"Εχει ήδη στηθεί μια γέφυρα ανάμεσα στη βασική έρευνα και τις εφαρμογές της" είπε η υπουργός Επιστήμης και Τέχνης του Κρατιδίου της Εσσης (Γερμανία) Christine Hohmann-Dennhardt στα επίσημα εγκαίνια της νέας μονάδας θεραπείας του καρκίνου στο εθνικό εργαστήριο βαρέων ιόντων, GSI, στο Darmstadt, στις 15 Σεπτεμβρίου 1998. Η μονάδα αυτή χρησιμοποιεί ιόντα άνθρακα από το σύγχροτρον  βαρέων ιόντων του GSI, το SIS, για να βομβαρδίσει καρκινικούς όγκους που δεν επιδέχονται εγχείρηση. Οι δυο πρώτοι ασθενείς υποβλήθηκαν σε τέτοια ακτινοβολία που εξάλλειψε τον όγκο, τον Δεκέμβριο του 1997, ενώ επιπλέον εννιά ασθενείς υποβλήθηκαν στη ίδια θεραπεία τον τελευταίο Αύγουστο. 

Ο καρκίνος βρίσκεται δεύτερος, μετά τις ασθένειες του μυοκαρδίου, στον απεχθή κατάλογο των θανατηφόρων ασθενειών. Η χρήση γονιδίων στη θεραπεία του αποτελεί σίγουρα μια μακροπρόθεσμη ελπίδα, αλλά στο άμεσο μέλλον η εγχείρηση, η χημειοθεραπεία και οι ακτινοβολίες αποτελούν τον μόνο τρόπο αντιμετώπισής του. Για την ακρίβεια, η νέα μονάδα ιόντων άνθρακα του GSI προσθέτει άλλο ένα επίτευγμα στο τομέα της ακτινοθεραπείας επιτρέποντας την  επιτυχή και ασφαλή ακτινοβόληση όγκων που βρίσκονται σε ευαίσθητες περιοχές. 

Η ιδέα της χρησιμοποίησης δεσμών σωματιδίων για θεραπεία καρκίνου δεν είναι καινούργια. Για πρώτη φορά το 1946 ο Bob Wilson  συνειδητοποίησε τη δυνατότητα αυτής της τεχνικής όταν παρατήρησε ότι τα πρωτόνια, αντίθετα από τα φωτόνια και τα ηλεκτρόνια, εναποθέτουν το μέγιστο της ενέργειάς τους στο τέλος της διαδρομής τους (στη λεγόμενη κορυφή Bragg). Αυτή ακριβώς η παρατήρηση επέτρεψε την δυνατότητα βομβαρδισμού όγκων που βρίσκονται βαθιά ή δίπλα σε ευπαθή όργανα, αφού η δόση μπορεί να προσαρμοσθεί στο συγκεκριμένο σχήμα του όγκου. 

Οι πρώτες θεραπείες εφαρμόσθηκαν το 1954, όταν ο John Lawrence, αδελφός του Ernest Lawrence (Στμ: που θεωρείται ο "πατέρας" των σύγχρονων επιταχυντικών συστημάτων), χρησιμοποίησε πρωτόνια από το συγχροκύκλοτρο 184 ιντσών του Berkeley. Τρία χρόνια αργότερα, στο ίδιο εργαστήριο, πρωτοχρησιμοποιήθηκαν  για θεραπευτικούς σκοπούς ιόντα ηλίου. Ομως  η πρωτοπορεία αυτή του Berkeley δεν περιορίστηκε στις ΗΠΑ. To 1956, o Cornelius Tobias, φίλος του Lawrence, βρισκόταν στη Σουηδία. Συνεργαζόμενος με τους Lars Leksel και Borje Larsson στην Ουψάλλα βοήθησε στο ξεκίνημα ενός προγράμματος χειρουργικής επέμβασης συνδυασμένης με ακτινοβολία που χρησιμοποιούσε πρωτόνια από το Πανεπιστημιακό κύκλοτρο. 

