Today tumour diseases are the second most cause of death in Western countries. But only 45 percent of the patients can be cured by the established treatment methods. The further improvement of the these forms of therapy and the development of new therapeutical approaches is urgent. A substantial proportion of the patients could benefit from particle therapy with heavy ions. Beams of accelerated heavy ions (e.g. carbon, nitrogen or oxygen) with an energy between 70 and 500 AMeV are characterised by physical and biological properties superior to the radiation used in conventional radiotherapy (photons, electrons, neutrons). They form a sharp dose maximum (Bragg peak) shortly before coming to rest and are scarcely scattered while penetrating tissue. Because of the increased relative biological efficiency of these ions in the Bragg peak region they are suitable for precision therapy of deeply seated, compact, radioresistant tumours near to organs at risk. For a safe application of heavy ions close to radiosensitive structures (brain stem, optical nerves, eyes) an in situ monitoring of the therapy is desirable. This can be accomplished by positron emission tomography (PET), since fragmentation reactions between the stable ions of the therapy beam and the atomic nuclei of the tissue generate a dynamic spatial distribution of positron emitters (ß+-emitters) that can be observed by a positron camera. At the Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt a medical treatment site for heavy ion therapy has been established in co-operation with the Radiologische Universitätsklinik Heidelberg, the Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg and the Forschungszentrum Rossendorf. The fast variation of the beam energy in conjunction with the vertical and horizontal beam deflection by dipole magnets (raster scanning) allows the three-dimensional, strictly tumour shape conformed irradiations. The dual head positron camera BASTEI has been installed at the treatment place in order to measure the decay of the ß+-emitters during the irradiation and a few minutes after. Two ways to verify the treatment plan by PET are possible. # In critical situations when the beam has to pass very heterogeneous structures and radiosensitive organs are situated in the direction of the beam behind the Bragg peak, a monoenergetic low dose beam pulse can be applied to the patient. The range of the particles can be derived from the simultaneous PET scan, so that the correct range calculation of the treatment plan is ensured before the therapeutical irradiations are started. # During each fraction of the heavy ion therapy the ß+-activity distributions are measured routinely. Based on the time course of every individual therapy fraction the expected ß+-emitter distribution is computed. By comparing the simulated with the measured data the precision of the dose deposition of this single therapy fraction is assessed. If a considerable disagreement between these two distributions is revealed by this comparison the treatment plan has to be modified before proceeding with the following therapy fraction. The PET data are recorded in list mode, together with a protocol of important accelerator parameters of the irradiation. Because of the half-lives of the most abundant ß+-emitters 11C and 15O it is on principle impossible to obtain the precise position of the 12C therapy beam by PET during the irradiation. …

Today tumour diseases are the second most cause of death in Western countries. But only 45 percent of the patients can be cured by the established treatment methods. The further improvement of the these forms of therapy and the development of new therapeutical approaches is urgent. A substantial proportion of the patients could benefit from particle therapy with heavy ions. Beams of accelerated heavy ions (e.g. carbon, nitrogen or oxygen) with an energy between 70 and 500 AMeV are characterised by physical and biological properties superior to the radiation used in conventional radiotherapy (photons, electrons, neutrons). They form a sharp dose maximum (Bragg peak) shortly before coming to rest and are scarcely scattered while penetrating tissue. Because of the increased relative biological efficiency of these ions in the Bragg peak region they are suitable for precision therapy of deeply seated, compact, radioresistant tumours near to organs at risk. For a safe application of heavy ions close to radiosensitive structures (brain stem, optical nerves, eyes) an in situ monitoring of the therapy is desirable. This can be accomplished by positron emission tomography (PET), since fragmentation reactions between the stable ions of the therapy beam and the atomic nuclei of the tissue generate a dynamic spatial distribution of positron emitters (ß+-emitters) that can be observed by a positron camera. At the Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt a medical treatment site for heavy ion therapy has been established in co-operation with the Radiologische Universitätsklinik Heidelberg, the Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg and the Forschungszentrum Rossendorf. The fast variation of the beam energy in conjunction with the vertical and horizontal beam deflection by dipole magnets (raster scanning) allows the three-dimensional, strictly tumour shape conformed irradiations. The dual head positron camera BASTEI has been installed at the treatment place in order to measure the decay of the