegen der radioaktiven Substanz im Körper raten Krankenhäuser den Patienten, nach einer PET-Aufnahme mindestens einige Stunden lang engen Kontakt mit Schwangeren oder kleinen Kindern zu meiden.

PET-Aufnahme mit Knochenkrebs des Skeletts (Hôpital Erasme, Brüssel).

Verglichen mit anderen diagnostischen Bildgebungsverfahren wie der Röntgenaufnahme oder der MRT untersucht PET eher die Funktion des Körpers als seine Anatomie. Bis heute kann kein diagnostisches Bildgebungsverfahren mit ihr hinsichtlich der dynamischen Wechselwirkung konkurrieren. Dieses Verfahren erlaubt es, zu verschiedenen Zeitpunkten quantitative Informationen über die Pharmakokinetik und Pharmakodynamik eines markierten Biomoleküls zu verfolgen, das einem lebenden Tier oder Menschen injiziert (oder von ihm eingeatmet) wurde. PET ist nützlich bei der Untersuchung des Stoffwechsels (Zuckeraufnahme, Einbau von Aminosäuren in Proteine usw.), enzymatischer Reaktionen und molekularer Wechselwirkungen. SPECT gewinnt, ebenso wie PET, Informationen über die Konzentration der in den Körper des Patienten eingebrachten Radionuklide.

Die SPECT-Bildgebung ist der PET hinsichtlich der erreichbaren Auflösung und Empfindlichkeit unterlegen. Bei PET beträgt die derzeit beste erreichbare Ortsauflösung etwa 6 mm, also 2- bis 3-mal besser als bei SPECT. Wegen ihres raschen Zerfalls müssen praktisch alle PET-Isotope vor Ort hergestellt werden (mit Ausnahme von ¹⁸F mit 110 min Halbwertszeit). SPECT-Isotope wie ¹²³I haben dagegen eine hinreichend lange Halbwertszeit (13,2 Stunden), um eine zentrale Herstellung an entfernten Orten mit anschließendem Versand per Express zu ermöglichen.

Ein weiteres Verfahren der medizinischen Diagnostik ist die Magnetresonanztomografie (MRT). Die ersten klinischen MRT-Geräte (anfangs NMR für Kernspinresonanz genannt) wurden in den 1980er Jahren gebaut.

Der Hauptvorteil der MRT besteht darin, dass sie ohne radioaktive Substanzen auskommt. MRT-Aufnahmen zeigen die Verteilung des Wassers (H₂O) im Körper und die Organe, in denen es gespeichert ist. Die MRT ist im Grunde eine große Röhre mit starken Magneten im Inneren. Das liegt daran, dass sich die Protonen in den H-Kernen wie winzige Magnete verhalten. Wird um den Patienten herum ein äußeres Magnetfeld angelegt (was unschädlich ist), so werden all diese winzigen Magnete im Wasser in eine Richtung ausgerichtet. Kehrt das Proton in seine Ausgangslage zurück, sendet es Radiowellen aus, die der MRT-Scanner nachweisen und messen kann, um ein zweidimensionales Bild des Körpers zu erzeugen. MRT wird häufig für Gehirn- oder Herzdiagnosen eingesetzt, lässt sich aber für nahezu jeden Körperteil verwenden.

Die MRT-Technik wird weiterentwickelt, um ein breiteres Spektrum klinischer Diagnoseprobleme zu erfassen. So kann etwa polarisiertes Xe-129 oder He-3 verwendet werden, um die Atemwege in der Lunge mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden. MRT der Blutgefäße und Organe in Kopf und Rumpf.

Der Nobelpreis für Medizin 2003 wurde Paul Lauterbur und Sir Peter Mansfield für ihre Arbeiten und ihren Beitrag zur Magnetresonanztomografie verliehen.

Die meisten modernen und universitären Krankenhäuser setzen heute MRT und PET neben anderen bildgebenden Verfahren ein. In vielen kernphysikalischen Instituten gibt es Gruppen, deren Tätigkeit und Forschung bestimmten medizinischen Anwendungen sowie der Patientenbehandlung gewidmet ist, zum Beispiel am GSI (Deutschland), PSI (Schweiz), GANIL (Frankreich), HMI (Deutschland) oder LARN (Belgien).

Bei der Teilchentherapie werden ionisierte Teilchen auf den Zieltumor gerichtet. Die Ionisation schädigt die DNA der Zellen unterschiedslos. Krebszellen können sich jedoch schlechter selbst reparieren und werden von dieser Schädigung stärker getroffen.

Zu den verwendeten Teilchen zählen Protonen, Neutronen oder positiv geladene Ionen. Jede Teilchenart besitzt eine andere Energie und kann daher unterschiedlich tief in den menschlichen Körper eindringen. Deshalb werden für verschiedene Verfahren unterschiedliche Teilchenarten eingesetzt. Die häufigste Form der Teilchentherapie ist die Protonentherapie.

Ein grundlegendes Problem der Strahlentherapie ist die Notwendigkeit, die im Tumor abgegebene Dosis zu maximieren und zugleich die Schädigung des umliegenden gesunden Gewebes zu minimieren. Bei elektromagnetischer Strahlung (Röntgen- oder γ-Strahlen) trifft ein großer Teil der Dosis das gesunde Gewebe entlang des Strahlenbündels vor und hinter dem Tumor.