Πρωτοπορία 

Το κύκλοτρο του εργαστηρίου του Harvard έχει τη μακρύτερη ιστορία χρήσης δεσμών πρωτονίου για θεραπευτικούς σκοπούς. Το κέντρο δέχθηκε τον πρώτο ασθενή το 1961 και η μονάδα θα παραμείνει σε λειτουργία ωσότου όλες οι θεραπείες μεταφερθούν στο Northeast Proton Therapy Centre, το οποίο αναμένεται να δεχθεί τον πρώτο ασθενή το Φεβρουάριο του 1999. Μόνο τότε, αφού θα έχουν περάσει από τη πόρτα του 7000 ασθενείς, το κύκλοτρο του Harvard θα μπορέσει επάξια να "συνταξιοδοτηθεί". 

Η κύρια δυσκολία αυτών των πρωτοπόρων προσπαθειών οφειλότανε στην έλλειψη τεχνικής για τον ακριβή σχεδιασμό της δέσμης. Ακόμα και σήμερα, οι περισσότερες μονάδες χρησιμοποιούν τις λεγόμενες παθητικές μεθόδους, ώστε ο ακτινοβολούμενος χώρος να ταιριάζει με το σχήμα του όγκου, που λαμβάνεται με τομογραφικούς μεθόδους. Η τεχνικήσχεδιασμού της δέσμης όμως δεν διαφέρει από τις αντίστοιχες των συμβατικών ακτίνων φωτονίων. Η μονάδα του GSI, χρησιμοποιώντας τη μαγνητική τομογραφία προσφέρει κατ' αρχήν πια πολύ ακριβή απεικόνηση του όγκου σε δυο διαστάσεις, ενώ ο έλεγχος της ενέργειας του επιταχυντή αντιστοιχεί στη τρίτη διάσταση. Η παραγωγή της δέσμης στηρίζεται σε πρωτοποριακές τεχνικές τριών διαστάσεων λαμβάνοντας  υπόψη τις διαφορετικές βιολογικές αποδόσεις της δέσμης σε κάθε είδος ιστού καθώς και τα λεγόμενα άμεσα και μακροπρόθεσμα αποτελέσματα. Τα άμεσα αποτελέσματα (κυρίως η καταστροφή των καρκινικών κυττάρων) μεγιστοποιούνται, ενώ τα μακροπρόθεσμα αποτελέσματα (επιδράσεις σε υγιείς ιστούς) ελαχιστοποιούνται (βλ. την παραμομπή "γιατί ιόντα άνθρακα") . 

Μετά το Berkeley και το Ιαπωνικό Ιατρικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων, HIMAC, στο Chiba, το GSI αποτελεί το τρίτο κέντρο ιοντικής θεραπείας καρκίνου. Το εργαστήριο μπορεί να μοιάζει νέο στο πεδίο αυτό, αλλά τουλάχιστον δέκα χρόνια εντατικής ερευνητικής δουλειάς επέτρεψαν την ανάπτυξη πρωτοποριακών τεχνικών παραγωγής της δέσμης καθώς και μιας πολύ καλής κατανόησης των βιολογικών επιπτώσεων από το βομβαρδισμό με δέσμες σωματιδίων. Οταν το 1975 ξεκίνησε η λειτουργία του πρώτου επιταχυντή στο GSI, τα βιολογικά πειράματα ακτινοβόλησης ήταν από τα πρώτα που πραγματοποιήθηκαν. Αρχικό σκοπό του αποτελούσε η έρευνα των βιολογικών επιπτώσεων από την κοσμική ακτινοβολία κατά τη διάρκεια διαστημικών ταξιδιών, αλλά τα αποτελέσματα διοχετεύθηκαν στο πρόγραμα σύγχρονης θεραπείας. Αυτό που κυρίως δείχθηκε είναι ότι η μικροσκοπική δομή της διαδικασίας εναπόθεσης της ενέργειας είναι κατά πολύ σημαντικότερη, στον προσδιορισμό των βιολογικών επιπτώσεων, από τη διαφορετικότητα των βιολογικών συστημάτων. 

