Die unerwartete Entdeckung war bereits 2018 gelungen. Als das HZDR-Team eine dünne Schicht aus einer Eisen-Aluminium-Legierung mit ultrakurzen Laserpulsen bestrahlte, wurde das unmagnetische Material plötzlich magnetisch. Die Erklärung: Die Laserpulse ordnen die Atome im Kristall so um, dass die Eisenatome näher zusammenrücken und dadurch einen Magneten bilden. Anschließend konnten die Forscher*innen die Schicht mit einer Serie von schwächeren Laserpulsen wieder entmagnetisieren. Damit hatten sie eine Möglichkeit entdeckt, winzige „Magnetflecke“ auf einer Oberfläche gezielt zu erzeugen und wieder zu löschen.

Allerdings ließ das Pilotexperiment Fragen offen. „Unklar war, ob der Effekt nur bei der Eisen-Aluminium-Legierung auftritt oder auch bei anderen Materialien“, erläutert Dr. Rantej Bali, Physiker im Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR. „Außerdem wollten wir versuchen, den Prozess in seinem zeitlichen Ablauf zu verfolgen.“ Um das zu klären, schloss er sich mit Dr. Theo Pflug vom LHM sowie mit Kolleg*innen der Universität Saragossa in Spanien zusammen.

Daumenkino mit Laserpulsen

Konkret nahmen die Fachleute eine Legierung aus Eisen und Vanadium ins Visier. Anders als bei der Eisen-Aluminium-Legierung sind die Atome nicht zu einem regelmäßigen Kristallgitter geschichtet, sondern chaotischer angeordnet. Sie bilden eine amorphe, glasartige Struktur. Um zu beobachten, was nach der Laserbestrahlung passiert, nutzten die Physiker*innen eine Spezialmethode: das Pump-Probe-Verfahren. „Zunächst strahlen wir einen starken Laserpuls auf die Legierung, er magnetisiert das Material“, erklärt Theo Pflug. „Dann schicken wir einen schwächeren Puls hinterher, der von der Materialoberfläche reflektiert wird.“

Die Analyse der Laserreflexe lässt auf die physikalischen Eigenschaften des Materials schließen. Anschließend wird das Spiel mehrfach wiederholt, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem ersten „Pump“-Puls und dem anschließenden „Probe“-Puls immer weiter erhöht wird. Am Ende ergibt sich eine Zeitreihe von Reflexionsdaten, aus der sich rekonstruieren lässt, welche Prozesse der anregende Laserpuls in Gang gebracht hat. „Das Verfahren ähnelt einem Daumenkino“, meint Pflug. „Dort wird ebenfalls aus einer Serie von Einzelbildern eine Art Trickfilm.“

Schnelles Schmelzen

Das Resultat: Obwohl sie eine andere Grundstruktur als die Eisen-Aluminium-Verbindung besitzt, lässt sich auch die Eisen-Vanadium-Legierung per Laser magnetisieren. „In beiden Fällen schmilzt das Material an der bestrahlten Stelle kurzzeitig auf“, beschreibt Rantej Bali. „Dadurch löscht der Laser die vorherige Struktur, sodass sich bei beiden Legierungen ein kleiner magnetischer Bereich bilden kann.“ Ein ermutigendes Ergebnis: Offenbar ist das Phänomen nicht auf eine bestimmte Materialstruktur begrenzt, sondern zeigt sich bei diversen atomaren Anordnungen.

Auch dem zeitlichen Ablauf des Prozesses ist das Team auf der Spur: „Zumindest wissen wir jetzt, in welchen Zeitbereichen etwas passiert“, erläutert Theo Pflug. „Innerhalb von Femtosekunden regt der Laserpuls die Elektronen im Material an. Später, nach mehreren Pikosekunden, übertragen die angeregten Elektronen ihre Energie auf die Atomrümpfe.“ Dieser Energieübertrag bewirkt dann die Umordnung in eine magnetische Struktur, die durch die nachfolgende rasche Abkühlung fixiert wird. Wie genau sich die Atome umordnen, wollen die Forscher*innen in Folgeexperimenten beobachten, indem sie den Magnetisierungsprozess mit intensiver Röntgenstrahlung durchleuchten.

Bessere Magnete im Blick

Schon diese Arbeiten im Grundlagenstadium liefern erste Ideen für mögliche Anwendungen: So ist denkbar, per Laser gezielt winzige Magneten auf einer Chip-Oberfläche zu platzieren. „Das könnte für die Produktion von empfindlichen magnetischen Sensoren nützlich sein, etwa in Fahrzeugen“, spekuliert Rantej Bali. „Auch für magnetische Datenspeicher könnte das in Frage kommen.“ Ferner scheint das Phänomen für eine neue Spielart der Elektronik interessant, die Spintronik. Hier sollen für digitale Rechenprozesse nicht wie üblich Elektronen durch Transistoren geschleust, sondern magnetische Signale genutzt werden – ein möglicher Ansatz für die Computer der Zukunft.