ß+-emitters during the irradiation and a few minutes after. Two ways to verify the treatment plan by PET are possible. # In critical situations when the beam has to pass very heterogeneous structures and radiosensitive organs are situated in the direction of the beam behind the Bragg peak, a monoenergetic low dose beam pulse can be applied to the patient. The range of the particles can be derived from the simultaneous PET scan, so that the correct range calculation of the treatment plan is ensured before the therapeutical irradiations are started. # During each fraction of the heavy ion therapy the ß+-activity distributions are measured routinely. Based on the time course of every individual therapy fraction the expected ß+-emitter distribution is computed. By comparing the simulated with the measured data the precision of the dose deposition of this single therapy fraction is assessed. If a considerable disagreement between these two distributions is revealed by this comparison the treatment plan has to be modified before proceeding with the following therapy fraction. The PET data are recorded in list mode, together with a protocol of important accelerator parameters of the irradiation. Because of the half-lives of the most abundant ß+-emitters 11C and 15O it is on principle impossible to obtain the precise position of the 12C therapy beam by PET during the irradiation. …

Introduction The National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) is a national nuclear physics facility in which heavy ion beams are fragmented to produce exotic nuclei. In this process of fragmentation many nuclei are created, however, only one isotope is selected for experimentation. The remaining isotopes that are created go unused. The future upgrade of the NSCL to the Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) will increase the incident energy of these heavy ion beams and amplify the current by three orders of magnitude. An aqueous beam dump will be created to collect the unused isotopes created in the process of fragmentation. Several of these isotopes are of interest for many applications including nuclear security, medical imaging, and therapy and are not currently available or are only available in very limited supply. Harvesting these isotopes from the aqueous beam dump could provide a consistent supply of these im-portant isotopes as an ancillary service to the existing experimental program. Material and Methods A liquid water target system was designed and tested to serve as a mock beam dump for exper-iments at the NSCL1. A 25 pnA 130 MeV/u 76Ge beam was fragmented using a 493 mg/cm2 thick beryllium production target. After fragmentation the beam was separated using the A1900 frag-ment separator2 set up for maximum 67Cu pro-duction using a 240 mg/cm2 aluminum wedge and a 2% momentum acceptance. The secondary beam was collected for four hours in the liquid water target system before being transferred to a collection vessel. Four additional four hour collections were made before finally shipping the five collections to Washington University and Hope College for chemical separation. Four of the five samples were separated using a two part separation scheme. First they were passed through and 3M Empore iminodiacetic acid functionalized chelation disk in a 1.25M ammonium acetate solution at pH 5. The flow through was collected and analyzed using an HPGe detector. Then 10mL of 6M HCl acid was passed through the chelation disk to remove the 2+ transition metals. The 10mL of 6M HCl acid was collected after passing through the disk and added to an anion-exchange column with 2.5 g AG1-X8 resin. The eluate was collected and then an additional 10mL of 6M HCl was passed through the column to remove the nickel. The 67Cu was then collected by passing 10mL of 0.5M HCl and the eluate was collected in 1mL fractions each analyzed by HPGe for 67Cu concentration and purity. The two highest 67Cu fractions were heated to dryness and reconstituted in 50 μL 0.1M ammonium acetate pH 5.5. 2 μL of 7.9 mg/mL NOTA-Bz-Trastuzumab was added to 45 μL of 67Cu and 3 μL 0.1M ammonium acetate pH 5.5. This solution was placed in a shaking incubator at 37 °C for twenty minutes and then analyzed by radio-instant thin layer chromatography in order to determine the per-cent of 67Cu bound to the antibody. Results and Conclusion 67Cu was collected into the liquid water target system with an average efficiency of 85 ± 5 %. The secondary beam was 73 % pure with the impurities, half-lives greater than 1 minute, listed in TABLE 1. Separation of 67Cu from the impurities resulted in an average recovery of 88 ± 3 % for a total recovery of 67Cu from the beam and separation of 75 ± 4 %. No detectable radioactive impurities were found in the final samples when analyzed using an HPGe detector. TABLE 2 shows the amount of 67Cu collected from the beam and the amount recovered decay corrected to end of bombardment. Labeling NOTA-Bz-Trastuzumab with 67Cu resulted in > 95 % radiochemical yield. Collection of the 73 % pure 67Cu beam in water and the resulting separation proved successful. These results demonstrate that radioisotopes can be collected from fragmented heavy ion beams and isolated in usable quantities and purity for many radiochemical applications. Further experimentation with an unpurified beam to better simulate conditions in the beam dump at the Facility for Rare Isotope Beams will be performed in the near future.