Το ενεργό σύστημα σάρωσης του GSI δουλεύει σχεδόν όπως και η τηλεόραση, όπου η εικόνα φτιάχνεται με γραμμές που με τη σειρά τους αποτελούνται από κουκίδες. Παρόλο που η τεχνική είναι ίδια, η ακτίνα του GSI δεν φτιάχνει επίπεδα σχήματα αλλά "σχεδιάζει" ακανόνιστους τρισδιάστατους όγκους. Ο όγκος σχεδιάζεται και χωρίζεται σε κουκίδες, στις τρεις διαστάσεις. Κατόπιν υπολογίζεται ο αναγκαίος αριθμός σωματιδίων της δέσμης για κάθε κουκίδα και τελικά κάθε κουκίδα του όγκου βομβαρδίζεται μέχρις ότου η δέσμη εναποθέσει τον προϋπολογισμένο αριθμό σωματιδίων. Πρώτα βομβαρδίζονται τα βαθύτερα επίπεδα του όγκου και σταδιακά , μέσω του επιταχυντή, η ενέργεια της δέσμης μειώνεται έτσι ώστε η "κορυφή Bragg" να εναρμονιστεί με τα μπροστινά επίπεδα του όγκου. Αυτή η τεχνική απαιτεί εκπληκτικά αξιόπιστο έλεγχο του επιταχυντή ώστε να επιτυγχάνεται μια ακρίβεια καλύτερη από χιλιοστό του μέτρου. Η ενέργεια και η ισχύς της δέσμης αλλάζουν από παλμό σε παλμό, που για το GSI σημαίνει κάθε δευτερόλεπτο. Για τον έλεγχο της συνολικής ακρίβειας υπάρχει ένα ανεξάρτητο σύστημα παρακολούθησης της θέσης της δέσμης κάθε 100 μικροδευτερόλεπτα  και της ισχύος της δέσμης κάθε 10 μικροδευτερόλεπτα. Αν παρουσιαστεί απόκλιση από τον προγραμματισμό μεγαλύτερη του 2%, η δέσμη διακόπτεται σε μισό χιλιοστό του δευτερολέπτου.Οι απαιτήσεις λειτουργίας που επιβάλλονται στον επιταχυντή είναι πράγματι σημαντικά μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες της κανονικής λειτουργίας του, αλλά ο επιταχυντής φαίνεται να ανταποκρίνεται. Ο αριθμός των διακοπών της δέσμης από το σύστημα ελέγχου είναι ελάχιστος κάθε ημέρα όταν στο διάστημα αυτό βομβαρδίζονται δεκάδες χιλιάδες κουκίδες. 

Η μονάδα του GSI θα χρησιμοποιηθεί σε ένα πιλοτικό πρόγραμμα θεραπείας αρκετών εκατοντάδων ασθενών σε μια περίοδο πέντε ετών. Μια τυπική θεραπεία περιλαμβάνει είκοσι ημίωρες ακτινοβολήσεις επί είκοσι συνεχείς ημέρες. Για την διάρκεια της ακτινοβόλησης, ο ασθενής ακινητοποιείται σε θεραπευτικό κρεβάτι. Η θεραπεία χρησιμοποιείται κυρίως για εγκεφαλικούς και αυχενικούς όγκους όπου μπορεί να επιτευχθεί ικανή ακινησία. Το κεφάλι του ασθενούς ακινητοποιείται, με ακρίβεια χιλιοστού του μέτρου, χρησιμοποιώντας μια μάσκα και ολόκληρη η θέση ελέγχεται με ακτίνα Χ πρίν από κάθε ακτινοβόληση. 

