Zyklotron

Das Bedienpanel des Zyklotrons am VU University Medical Center in Amsterdam. Bleiplatten und Bleiglasscheiben umschließen den Beschleuniger, in dem die mediengetrennten Magnetventile ihren Beitrag zur onkologischen Forschung leisten. Bild: Bürkert

Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) dient der Visualisierung und Charakterisierung biologischer Prozesse im lebenden Organismus. Das komplizierte und teure Verfahren hat einen ernsten Hintergrund: die präzise Diagnose von Krebserkrankungen. Dazu werden Funktionsstörungen oder pathologische Veränderungen mittels krankheitsspezifischer, radioaktiv markierter Substanzen, den PET-Tracern, sichtbar gemacht.

Magnetventile

Seit rund zehn Jahren setzt das Forschungszentrum VUmc die Magnetventile von Bürkert für die Medizintechnik ein. Bild: Bürkert

Magnetventile Typ127

Magnetventile vom Typ 127 verrichten im Zyklotron ihren Dienst bei der Dosierung kleinster Volumina. Bild: Bürkert

Somit können chirurgische Eingriffe mithilfe der molekularen Bildgebung leichter geplant werden, da der Arzt die genaue Position des Tumors im Körper identifizieren kann. Es können gute und böse Tumore voneinander unterschieden, Metastasen lokalisiert und Behandlungserfolge überprüft werden.

Da die radioaktiven PET-Tracer nur geringe Halbwertszeiten haben, müssen sie möglichst am Ort der Verwendung erzeugt werden. Eine Grundvoraussetzung dafür ist bis ins Detail zuverlässige Technik. Zur Erzeugung der Tracer Substanzen benötigen Forschungseinrichtungen wie das VUmc in Amsterdam ein eigenes Zyklotron, in dem die radioaktiven Substanzen erzeugt werden.

Ein Zyklotron ist ein Kreisbeschleuniger, der aus zwei D-förmigen Kammern besteht. Zwischen diesen Kammern liegt eine wechselnde Beschleunigungsspannung an, die von elektrisch geladenen Teilchen immer wieder durchlaufen wird und diese mit jedem Umlauf weiter beschleunigt. Die Teilchen werden dafür von einem Magnetfeld auf eine Spiralbahn gezwungen.

Bei der Erzeugung von PET-Tracern werden zum Teil Radioaktivitäten von über 100 Gigabequerel eingesetzt. Deshalb muss die gesamte Synthese automatisiert in streng mit Blei und Bleiglas abgeschirmten Isolatoren stattfinden. Im VUmc werden Isotope und Tracer mit einer relativ kurzen Halbwertszeit von weniger als 20 Minuten eingesetzt. Daher ist die Zeit ein wichtiger Faktor im Labor, damit genügend Material für die anschließende Untersuchung zur Verfügung steht. Genutzt werden die Tracer am VUmc nur für Diagnosen im Rahmen der dortigen Krebsforschung.

Umgang mit hochaktiven Substanzen

Die Analyse und Aufbereitung der erzeugten Moleküle erfolgt in einem komplexen Laborprozessautomaten, der in einem gemäß GMP (Good Manufacturing Practice) betriebenen, sogenannten hot lab, steht. In einem solchen Labor werden die chemischen und physikochemischen Eigenschaften bestrahlter Kernbrennstoffe untersucht. Der Umgang mit radioaktiven Arzneimitteln oder das Arbeiten mit offenen radioaktiven Stoffen muss in nuklearmedizinischen Einrichtungen in einem speziell ausgelegten Heißlabor erfolgen. Die Grundlagen für die Auslegung eines Heißlabors sind zum Beispiel in der DIN 6844 definiert.

PET-Tracer

Aufgrund der Radioaktivität findet die Synthese
der PET-Tracer in einem streng abgeschirmten
Isolator statt. Bild: Bürkert

Dem Strahlenschutz und der Arbeitssicherheit allgemein kommt dabei natürlich eine besondere Rolle zu, weshalb ein Heißlabor auch in separate abgeschlossene und abgeschirmte Sektionen für die anfallenden Arbeitsschritte unterteilt ist.

Selbst konzipierte Flexibilität

Die im Forschungszentrum genutzten Geräte werden für die Erzeugung einer Vielzahl verschiedener Tracer eingesetzt. Deshalb hat das VUmc dieses Instrument selbst konzipiert und gebaut, da die handelsüblichen Modelle nur wenige verschiedene Tracer erzeugen können. Das erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Krebsforschern und Chemikern beim Anlagendesign. Wegen der hohen Qualitätsanforderungen werden verschiedene Prozessschritte zur Tracer-Aufbereitung von Bürkert-Magnetventilen des Typs 0127 gesteuert.