Introduction The National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) is a national nuclear physics facility in which heavy ion beams are fragmented to produce exotic nuclei. In this process of fragmentation many nuclei are created, however, only one isotope is selected for experimentation. The remaining isotopes that are created go unused. The future upgrade of the NSCL to the Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) will increase the incident energy of these heavy ion beams and amplify the current by three orders of magnitude. An aqueous beam dump will be created to collect the unused isotopes created in the process of fragmentation. Several of these isotopes are of interest for many applications including nuclear security, medical imaging, and therapy and are not currently available or are only available in very limited supply. Harvesting these isotopes from the aqueous beam dump could provide a consistent supply of these im-portant isotopes as an ancillary service to the existing experimental program. Material and Methods A liquid water target system was designed and tested to serve as a mock beam dump for exper-iments at the NSCL1. A 25 pnA 130 MeV/u 76Ge beam was fragmented using a 493 mg/cm2 thick beryllium production target. After fragmentation the beam was separated using the A1900 frag-ment separator2 set up for maximum 67Cu pro-duction using a 240 mg/cm2 aluminum wedge and a 2% momentum acceptance. The secondary beam was collected for four hours in the liquid water target system before being transferred to a collection vessel. Four additional four hour collections were made before finally shipping the five collections to Washington University and Hope College for chemical separation. Four of the five samples were separated using a two part separation scheme. First they were passed through and 3M Empore iminodiacetic acid functionalized chelation disk in a 1.25M ammonium acetate solution at pH 5. The flow through was collected and analyzed using an HPGe detector. Then 10mL of 6M HCl acid was passed through the chelation disk to remove the 2+ transition metals. The 10mL of 6M HCl acid was collected after passing through the disk and added to an anion-exchange column with 2.5 g AG1-X8 resin. The eluate was collected and then an additional 10mL of 6M HCl was passed through the column to remove the nickel. The 67Cu was then collected by passing 10mL of 0.5M HCl and the eluate was collected in 1mL fractions each analyzed by HPGe for 67Cu concentration and purity. The two highest 67Cu fractions were heated to dryness and reconstituted in 50 μL 0.1M ammonium acetate pH 5.5. 2 μL of 7.9 mg/mL NOTA-Bz-Trastuzumab was added to 45 μL of 67Cu and 3 μL 0.1M ammonium acetate pH 5.5. This solution was placed in a shaking incubator at 37 °C for twenty minutes and then analyzed by radio-instant thin layer chromatography in order to determine the per-cent of 67Cu bound to the antibody. Results and Conclusion 67Cu was collected into the liquid water target system with an average efficiency of 85 ± 5 %. The secondary beam was 73 % pure with the impurities, half-lives greater than 1 minute, listed in TABLE 1. Separation of 67Cu from the impurities resulted in an average recovery of 88 ± 3 % for a total recovery of 67Cu from the beam and separation of 75 ± 4 %. No detectable radioactive impurities were found in the final samples when analyzed using an HPGe detector. TABLE 2 shows the amount of 67Cu collected from the beam and the amount recovered decay corrected to end of bombardment. Labeling NOTA-Bz-Trastuzumab with 67Cu resulted in > 95 % radiochemical yield. Collection of the 73 % pure 67Cu beam in water and the resulting separation proved successful. These results demonstrate that radioisotopes can be collected from fragmented heavy ion beams and isolated in usable quantities and purity for many radiochemical applications. Further experimentation with an unpurified beam to better simulate conditions in the beam dump at the Facility for Rare Isotope Beams will be performed in the near future.