Publikation:

T. Pflug, J. Pablo-Navarro, S. Anwar, M. Olbrich, C. Magén, M. R. Ibarra, K. Potzger, J. Faßbender, J. Lindner, A. Horn, R. Bali: Laser-Induced Positional and Chemical Lattice Reordering Generating Ferromagnetism,Advanced Functional Materials, 2023 (DOI: 10.1002/adfm.202311951)

Das Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) ist eine zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Hochschule Mittweida. Es ist eines der führenden Forschungsinstitute auf dem Gebiet der Lasertechnik in Deutschland und das einzige an einer Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW). Zu den Forschungsschwerpunkten des LHM gehören die Lasermikro- und -nanobearbeitung, die laserbasierte additive Fertigung, das Laser-Puls-Depositionsverfahren (PLD), die Lasermesstechnik, die Modellierung und Simulation von Laserprozessen sowie die Laserbionik und Biophotonik. Rund 50 Expertinnen und Experten erarbeiten anwendungsorientiert weltweit anerkannte Forschungsergebnisse. Das 2016 eingeweihte Institutsgebäude des LHM mit mehr als 2.500 Quadratmetern Forschungsfläche ist der erste Forschungsneubau an einer HAW, der durch das Bund-Länder-Programm zur Förderung von Wissenschaft und Forschung an deutschen Hochschulen mitfinanziert wurde.

„Wir können uns das im Prinzip wie die Funktionalität eines Smart Keys vorstellen, mit dem wir die Kontrolle über unser Auto haben. Wir nutzen dabei sogenannte Radionuklide, also instabile Atomkerne, die während ihres Zerfalls spontan ionisierende Strahlung aussenden. Mit einem diagnostisch arbeitenden Radionuklid spüren wir den Tumor auf. Die zielgerichtete innere Bestrahlung nahe dem erkrankten Gewebe übernimmt dann ein anderes, therapeutisch wirksames Radionuklid“, umschreibt Dr. Manja Kubeil vom Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung am HZDR ihren theranostischen Ansatz.

Ihr Team in der Abteilung Radionuklid-Theragnostika entwickelt genau solche Substanzen, um Tumoren aufzuspüren und zu zerstören. Die Forscher*innen setzen dafür aufeinander abgestimmte Paare von Radionukliden ein, die aufgrund ihrer Zerfallscharakteristik sowohl für die Bildgebung als auch für die Therapie von Tumoren am gleichen Zielmolekül verwendet werden können.

Das jeweilige Radionuklid ist dabei in einem sogenannten Chelator stabil gebunden und über eine Art chemische Brücke mit einem Biomolekül verknüpft. „Das Wort Chelator ist dem Lateinischen entlehnt, sein Wortstamm assoziiert eine Umklammerung durch Krebsscheren. Wir bevorzugen das Bild eines molekularen Käfigs, der das Radionuklid fest umschließt, damit es sich nicht unkontrolliert im Körper verteilen kann. Das zielsuchende Biomolekül wiederum muss genau zu den Andockstellen auf den Krebszellen passen, gerade so wie ein Schlüssel zu einem Schloss. Das Radionuklid reichert sich daraufhin am Tumorgewebe an und entfaltet ausschließlich dort seine zerstörerische Wirkung – so der Plan“, sagt Kubeil.

Stabile Bindungen bei praxistauglichen Temperaturen

Gut geeignet ist zum Beispiel Lutetium-177 als Elektronen aussendender Betastrahler zur Therapie verschiedener Tumoren sowie als Gammastrahlen-Quelle für die Bildgebung. Actinium-225 als ein für die effiziente Behandlung nutzbarer Alpha-Strahler weist eine noch höhere Wirksamkeit bei der Zerstörung von Tumoren auf und wird vom Chelator ebenfalls sehr fest gebunden. Beide Radionuklide kommen nicht natürlich auf der Erde vor und werden mit geeigneten Verfahren künstlich gewonnen.

Alphastrahler stoßen Teilchen aus, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Sie werden in der Krebstherapie eingesetzt, da ihre Reichweite im Gewebe sehr gering ist und sie trotzdem mit ihrer hohen Energie Krebszellen sehr effektiv angreifen und abtöten. Die Halbwertszeit von sieben und zehn Tagen im Falle von Lutetium-177 und Actinium-225 ist dafür ideal: Sie ist lang genug, um eine wirksame Behandlung zu ermöglichen.