Η άνεση και η ασφάλεια του ασθενούς έχει ληφθεί σοβαρά υπόψη. Κατά τη διάρκεια της ακτινοβόλησης ο ασθενής μπορεί να ειδοποιήσει για οποιαδήποτε δυσφορία αισθανθεί. Ακόμα και στην περίπτωση συνολικής έλλειψης ελέγχου των μαγνητών που καθοδηγούν τη δέσμη, δεν εμφανίζεται κανένας κίνδυνος  για τον ασθενή διότι η, μη ελεγχόμενη πλέον, δέσμη περνά πάνω από το κεφάλι του ασθενούς. 

Μ' αυτή τη νέα προσέγγιση της χρήσης σωματιδίων στη θεραπεία, η μονάδα του GSI προστίθεται στον ολοένα  αυξανόμενο κατάλογο των θεραπευτικών κέντρων που χρησιμοποιούν πρωτόνια και ιόντα. Τέτοια κέντρα υπάρχουν στον Καναδά, στη Γαλλία, στη Γερμανία, στην Ιαπωνία, στη Ρωσσία, στη Νότιο Αφρική, στη Σουηδία, στην Ελβετία, στην Αγγλία και στις ΗΠΑ. Εως σήμερα, τουλάχιστον 25000 ασθενείς έχουν δεχθεί θεραπεία με πρωτόνια ή ιόντα ενώ τα σχετικά μηχανήματα βρίσκονται εύκολα στην αγορά. Το ερευνητικό πρόγραμμα ιατρικών μηχανημάτων με πρωτόνια και ιόντα, PIMMS, στο CERN (το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων), προσπαθεί να βελτιώσει  τη σχεδίαση συγχρότρων με κύρια αποστολή τη θεραπευτική. Ηδη, το πρόγραμμα αυτό έχει βελτιώσει την σταθερότητα παραγωγής της δέσμης σε μηχανήματα που λειτουργούν. Το  PIMMS υποστηρίζεται από το Ιταλικό Ιδρυμα TERA, το Αυστριακό  MED-Austron, το GSI και το CERN. Ο  Ugo Amaldi, φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων, βρίσκεται πίσω από όλη αυτή τη προσπάθεια και πρωτοστατεί στο συντονισμό της έρευνας στο πεδίο αυτό, σε  πανευρωπαϊκό επίπεδο. 

Στα εγκαίνια του GSI παρεβρέθηκαν ο Ομοσπονδιακός Υπουργός Εκπαίδευσης, Επιστήμης, Ερευνας και Τεχνολογίας Juergen Ruettgers ενώ η τελετή ξεκίνησε με την ομιλία του Επιστημονικού Διευθυντή του GSI,  Hans-J Specht. Από τη πλευρά του GSI, ο Gerhard Kraft παρουσίασσε τα τεχνικά χαρακτηριστικά ολόκληρου του προγράμματος ενώ ο  Juergen Debus της Πανεπιστημιακής Ραδιολογικής Κλινικής του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης, DKFZ, περιέγραψε τα κλινικά στοιχεία. Ταυτόχρονα με τα εγκαίνια προτάθηκε η δημιουργία αντίστοιχης μονάδας στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης. Η οικονομική κάλυψη θα προέλθει κατά ένα μέρος από το Γερμανικό κράτος, καθώς και από βιομηχανίες που αναμένεται να επωφεληθούν από την τεχνολογική αυτή εξέλιξη και τέλος από τραπεζικά δάνεια. Το κόστος κάθε θεραπείας υπολογίζεται σε 40 000 γερμανικά μάρκα. 

Σήμερα, 40% των ασθενών που προσβάλλονται από καρκίνο θεραπεύονται, αλλά παρ' όλα αυτά 20% των περιπτώσεων δεν μπορούν να χειρουργηθούν ούτε η συμβατική χρήση ακτινοβολίας μπορεί να βοηθήσει. Κι αυτό ακόμα στις περιπτώσεις που η αρχική διάγνωση διαπιστώνει έναν συγκεντρωμένο όγκο. Ακριβώς, το GSI προστίθεται στην κοινότητα των μονάδων θεραπείας με πρωτόνια και ιόντα, δίνοντας νέες ελπίδες σ' αυτούς τους ασθενείς.