Ausgabe 188

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 188 / 05. 09. 2019
Wissenschaft & Technik
Langsame Elektronen
gegen den Krebs
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Bei der Ionentherapie nutzt man komplizierte atomphysikalische Effekte,
um Krebszellen zu zerstören. An der TU Wien identifizierte man nun einen
Mechanismus, der das deutlich erleichtert.
In der Krebstherapie verwendet man heute
oft Ionenstrahlen: Elektrisch geladene Ato -
me werden auf den Tumor geschossen, um
Krebszellen zu zerstören. Dabei sind es al ler -
dings gar nicht die Ionen selbst, die den entscheidenden
Schaden anrichten. Wenn Ionen
durch festes Material dringen, können sie
einen Teil ihrer Energie auf viele einzelne
Elektronen verteilen, die sich dann mit recht
niedriger Geschwindigkeit weiterbewegen –
und genau diese Elektronen zerstören dann
die DNA der Krebszellen.
Dieser Mechanismus ist vielschichtig und
noch nicht vollständig verstanden. An der
TU Wien konnte nun gezeigt werden, daß
ein bisher in diesem Zusammenhang wenig
beachteter Effekt eine wesentliche Rolle
spielt: Durch den sogenannten interatomaren
Coulomb-Zerfall kann ein Ion zusätzliche
Energie an umliegende Atome abgeben. Da -
durch wird sehr lokal eine erstaunlich große
Anzahl von Elektronen frei – und zwar ge -
nau mit der passenden Energie, um die DNA
der Krebszellen optimal zu schädigen. Um
die besondere Wirksamkeit der Ionentherapie
zu verstehen und weiter zu verbessern,
muß dieser Mechanismus unbedingt mitberücksichtigt
werden. Das Ergebnis wurde nun
im Fachjournal „Journal of Physical Chemistry
Letters“ publiziert.
Ein schnelles Teilchen –
oder viele langsame
Wenn ein geladenes Teilchen mit hoher
Geschwindigkeit durch ein Material dringt –
zum Beispiel durch menschliches Gewebe –
dann richtet es entlang seines Pfades ein grosses
atomphysikalisches Durcheinander an:
„Eine ganze Kaskade von Effekten kann da -
durch ausgelöst werden“, sagt Janine
Schwestka, Erstautorin der aktuellen Publikation,
die derzeit im Team von Prof. Friedrich
Aumayr und Richard Wilhelm an ihrer
Dissertation arbeitet. Wenn sich das Ion zwischen
anderen Atomen hindurchbewegt,
können diese und weitere Teilchen ionisiert
werden, schnelle Elektronen fliegen herum,
die dann wieder mit anderen Teilchen zu -
Foto: TU Wien
Janine Schwestka
sammenstoßen. Letztendlich kann ein schnel -
les, geladenes Ion einen Teilchenschauer aus
hunderten Elektronen mit jeweils viel niedrigerer
Energie auslösen.
Aus dem Alltag sind wir gewohnt, daß
schnelle Objekte dramatischere Auswirkungen
haben als langsame: Ein mit voller Wucht
getretener Fußball richtet im Porzellanladen
größeren Schaden an als ein sanft gerollter.
Auf atomarer Ebene trifft das aber nicht zu:
„Die Wahrscheinlichkeit, daß ein langsames
Elektron einen DNA-Strang zerstört, ist viel
größer. Ein sehr schnelles Elektron hingegen
fliegt meistens einfach am DNA-Molekül
vorbei, ganz ohne Spuren zu hinterlassen“,
erklärt Janine Schwestka.
Von einer Elektronenschale
zur anderen
Das Team der TU Wien nahm nun einen
ganz besonderen Effekt genauer unter die
Lupe – den interatomaren Coulomb Zerfall.
„Die Elektronen des Ions können unterschiedliche
Zustände annehmen. Je nachdem,
wie viel Energie sie haben, befinden sie sich
in einer der inneren Schalen, nahe am Atomkern
oder in einer äußeren Schale“, sagt Ja -
nine Schwestka. Nicht alle möglichen Elek -
tronen-Plätze sind besetzt. Wenn eine Elek -
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tronenschale im mittleren Energiebereich
frei ist, dann kann ein Elektron aus einer
Schale mit hoher Energie dorthin überwechseln.
Dabei wird Energie frei – und die kann
nun über den interatomaren Coulomb-Zerfall
an das Material abgegeben werden: „Das
Ion überträgt diese Energie auf mehrere
Atome in der direkten Umgebung gleichzeitig.
Aus all diesen Atomen wird jeweils ein
Elektron herausgelöst, aber weil die Energie
auf mehrere Atome aufgeteilt wird, handelt
es sich dabei um lauter recht langsame
Elektronen“, erklärt Schwestka.
Xenon und Graphen
Mit Hilfe eines ausgeklügelten Versuchs -
aufbaus konnte man nun zeigen, wie wirkmächtig
dieser Prozess ist: Mehrfach geladene
Xenon-Ionen wurden auf eine Graphen-
Schicht geschossen. Elektronen aus den
äußeren Xenon-Schalen wechseln auf eine
Position in einer anderen Schale mit kleinerer
Energie, dafür werden aus zahlreichen
Kohlenstoff-Atomen der Graphen-Schicht
Elektronen herausgelöst, die dann von einem
Detektor aufgefangen werden, um ihre Energie
messen zu können. „Tatsächlich konnten
wir auf diese Weise zeigen, daß der interatomare
Coulomb-Zerfall einen sehr wichtigen
Beitrag zur Entstehung zahlreicher freier
Elektronen im Material leistet“, sagt Prof.
Friedrich Aumayr.
Um die Wechselwirkung von Ionenstrahlen
mit festen Materialien oder organischem
Gewebe richtig zu beschreiben, muß dieser
Effekt unbedingt berücksichtigt werden.
Wichtig ist das einerseits für die Optimierung
von Ionenstrahltherapien zur Bekämpfung
von Krebs, aber auch für andere wichtige
Bereiche – etwa für die Gesundheit der
Besatzung von Raumstationen, wo man stän -
digem Teilchenbombardement der kosmischen
Strahlung ausgesetzt ist. n
Originalpublikation: J. Schwestka et al., Charge-
Exchange-Driven Low-Energy Electron Splash
Induced by Heavy Ion Impact on Condensed Matter,
J. Phys. Chem. Lett.201910XXX4805-4811
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01774