Neuer Chelator mit Vorteilen

Bislang gibt es nur einen einzigen Komplexbildner auf dem Markt, der beide Radionuklide gleichermaßen gut bindet: DOTA. Der in der Nuklearmedizin am häufigsten verwendete Chelator ist für seine sehr stabilen Metallkomplexe bekannt. Allerdings hat DOTA den großen Nachteil, dass sich eine vollständige Bindung theranostischer Radionuklide nur bei für biochemische Verhältnisse sehr hohen Temperaturen jenseits von 80 Grad Celsius erzielen lässt. „Arbeitet man mit Proteinderivaten, sind das eindeutig zu hohe Temperaturen. Denn liegen diese auch nur über 40 Grad Celsius, setzt bereits die Denaturierung ein: Sie werden zerstört. Unser neues Chelatorsystem arbeitet auch bei diesen niedrigeren Temperaturen zuverlässig“, freut sich Kubeil.

Darüber hinaus weist es unter den milderen Bedingungen eine schnellere Radiomarkierung als bereits bekannte Chelatoren auf. Ein weiterer Vorteil: Das neue System bindet effizient an verschiedene Biokonjugate. Das heißt, auch die Auswahl von Andockstellen an kranken Geweben wird größer. Der entwickelte Chelator könnte damit die Grundlage für neue modulare und personalisierte Pharmaka-Systeme bilden, die durch einfaches Austauschen der chemischen Teilstrukturen auf verschiedene Bereiche für Bildgebung und Therapie ausgerichtet werden können.

Publikation:

P. Cieslik, M. Kubeil, K. Zarschler, M. Ullrich, F. Brandt, K. Anger, H. Wadepohl, K. Kopka, M. Bachmann, J. Pietzsch, H. Stephan, P. Comba, Toward Personalized Medicine: One Chelator for Imaging and Therapy with Lutetium-177 and Actinium-225,Journal of the American Chemical Society, 2022 (https://doi.org/…)

Die Ziele des Klimaschutzes und die Versorgungsengpässe im Rohstoffbereich machen auch vor der Automobilindustrie nicht halt. Um Fahrzeuge, Verkehr und Mobilität fit für die Zukunft zu machen, hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) das Förderprogramm „Neue Fahrzeug- und Systemtechnologien“ aufgesetzt. Bis Ende 2025 sollen neue Technologien entwickelt sowie prototypisch erprobt und damit langfristig die Innovationskraft und Zukunftsfähigkeit der deutschen Industrie gestärkt werden. Michael Kellner, Parlamentarischer Staatssekretär beim BMWK, betont: „Die erfolgreiche Transformation der Fahrzeughersteller und Zulieferer ist zentral für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Eine stärkere Kreislaufwirtschaft, die Ressourcen schont und wiederverwertet, ist ein wichtiger Schritt hin zur Klimaneutralität und sichert gleichzeitig Lieferketten ab. Innovationsvorhaben in diesem Bereich sind daher von großer Bedeutung. Die Förderung durch das Bundeswirtschaftsministerium trägt dazu bei, die Abhängigkeit der Automobilindustrie von Rohstoffimporten zu reduzieren und die Versorgung der Wirtschaft mit Rohstoffen langfristig sicherzustellen, um die industrielle Wertschöpfung zu stärken“.

Car2Car – Kreislauffähige, nachhaltige Fahrzeugverwertungskonzepte

Im Projekt Car2Car des BMWK-Förderprogramms kommen Expert*innen aus Automobilindustrie, Wissenschaft und Recyclingindustrie zusammen, um für die wichtigsten Werkstoffgruppen im Automobil (Stahl, Aluminium, Glas, Kunststoff und Kupfer) automatisierte Demontagekonzepte zu entwickeln sowie eine sortenreine Trennung und Aufbereitung dieser Sekundärrohstoffe voran zu bringen. Dafür wird die gesamte Prozesskette vom Fahrzeugteil bis zur Wiederverwendung in einem Großversuch mit 500 Altfahrzeugen, bereitgestellt vom Projektleiter BMW AG, erarbeitet und demonstriert. Die einzelnen Projektpartner entwickeln die Prozessschritte anhand ihrer jeweiligen Expertisen weiter und bauen zusammen einen Gesamtkreislauf auf, der die vollständige Analyse von Stoffstrommodellen ermöglicht. Weiterhin sollen ökologische und ökonomische Evaluationen die industrielle Skalierbarkeit, eine effektive Treibhausgasreduktion sowie die wirtschaftliche Tragfähigkeit sicherstellen.

Mit Künstlicher Intelligenz zu einer effizienten Kreislaufwirtschaft

Der Einsatz digitaler Technologien und Künstlicher Intelligenz (KI) kann bisher manuell ausgeführte Verwertungsabläufe in zunehmendem Maße automatisieren und beschleunigen. So lässt sich der Demontageprozess etwa durch Roboter-Technologie teil- oder sogar hochautomatisieren. Die Integration von Systemen zur optischen sowie KI-unterstützten Erkennung und Sortierung von Wertstoffen im Post-Schredder-Prozess ermöglicht es, die Qualität und Reinheit der Materialien Aluminium, Stahl, Glas, Kupfer und Kunststoff signifikant zu steigern. Die während des Aufbereitungsprozesses entnommenen Proben und gewonnenen Materialcharakterisierungen bilden eine Datenbasis für die technologisch-ökonomische Bewertung, aber auch für die Bilanzierung der Stoffströme.