Glioblastoma multiforme (GBM) ist der nach WHO am gefährlichsten eingestufte Hirntumor astrozytären Ursprungs. Patienten versterben ohne Behandlung etwa drei bis sechs Monaten nach Diagnose, die derzeitig modernste Behandlung mit Chemo-Radiotherapie verlängert das mediane Überleben auf 12-15 Monate. Trotz intensiver Forschung gibt es zurzeit keine realistische Heilungschance. Bislang erfolgt der Großteil der Forschung an Zellkulturen oder mit Hilfe von Tiermodellen, bei denen ein Tumor künstlich erzeugt wird. Dabei ergeben sich Probleme für die Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen. Zellkulturen werden z.B. als sogenannte Monolayer-Kulturen gehalten, was bedeutet, dass ihnen der natürliche Gewebeverband und die für Signalling-Wege wichtige extrazelluläre Matrix fehlen. Außerdem werden solche Langzeitkulturen häufig subkultiviert und mutieren dadurch in Richtung einer klonalen Linie, was zwar Ergebnisse leichter reproduzierbar macht, aber nicht die Situation im Patienten widerspiegelt. Tierversuche implizieren zwar den Gewebeverband im Körper, jedoch müssen die dafür verwendeten Nager immunsupprimiert sein, so dass sie den induzierten Tumor nicht abstoßen. Dies erzeugt wiederum ein künstliches Umfeld. In diesem Projekt wird untersucht, ob sich humane GBM-Gewebe als sogenannte Slice-Kultur halten lassen und als Testsysteme zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapeutika sowie Bestrahlung geeignet sind. Bei dieser Kultivierungsmethode wird das Gewebe in Scheiben (Slices) geschnitten, wobei alle Zellen im Verband sowie die 3D-Struktur erhalten bleiben. Wegen des humanen Ursprungs entfällt das Problem des Speziesunterschiedes. Das Gewebe wird direkt aus dem Operationssaal ins Labor transferiert und weiterverarbeitet. Wir konnten bislang zeigen, dass Slice-Kulturen von humanem GBM über mindestens zwei Wochen in Kultur vital bleiben und ihre ursprüngliche charakteristische Morphologie beibehalten. Etablierte Behandlungsmethoden wie die Gabe von Temozolomid oder Röntgenbestrahlung zeigen auch in kultivierten Slices bekannte Effekte wie Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen, Reduktion von Proliferation und Aktivierung des Apoptose-Enzyms Caspase 3. Eine neue Therapieoption besteht seit einigen Jahren in der Bestrahlung mit Kohlenstoffionen (12C), die an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelt und getestet wurde. Derzeit wird diese Therapie sehr erfolgreich an soliden Tumoren im Kopf- und Halsbereich angewendet und soll nun auf weitere Tumorarten ausgedehnt werden. Eine Kooperation mit der dortigen Biophysik-Gruppe wurde initiiert, um humane GBM-Slices mit 12C zu bestrahlen. Bislang wurde das entsprechende Setup etabliert und erste Experimente durchgeführt. Die ersten Ergebnisse wurden kürzlich publiziert. Weiterhin soll nun geprüft werden, ob das Ansprechen der GBM Slice-Kulturen mit dem Überleben der Patienten korreliert bzw. ob resistente Kulturen aus Patienten stammten, die schlecht auf die Therapie reagierten. Außerdem sollen überlebende Zellen in den Slices nach Behandlung auf ihre molekularen Eigenschaften geprüft werden, um Hinweise auf die Mechanismen der Tumorresistenz zu erhalten. Langfristig könnten diese Slice-Kulturen genutzt werden, um neuartige Wirkstoffe in der Vorklinik zu prüfen oder eine optimierte, personalisierte Therapie für Patienten zu ermitteln.

Glioblastoma multiforme (GBM) ist der nach WHO am gefährlichsten eingestufte Hirntumor astrozytären Ursprungs. Patienten versterben ohne Behandlung etwa drei bis sechs Monaten nach Diagnose, die derzeitig modernste Behandlung mit Chemo-Radiotherapie verlängert das mediane Überleben auf 12-15 Monate. Trotz intensiver Forschung gibt es zurzeit keine realistische Heilungschance. Bislang erfolgt der Großteil der Forschung an Zellkulturen oder mit Hilfe von Tiermodellen, bei denen ein Tumor künstlich erzeugt wird. Dabei ergeben sich Probleme für die Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen. Zellkulturen werden z.B. als sogenannte Monolayer-Kulturen gehalten, was bedeutet, dass ihnen der natürliche Gewebeverband und die für Signalling-Wege wichtige extrazelluläre Matrix fehlen. Außerdem werden solche Langzeitkulturen