In einem Instrument finden 22 Stück Verwendung. Beim Mischen, Heizen, Kühlen, Filtrieren und Konzentrieren der radioaktiven Substanzen arbeiten sie zwar unauffällig im Hintergrund, spielen dabei aber eine wichtige Rolle. Im Forschungszentrum werden seit rund zehn Jahren Bürkert-Ventile genutzt, und Fred Buijs vom VUmc ist mit der Gerätequalität sehr zufrieden: „Warum sollten wir nach anderen Ventilen gucken? Die Bürkert-Ventile sind sehr gut, passen in die Anwendung, und die Qualität ist spitze.“

Kleinventile als Sondermodelle

Kleinventile im VUmc

Die mediengetrennten Kleinventile von Bürkert eignen sich sehr gut für den Einsatz in der Labor-, Medizin- und Analysentechnik, wie hier im VUmc. Bild: Bürkert

Das Magnetventil, als 2/2- oder 3/2-Wegeventil, gilt nach Auffassung des Unternehmens als Wegbereiter der mediengetrennten Kleinventile und eignet sich für den Einsatz in Labor, Medizin- und Analysentechnik. Die Wippentechnologie, die die Trennmembrane zwischen Antrieb und Fluid betätigt, hat Maßstäbe gesetzt. Das chemisch hochbeständige Ventil in Schutzart IP54 schaltet auch kleinste Volumina sehr präzise. Der Temperatureintrag durch die Spule ist minimal, ebenso wie das interne Volumen. Die Ventile sind sehr gut spülbar und quasi totraumfrei.

Das Amsterdamer Forschungszentrum setzt die 2/2-Wege-Variante als Sondermodell ein, bei dem der Fluidraum nochmals verkleinert wurde, sodass das interne Volumen der Kammer nur 20 Mikroliter beträgt. Die Entwickler am VUmc setzen mit ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen) als Gehäusewerkstoff und FFKM (Perfluorkautschuk) als Dichtungsmaterial auf besonders hochwertige Materialien. Angeschlossen sind die Ventile mit UNF-Verschraubungen, weil diese leicht zu lösen sind und keine Toträume bilden. Die kundenspezifischen Anpassungen an dieser Ventilvariante sind ein gutes Beispiel für das individuelle Lösungspotenzial des Bürkert-Portfolios.

Fehlerfreie Arbeit unter Zeitdruck

Da radioaktive Materialien im Einsatz sind, läuft das Laborsystem computergesteuert und vollautomatisch hinter dicken Bleitüren und Bleiglas-Fenstern, um die Interaktion des Laborpersonals mit dem Gerät zu minimieren. Der komplette Prozess wurde daher in einer Software abgebildet. Die Ventile werden über Spannungsimpulse geschaltet. Fällt die Spannung softwaregesteuert wieder ab, schließt auch das Ventil.

Die Maschine braucht etwa 60 Minuten für alle Synthese- und Formulationsschritte, dann ist die aufbereitete Reagenz fertig für den Einsatz am Patienten. Der Patient bekommt das Mittel gespritzt, und im Anschluss werden mit Hilfe eines PET-Scanners Bilder vom Patienten erstellt. Auf diesen Bildern sind die Stellen im Körper deutlich sichtbar, an denen sich das radioaktive Material im Körper angereichert hat.

Insgesamt entstehen im Prozess drei Proben: Eine wird dem Patienten injiziert, eine andere wird analysiert, um die Freigabe für den Einsatz im Patienten zu erteilen und eine dritte wird auf Sterilität überprüft. Alle drei Proben werden zeitgleich im Gerät erzeugt und abgefüllt. Danach werden sie parallel zum Patienten und ins Untersuchungslabor gebracht.

Sobald die Probe analysiert ist, wird das Ergebnis an den forschenden Arzt weitergeleitet, damit dieser die Injektion vornehmen kann. Aufgrund der geringen Halbwertszeiten wird immer unter großem Zeitdruck gearbeitet. Dennoch müssen alle Schritte reibungslos und fehlerfrei durchgeführt werden.

PET-Diagnostik ist sehr aufwendig und teuer; sie ermöglicht es den Forschern aber, die Stoffwechselvorgänge des menschlichen Körpers genauer zu untersuchen und die Entstehung von Krebs besser zu verstehen, um die Krankheit besser behandeln zu können. Die Bürkert-Magnetventile tragen ihren Teil zu dieser Forschung bei. jl

Autorin: Daniela Krahn, Bürkert

Technik im Detail

Magnetventil Typ 0127

Das Ventil für den Einsatz im Fluidhandling und der Mikrofluidik startete in den frühen 90er-Jahren und wurde stetig weiter entwickelt, um es an die wachsenden Anforderungen des Marktes anzupassen. Mit der zum Einsatz kommenden Wippentechnologie, welche die Trennmembrane zwischen Antrieb und Fluid betätigt, wird ein zuverlässiges und präzises Schalten kleinster Volumina ermöglicht. Durch eine große Anzahl an verschiedenen Werkstoffen sowie fluidischen und elektrischen Anschlussvarianten ist der Typ 0127 prädestiniert für den Einsatz in Labor, Medizin- und Analysetechnik. Darüber hinaus ist das Ventil aber auch bestens für Anwendungen in der Industrie, wie zum Beispiel in Ink-Jet Printern oder im Vending-Bereich, geeignet.

  • Nennweite in Millimetern: DN 0,8 – DN 1,6
  • Gehäusewerkstoff: PEEK, PVDF, ETFE, PPS
  • Dichtwerkstoff: FFKM, FKM, EPDM
  • medienbeständig gegen neutrale und aggressive Flüssigkeiten und Gase.
  • Medientemperatur: -10 bis 55 °C
  • Umgebungstemperatur: max. 55 °C
  • Lebensdauer: 10.000.000 (gemäß Labor-Dauerversuchen mit FKM und EPDM).