Das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) am HZDR forscht seit einigen Jahren zu sensorbasierten Identifikations- und Detektionsverfahren. Während der Schredderkampagne der 500 Altfahrzeuge wird diese Sensortechnik auf Basis von laserinduzierter Plasma-Spektroskopie (LIPS) in Kombination mit weiteren Sensoren für Aluminium- und Eisen-Legierungen zum Einsatz kommen und unterschiedliche Zusammensetzungen identifizieren. Angewendet an einer klein- bzw. halbtechnischen Pilotanlage, die am HIF installiert ist, wird die LIPS-Sensortechnik die Stoffgemische untersuchen und die Trennbarkeit quantifizieren. Derzeit sind Verwertungsprozesse mit einem hohen manuellen Arbeitsaufwand sowie mit Einbußen bei der Materialreinheit verbunden und daher nur für die wenigsten Fahrzeugkomponenten wirtschaftlich attraktiv. Sensorik und KI automatisieren und beschleunigen diese Prozesse. Von den Untersuchungsergebnissen erhoffen sich die Wissenschaftler*innen auch Anwendungsmöglichkeiten für Polymer-Mischungen zu erlangen. „Metalle und Kunststoffe kommen in Altprodukten oft eng miteinander verbunden vor. Daher wollen wir die Sensorik so weiter entwickeln, dass sie Metalle und Polymere zum einen voneinander unterscheiden und schließlich die Materialien identifizieren und detektieren kann. Das wäre für die Wiederverwendung der in Altfahrzeugen enthaltenen Rohstoffe von wesentlicher Bedeutung“, erläutert Dr. Margret Fuchs, Wissenschaftlerin im Bereich Lumineszenz-Spektroskopie am HIF.

Die aus dem Großversuch gewonnenen Daten und Erkenntnisse sollen die angewendeten Technologien verbessern und zukünftig auch auf andere Stoffgemische angewendet werden können. Maßgeblich fassen die Forschenden für die weiteren Untersuchungen niederlegierte Stähle, Aluminium, Polymere sowie Kupfer-Stahl-Verbunde ins Auge. Diese Erweiterung und Integration neuer technologischer Ansätze für die mechanische und physikalische Aufbereitung ermöglicht einen weiteren Schritt hin zu einer effizienten Kreislaufwirtschaft.

Das Förderprojekt Car2Car setzt sich aus den folgenden Verbundpartnern zusammen:

• BMW AG
• TU Bergakademie Freiberg (Institut MVTAT, Institut IEST, Institut IGT)
• Helmholtz Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
• Technische Universität München (Professur Circular Economy, Lehrstuhl fml, Institut iwb)
• Scholz Recycling GmbH
• STEINERT UniSort GmbH
• thyssenkrupp Steel Europe AG
• Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH
• Aurubis AG
• Novelis Deutschland GmbH
• OETINGER Aluminium GmbH
• Pilkington Automotive Deutschland GmbH

Ein Plasmaofen ist ein Schmelzofen mit Plasmabrenner. Das Plasmagas erzeugt eine Ofenatmosphäre mit günstigen thermischen Bedingungen, insbesondere für das Schmelzen und Umschmelzen von Eisen, Stahl und Nichteisenmetallen mit einem hohen Reinheitsgrad. Das HIF erhält einen Doppelelektroden-Plasmaofen (TEPF), der auf einer bewährten, patentierten Technologie basiert, die speziell auf Vielseitigkeit und Robustheit ausgelegt ist. Die Konstruktion bietet dem HIF die nötige Flexibilität, um eine von drei Betriebsarten für seine Forschungs- und Versuchsarbeiten zur Reduktion, Raffination und Valorisierung insbesondere von Schlacken aus metallurgischen Prozessen zu ermöglichen. Der Plasmaofen wird im Laufe des Jahres 2023 von Tetronics geliefert, installiert und in Betrieb genommen. Das britische Unternehmen ist ein weltweit führender Anbieter von Plasmalichtbogensystemen, die sich auf die Dekarbonisierung anspruchsvoller industrieller Prozesse konzentrieren, und liefert seine eigene Plasmaofentechnologie. Diese bildet die Grundlage für die Forschungsarbeiten des HIF zur Reduzierung, Veredelung und Aufwertung von metallurgischen Abfallprodukten sowie zur Behandlung von Primärerzen und Konzentraten. Tetronics wird für den Entwurf und die Herstellung des Plasmaofensystems, die Überwachung der Installation und Inbetriebnahme sowie für die Einweisung und Schulung der Bediener verantwortlich sein.