Eine Verbesserung der Strahlentherapie gelingt heute mit hochenergetischen Teilchenstrahlen (p, schwere Ionen), denn bei Ionenstrahlen wächst die Dosis mit der Eindringtiefe bis zu einem Maximum am Ende der Teilchenreichweite. Die Ionenstrahltherapie erlaubt es, eine größere und wirksamere Dosis im Tumor abzulagern als jede andere Form der äußeren Therapie.

Das Bild oben rechts zeigt einen Vergleich zweier Verfahren. Die Photonentherapie (a) lagert eine hohe Strahlendosis im gesunden Gewebe vor dem Tumor ab. Beim Teilchenstrahl (b) bleibt der größte Teil der Dosis auf den Tumor beschränkt.

Das Bild links zeigt eine Aufnahme eines Hirntumors vor und sechs Wochen nach der Strahlentherapie mit Photonen und Kohlenstoffionen.

Bis heute wurden weltweit mehr als 50 000 Patienten mit Protonenstrahlen behandelt. Die Behandlung von Augentumoren mit Protonenstrahlen liefert mit Abstand die besten klinischen Ergebnisse. Die Protonentherapie ist auch dann ideal, wenn der Tumor nahe an einem kritischen Organ liegt, da sie sehr genau ausgerichtet werden kann. Je besser das bestrahlte Volumen mit dem Zielvolumen übereinstimmt, desto besser die Ergebnisse. Das gilt ebenso für Schwerionenstrahlen, bei denen eine noch bessere Übereinstimmung als mit Protonen erreichbar ist. Die Schwerionentherapie wurde 1974 am Lawrence Berkeley Laboratory eingeführt. Die ersten Behandlungen nutzten Ar-Ionen (Argon) und später Si- (Silizium) und Ne-Ionen (Neon). Die bestrahlten Tumoren lagen nahe an kritischen Organen im Gehirn, Kopf oder Hals. Die Ergebnisse waren ausgezeichnet und gaben den Anstoß zum Bau eigener medizinischer Schwerionenbeschleuniger.

Die Brachytherapie ist eine Form der Strahlentherapie, bei der radioaktives Material im Körper nahe am Tumor platziert wird. Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass die Strahlung nicht von außen durch gesundes Gewebe zum Tumor gelangen muss und stattdessen nur einen eng begrenzten Bereich trifft. Dadurch lassen sich verhältnismäßig hohe Dosen bei minimalem Risiko verabreichen. Zudem ist der Patient während der gesamten Behandlungsdauer beweglich. Die Gesamtbehandlung ist meist in kürzerer Zeit abgeschlossen als bei anderen Verfahren, sodass den Krebszellen zwischen den Behandlungssitzungen weniger Zeit zur Vermehrung bleibt.

Die Brachytherapie ist ein Standardverfahren bei einigen gynäkologischen Krebsarten wie Gebärmutterhals- oder Prostatakrebs sowie bei bestimmten Stadien von Kopf-Hals-Karzinomen. Bei Prostataerkrankungen wurden verschiedene Ansätze verwendet, die sich vor allem nach dem gewählten Isotop richten. ¹²⁵I (mit einer Halbwertszeit von 60 Tagen) und ¹⁰³Pd (mit einer Halbwertszeit von 17 Tagen) werden für dauerhafte Implantate verwendet. Diese Isotope lassen sich durch Neutroneneinfang in Reaktoren erzeugen. ¹⁰³Pd lässt sich effizienter in Zyklotrons herstellen (mit Protonenstrahlen von 14 MeV). In den USA liegen mehr als 10 Jahre klinische Daten zur Verwendung von ¹⁰³Pd in der Prostata-Brachytherapie vor. Dieser klinische Erfolg hat sie zusammen mit dem Ausbleiben von Nebenwirkungen zu einer sehr beliebten Therapieoption gemacht.

Die Sonne liefert die Energie, die die Erde braucht, um Leben zu beherbergen. Die Energie der Sonne entsteht im Kern, wo Kernreaktionen bei Temperaturen von etwa 15 Millionen °C ablaufen. Die in der p-p-Kette erzeugte Energie wird von Photonen und von Neutrinos fortgetragen, die ohne Absorption entweichen. Diese Photonen können 2 Millionen Jahre brauchen, um vom Sonnenkern bis zur Oberfläche zu gelangen, doch danach erreichen sie die Erde in etwa 8 Minuten.

Die Sonne sendet sichtbares Licht aus, Infrarotstrahlung, die wir als Wärme spüren, und ultraviolette Strahlung, die leider gefährlich sein kann. Die ultraviolette Strahlung kann ein Hautmelanom (Hautkrebs) verursachen. Das Hautmelanom ist eine der häufigsten Krebsursachen und forderte beispielsweise 2008 weltweit etwa 46 000 Todesopfer.

Mikroskopische Ansicht gesunder Haut (links) und durch Strahlung geschädigter Haut (rechts).

Die Zahl der Diagnosen des malignen Melanoms hat sich in den letzten 30 Jahren vervierfacht. Am häufigsten tritt es bei Menschen mit Hautkrebs in der Familie, bei hellhaarigen und hellhäutigen Menschen sowie bei über 40-Jährigen auf. Krebs kann jedoch jeden treffen, unabhängig von Herkunft, Alter oder Genetik. Die meisten Hautschäden entstehen vor dem 20. Lebensjahr, zeigen sich aber oft erst mit 40 Jahren; auch wenn Sie sich also nicht sichtbar verbrennen, schädigen Sie Ihre Haut dennoch. Deshalb ist es so wichtig, Sonnencreme zu verwenden und sich in der Zeit der stärksten Sonneneinstrahlung (zwischen 11 und 15 Uhr) nicht in der Sonne aufzuhalten.