häufig subkultiviert und mutieren dadurch in Richtung einer klonalen Linie, was zwar Ergebnisse leichter reproduzierbar macht, aber nicht die Situation im Patienten widerspiegelt. Tierversuche implizieren zwar den Gewebeverband im Körper, jedoch müssen die dafür verwendeten Nager immunsupprimiert sein, so dass sie den induzierten Tumor nicht abstoßen. Dies erzeugt wiederum ein künstliches Umfeld. In diesem Projekt wird untersucht, ob sich humane GBM-Gewebe als sogenannte Slice-Kultur halten lassen und als Testsysteme zur Untersuchung der Wirkung von Chemotherapeutika sowie Bestrahlung geeignet sind. Bei dieser Kultivierungsmethode wird das Gewebe in Scheiben (Slices) geschnitten, wobei alle Zellen im Verband sowie die 3D-Struktur erhalten bleiben. Wegen des humanen Ursprungs entfällt das Problem des Speziesunterschiedes. Das Gewebe wird direkt aus dem Operationssaal ins Labor transferiert und weiterverarbeitet. Wir konnten bislang zeigen, dass Slice-Kulturen von humanem GBM über mindestens zwei Wochen in Kultur vital bleiben und ihre ursprüngliche charakteristische Morphologie beibehalten. Etablierte Behandlungsmethoden wie die Gabe von Temozolomid oder Röntgenbestrahlung zeigen auch in kultivierten Slices bekannte Effekte wie Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen, Reduktion von Proliferation und Aktivierung des Apoptose-Enzyms Caspase 3. Eine neue Therapieoption besteht seit einigen Jahren in der Bestrahlung mit Kohlenstoffionen (12C), die an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelt und getestet wurde. Derzeit wird diese Therapie sehr erfolgreich an soliden Tumoren im Kopf- und Halsbereich angewendet und soll nun auf weitere Tumorarten ausgedehnt werden. Eine Kooperation mit der dortigen Biophysik-Gruppe wurde initiiert, um humane GBM-Slices mit 12C zu bestrahlen. Bislang wurde das entsprechende Setup etabliert und erste Experimente durchgeführt. Die ersten Ergebnisse wurden kürzlich publiziert. Weiterhin soll nun geprüft werden, ob das Ansprechen der GBM Slice-Kulturen mit dem Überleben der Patienten korreliert bzw. ob resistente Kulturen aus Patienten stammten, die schlecht auf die Therapie reagierten. Außerdem sollen überlebende Zellen in den Slices nach Behandlung auf ihre molekularen Eigenschaften geprüft werden, um Hinweise auf die Mechanismen der Tumorresistenz zu erhalten. Langfristig könnten diese Slice-Kulturen genutzt werden, um neuartige Wirkstoffe in der Vorklinik zu prüfen oder eine optimierte, personalisierte Therapie für Patienten zu ermitteln.

Die Bestrahlung von tetraedrisch amorphen Kohlenstoff (ta-C) mit schnellen schweren Ionen führt zur Bildung von mikroskopischen elektrisch leitfähigen Ionenspuren mit Durchmessern um 10 nm. Dieses Phänomen ist auf das sp² zu sp³ Hybridisierungsverhältnis des amorphen Kohlenstoffes zurückzuführen. Das einschlagende Ion deponiert eine große Menge Energie innerhalb des Spurvolumens, so dass eine Materialtransformation hin zu höheren sp² Hybridisierung stattfindet. Hierdurch wird die elektrische Leitfähigkeit der Ionenspur stark erhöht. Dieser Effekt kann durch die Zugabe von Verunreinigungen wie Kupfer verstärkt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die umfassende Analyse des elektrischen Verhaltens von ta-C mit besonderen Augenmerk auf die Auswirkungen von Kupferverunreinigungen und Ionenspuren. Der Effekt von Kupferverunreinigungen auf das wichtige Hybridisierungsverhältnis vom amorphen Kohlenstoff wird vermessen. Darüber hinaus wurden alle Proben elektrisch mit makroskopischen Kontakten im Temperaturbeireich von 20 K bis 380 K analysiert. Mikroskopisch wurden einzelne leitfähige Ionenspuren mit Hilfe von atomarer Kraftmikroskopie betrachtet. Die statistische Verteilung der Spureigenschaften in Kohlenstofffilmen mit verschiedenen Kupferkonzentrationen werden verglichen, um die Spurbildung besser zu verstehen. Die normalisierten durchschnittlichen Spurleitfähigkeiten aus mikroskopischen und makroskopischen Messungen werden verglichen. Hierbei kann die Zuverlässigkeit der beiden experimentellen Methoden bewertet werden und mögliche Fehlerquellen ausfindig gemacht werden. Schließlich wird ein Konzept für eine Anwendung unterbrochener Ionenspuren gezeigt.