Plasmatechnologie bereichert Rohstoffforschungslandschaft

„Diese auf Plasmatechnologie basierende Anlage und die maßgeschneiderten Versuchsmöglichkeiten werden sie zu einer einzigartigen Einrichtung in der europäischen Rohstoffforschungslandschaft machen. Angesichts der dringenden Herausforderungen bei der Umsetzung der Kreislaufwirtschaft und der Eindämmung der Klimaauswirkungen sowie der Verantwortung für Technologieentwicklungen und -einführungen, die erforderlich sind, um die ehrgeizigen Ziele des europäischen Gesetzes über kritische Rohstoffe zu erreichen, wird sie ein starkes Instrument für unsere eigenen Forscher und Partner sein", ordnet Prof. Dr. Jens Gutzmer, Direktor des HIF am HZDR, die neue Forschungseinrichtung ein. Dr. Ajay Patil, Leiter der Abteilung Prozessmetallurgie am HIF, betont, dass "der Plasmaofen für die Entwicklung neuer kritischer Rohstofftechnologien und die Optimierung bestehender Technologien, die mit Kosten- und Umweltbelastungen zu kämpfen haben, genutzt werden wird, wobei die Expertise des HIF in der Hydro- und Pyrometallurgie zum Einsatz kommt".

Graeme Rumbol, Geschäftsführer von Tetronics, sagt: "Wir freuen uns sehr, von einer so hoch angesehenen Forschungseinrichtung wie dem HZDR ausgewählt worden zu sein. Im Zuge der weltweiten Umstellung von Produkten und Prozessen, die durch zentralisierte fossile Brennstoffe angetrieben werden, auf sauberere Quellen, die vor Ort produziert und gelagert werden, steigt die Nachfrage nach kritischen Mineralien exponentiell an. Wir sind besonders stolz darauf, mit führenden Forscher*innen am HZDR und anderen globalen Institutionen zusammenzuarbeiten, um das Verständnis, die Verfügbarkeit und die Nachhaltigkeit neuer metallurgischer Lösungen für drängende Umweltprobleme zu verbessern."

Über Tetronics:

Tetronics ist das erfahrenste Plasmaunternehmen der Welt. Es stützt sich auf fünf Jahrzehnte Forschung und Entwicklung, 127 erteilte und angemeldete Patente und mehr als 20 Jahre operative Erfahrung an über 97 globalen Referenzstandorten. Die meisten dieser bestehenden Anwendungen betreffen die Rückgewinnung von Ressourcen und die Behandlung von gefährlichen Stoffen aus schwierigen Abfallströmen, einschließlich Automobil- und Industriekatalysatoren. Darüber hinaus wird die Technologie des Unternehmens bei der Dekarbonisierung von wärmeintensiven Herstellungsprozessen wie Stahl, Glas und Zement eingesetzt.

Nebennieren-Tumore wie das Phäochromozytom sind selten. Sie entstehen aus neuroendokrinen Zellen, die häufig auch Stresshormone produzieren. Typisch für einen Großteil solcher Tumore ist, dass ihre Zelloberflächen mit einer eindeutigen Zielstruktur – einem Rezeptor für das Hormon Somatostatin – gespickt sind. Das eröffnet den Fachleuten einen Weg, die erkrankten Zellen zu bekämpfen. Radioaktiv markierte Moleküle, sogenannte Radionuklid-Therapeutika, docken an den Rezeptoren an und bringen die Zellen durch die abgegebene Strahlung zum Absterben. Das umgebende gesunde Gewebe wird geschont.

Seltene Erkrankungen sind aufgrund kleiner Fallzahlen und entsprechend niedriger Gewinnerwartungen für die Pharmabranche kaum attraktiv. „Wir sehen hier die öffentlich geförderte Forschung in der Pflicht“, sagt Prof. Jens Pietzsch, Abteilungsleiter im HZDR-Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung. „Beim Phäochromozytom etwa wissen wir, dass sich das Wachstum mit einem geeigneten Radionuklid-Therapeutikum stoppen lässt. Und das umso nachhaltiger, je mehr Somatostatin-Typ-2-Rezeptoren die Tumorzellen produzieren. In unseren Experimenten konnten wir die Strahlendosis im Tumor verdoppeln“, beschreibt der Biologe ein wichtiges Ergebnis der kürzlich im Fachmagazin „Theranostics“ veröffentlichten Studie. Darüber hinaus haben die Dresdner Forscher*innen Gene identifiziert, die für das spätere Wiederanwachsen von Tumoren verantwortlich sein könnten. Ein wichtiger Schritt, um in Zukunft weitere Wirkstoffe für die Behandlung neuroendokriner Tumore zu entwickeln.

Patient*innen mit einem bösartigen Phäochromozytom könnten vom Einsatz des Radionuklid-Therapeutikums Lutetium-177-DOTATATE profitieren. Der Betastrahler Lutetium-177 setzt beim Zerfall Elektronen frei, die zum Zelltod führen. Bei diesem Prozess entsteht aber auch Energie in Form von Gammastrahlung, die mit dem Verfahren der Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie – abgekürzt SPECT von Single Photon Emission Computed Tomography – sichtbar gemacht werden kann. Nuklearmediziner*innen ermitteln aus den Bilddaten die im Tumor deponierte Strahlendosis. Je mehr sie über die individuellen Eigenschaften des Tumors, über seinen molekularen Fingerabdruck, wissen, umso höher ist die Chance einer wirksamen Therapie.

Die Individualität eines Tumors

Bevor ein inoperables Phäochromozytom behandelt wird, klärt deshalb eine genaue Diagnostik, ob eine ausreichende Menge an Rezeptoren für die Radionuklid-Therapie – auch Endoradiotherapie genannt – vorhanden ist. „Die Bildung des Somatostatin-Typ-2-Rezeptors ist bei diesen Tumoren sehr unterschiedlich. Manche produzieren ihn verstärkt, andere gar nicht. Unser Ziel war es, mithilfe zugelassener Arzneimittel die Anzahl der Rezeptoren im Vorfeld einer Endoradiotherapie zu erhöhen, damit in Zukunft mehr Patienten von der Behandlung profitieren können. Dank der Zulassung ist der Weg in die Klinik kurz“, erläutert Dr. Martin Ullrich, Biologe im Team von Jens Pietzsch.

Die Forscher wählten für die Vortherapie zwei Wirkstoffe aus: Valproinsäure und Decitabin. Valproinsäure wird vorrangig zur Behandlung von Epilepsie und Krampfanfällen eingesetzt, Decitabin ist indiziert zur Behandlung bestimmter Leukämien. Aus Zellversuchen war jedoch bekannt, dass beide Wirkstoffe auch die Produktion von Somatostatin-Rezeptoren ankurbeln können. Da sie die Erbinformationen auf der DNA nicht direkt verändern, sondern lediglich das Ablesen von Genen erleichtern, werden sie zu den sogenannten epigenetischen Wirkstoffen gezählt.

Um herauszufinden, ob die beiden Arzneimittel beim Phäochromozytom die erhoffte Wirkung erzielen, fanden zunächst Versuche mit Zellmaterial (in vitro) und aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse schließlich auch im Mausmodell statt. „Es waren unabhängige Versuche mit mehrarmigen Behandlungsregimes. Alle Untersuchungen wurden mehrfach wiederholt, mal mit einem Wirkstoff, mal mit beiden. Und natürlich mit unbehandelten Kontrollgruppen zum Vergleich“, erzählt Ullrich.

Das Ergebnis: Bei zweimaliger Gabe der epigenetischen Medikamente Valproinsäure und Decitabin wenige Tage vor der Endoradiotherapie verdoppelte sich die Anreicherung des Radionuklid-Therapeutikums Lutetium-177-DOTATATE – und somit auch die zielgenau deponierte Strahlendosis – im Tumor. Gemessen hat Ullrich dies mit der von ihm selbst für Mausmodelle ertüchtigten Kleintier-SPECT-Kamera am HZDR. Die Kombinationstherapie hält den Tumor demnach deutlich länger unter Kontrolle als dies bisher allein mit dem Radionuklid-Therapeutikum möglich war. Bevor die Kombination jedoch an Patient*innen eingesetzt werden kann, sind weitere präklinische Untersuchungen notwendig.

Wiederanwachsen des Tumors

Tumore entwickeln Resistenzen gegen die Effekte einer Bestrahlung, indem sie bestimmte Gene ein- oder abschalten. Das heißt, sie fangen auch nach einer Endoradiotherapie ab einem gewissen Zeitpunkt oft wieder an zu wachsen. Auf der Suche nach Strategien, mit denen sich diese Therapieresistenzen zukünftig weiter eindämmen lassen, schickten die HZDR-Forscher Gewebeproben der bestrahlten Tumore an Dr. Susan Richter vom Universitätsklinikum Dresden zur genetischen Analyse, die gemeinsam mit dem NCT/UCC (Nationales Centrum für Tumorerkrankungen Dresden) durchgeführt wurde. Zurück kamen Listen mit über 55.000 Genen, sogenannte Transkriptome, die Ullrich durch aufwendige Datenanalysen und Recherchen auf eine überschaubare Liste reduzieren konnte. Sein Resümee: „Unter den Genen, die sich während der Endoradiotherapie wesentlich verändert haben, befinden sich einige Kandidaten, die als Zielmoleküle für radiosensibilisierende Kombinationstherapien infrage kommen.“

„Mit diesen brandneuen Daten wird’s jetzt richtig spannend“, freut sich Abteilungsleiter Pietzsch. „Wir betreten Neuland. Nun brauchen wir noch ein glückliches Händchen, um das richtige Gen herauszufischen.“ Der Plan: Mit dem Gen der Wahl in den nächsten Jahren erneut einen Experimentierzyklus zu absolvieren. „Dann könnte nach der Kombinationstherapie aus epigenetischen Medikamenten und Radionuklid-Therapeutikum, die hoffentlich bald in die Klinik überführt werden kann, ein weiterer Behandlungsschritt stehen: Wirkstoffe, welche die für das Wiederanwachsen des Tumors zuständigen Resistenz-Gene ausschalten“, blickt Pietzsch vorsichtig in die Zukunft. Außerdem erhoffen sich die Forscher, dass es dann vielleicht nicht nur beim seltenen Phäochromozytom, sondern auch bei anderen neuroendokrinen Tumoren gelingt, deren Strahlenresistenz zu überwinden.

Die Dresdner Forscher*innen werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 205 „The Adrenal: Central Relay in Health and Disease“ (Die Nebenniere: zentrales Relais für Gesundheit und Krankheit) gefördert, an dem Wissenschaftler*innen der Universität Würzburg, der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie der Hochschulmedizin und des Universitätsklinikums Dresden beteiligt sind – und das bereits in der zweiten Förderperiode.

Publikationen:

M. Ullrich, S. Richter, J. Liers, S. Drukewitz, M. Friedemann, J. Kotzerke, C. G. Ziegler, S. Nölting, K. Kopka, J. Pietzsch: „Epigenetic drugs in somatostatin type 2 receptor radionuclide theranostics and radiation transcriptomics in mouse pheochromocytoma models“. Theranostics, 2023 (DOI: 10.7150/thno.77918)

Link: https://www.thno.org/v13p0278.htm

S. Nölting, M. Ullrich, J. Pietzsch, C. G. Ziegler, G. Eisenhofer, A. Grossman, K. Pacak: „Current Management of Pheochromocytoma/Paraganglioma: A Guide for the Practicing Clinician in the Era of Precision Medicine”. Cancers, 2019 (DOI: 10.3390/cancers11101505)

Link: https://www.mdpi.com/2072-6694/11/10/1505

Elektronen, Protonen und Neutronen sind Fermi-Teilchen, benannt nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi. Sie bilden die Materie der Welt um uns herum. Das quantenmechanische Verhalten der Fermi-Teilchen bestimmt maßgeblich die physikalischen und chemischen Eigenschaften der meisten Materialien. Um diese Eigenschaften ohne empirische Näherungen berechnen zu können, müssen die jeweiligen Beiträge aller Fermi-Teilchen innerhalb eines Materials addiert werden. Jedes dieser Teilchen kann sowohl positive als auch negative Beiträge zur Berechnung beitragen, wobei sich diese auch gegenseitig aufheben können.

Mit jedem Teilchen sind exponentiell mehr Kombinationen dieser „vorzeichenbehafteten“ Beiträge für eine genaue Berechnung erforderlich. Die von Tobias Dornheim vorgelegten Monte-Carlo-Berechnungen entsprechen dem aktuellen Stand der Forschung. Sie nähern sich dem genauen Ergebnis, indem sie zufällig die meisten, aber nicht alle Beiträge berücksichtigen (sog. Monte-Carlo-Sampling-Methode). Bislang können diese Berechnungen nur auf den weltweit leistungsstärksten Supercomputern und nur für wenige Fermi-Teilchen durchgeführt werden, da die Rechenzeit mit jedem weiteren Teilchen exponentiell ansteigt. Um das Fermionische Vorzeichenproblem zu lösen, ist eine Abkehr vom exponentiellen Anstieg der benötigten Rechenleistung dringend erforderlich.

Tobias Dornheim hat in der Vergangenheit bereits mehrfach bewiesen, dass er in der Lage ist, Quantenprobleme geschickt zu lösen. So war er beispielsweise Teil des Forscherteams, das mit dem John Dawson Award for Excellence in Plasma Physics Research 2021 der American Physical Society ausgezeichnet wurde. Der Preis wurde für die elegante Kombination verschiedener, sich ergänzender Simulationsmethoden verliehen, die das kollektive Verhalten von Vielelektronensystemen mit bislang unerreichter Genauigkeit vorhersagen.

Einführung moderner Methoden des maschinellen Lernens

Nach etlichen schrittweisen Verbesserungen plant Dornheim mit PREXTREME nun den großen Wurf. Sein Ansatz basiert auf sogenannten Pfadintegral-Monte-Carlo (PIMC)-Methoden und seine zentrale Idee ist eine entscheidende Verbesserung der PIMC-Simulationen von Fermionen. „Im Rahmen des bewilligten ERC-Projekts werde ich besonders gut geeignete PIMC-Methoden mit modernen ML-Algorithmen kombinieren“, erklärt Dornheim. „Das Resultat werden PIMC-Simulationen ohne den exponentiellen Anstieg von Rechenzeit sowie ohne Anwendung unkontrollierter Näherungen sein. Im Ergebnis erhoffe ich mir, dass Fachleute verschiedenster Wissenschaftsgebiete – nicht nur aus der warmen dichten Materieforschung – damit Antworten auf Fragestellungen finden können, die aufgrund des Fermionischen Vorzeichenproblems bisher unbeantwortet geblieben sind.“

Die Forschung im Bereich der warmen dichten Materie (WDM) basiert auf Untersuchungen von Materie unter sehr hohen Temperatur- oder Druckbedingungen, wie sie fast überall im Universum anzutreffen sind. Auf der Erdoberfläche kommen derartige Umgebungsbedingungen indes nicht vor. In der Regel stehen astrophysikalische Objekte innerhalb unseres Sonnensystems, wie etwa die Riesenplaneten Jupiter und Saturn sowie Exoplaneten und braune Zwerge außerhalb unseres Sonnensystems im Mittelpunkt der WDM-Forschung. Neben der Gewinnung grundlegender Erkenntnisse im Bereich der Astrophysik hat diese Forschung auch große Bedeutung für technologische Anwendungen wie für die Kernfusion und für die Entwicklung dringend benötigter neuer Materialien, beispielsweise Nanodiamanten.

Wissenschaftliche Exzellenz in Görlitz

Tobias Dornheim ist seit 2019 als Postdoc am CASUS in Görlitz tätig. Seit Anfang 2022 baut er dort seine eigene Nachwuchsgruppe „Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory (Grenzbereiche der rechnergestützten Quanten-Vielteilchentheorie)“ auf. Laut Dr. Michael Bussmann, Gründungsbeauftragter des CASUS, ist der Erfolg hochverdient: „Ich gratuliere Tobias und freue mich sehr für ihn. Die Auszeichnung durch den Europäischen Forschungsrat würdigt seine bisherigen Leistungen und seine wissenschaftliche Vision für die kommenden Jahre. Sie zeigt auch, dass es uns am CASUS gelungen ist, in kurzer Zeit exzellente Talente nach Görlitz zu holen, die an der Spitze der internationalen Forschung stehen. Für mich ist dieser Erfolg eine Bestätigung dafür, dass der von uns eingeschlagene Weg der Exzellenz, Interdisziplinarität und Offenheit richtig ist.“

„Seit Anfang des Jahres ist das CASUS ein Institut des HZDR“, merkt Prof. Sebastian M. Schmidt, Wissenschaftlicher Direktor des HZDR, an. „Diese Anerkennung ist ein klarer Hinweis darauf, dass digitale Methoden und Werkzeuge in allen klassischen Forschungsbereichen von der Physik bis zur Medizin unverzichtbar werden. Ich freue mich daher sehr, dass wir mit dem CASUS ein erstklassiges Institut am HZDR haben, das an der Spitze der fortschreitenden Digitalisierung der Wissenschaft arbeitet.“

Seit seiner Gründung im Jahr 2007 hat sich der ERC als eine der wichtigsten europäischen Förderorganisationen etabliert. Das Programm „ERC Starting Grants“ ist eine sehr wettbewerbsorientierte Förderlinie mit einer Bewilligungsquote von etwa 14 Prozent im Jahr 2022. Für Nachwuchswissenschaftler*innen ist ein ERC Starting Grant wohl der größte Erfolg, der erzielt werden kann. In diesem Jahr hat der ERC beschlossen, 408 Forschungsanträge zu finanzieren und damit insgesamt 636 Millionen Euro für ehrgeizige junge Forschungskräfte aus so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin, Wirtschaft oder Ingenieurwesen zur Verfügung zu stellen. Einschließlich Dornheims Förderung haben HZDR-Wissenschaftler*innen bisher sechs ERC-Anerkennungen erhalten – darunter drei ERC Starting Grants. Nach der offiziellen Bekanntgabe der erfolgreichen Anträge durch den ERC Ende November wird derzeit die Finanzhilfevereinbarung vorbereitet, um den Weg für den Projektstart am 1. März 2023 zu ebnen.

Das CASUS wurde 2019 in Görlitz gegründet und betreibt digitale interdisziplinäre Systemforschung in unterschiedlichen Bereichen wie Erdsystemforschung, Systembiologie und Materialforschung. Innovative Forschungsmethoden aus Mathematik, theoretischer Systemforschung, Simulation, Daten- und Computerwissenschaft werden mit dem Ziel eingesetzt, komplexe Systeme von bisher nie dagewesener Realitätstreue abzubilden und so zur Lösung drängender gesellschaftlicher Fragen beizutragen. Gründungspartner sind das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig (UFZ), das Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden (MPI-CBG), die Technische Universität Dresden (TUD) und die Universität Wroclaw (UWr). Das Zentrum wird aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) sowie des Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) gefördert und wird als ein Institut des HZDR geführt. www.casus.science

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:

• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat sechs Standorte (Dresden, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt fast 1.500 Mitarbeiter*innen – davon etwa 670 Wissenschaftler*innen inklusive 220 Doktorand*innen.