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Biologische Grundprinzipien der Strahlentherapie

Strahlen - Begleiter des Menschen

  • Natürliche Strahlen, wie kosmische oder terrestrische Strahlen, umgeben den Menschen seit Beginn seiner Existenz. Aber auch die medizinische Anwendung von Strahlen hat mittlerweile eine lange Tradition. Bereits 1896 hat der Wiener Arzt L. Freund erstmals Röntgenstrahlen zur Behandlung eines Tierfellnävus [gutartiger Hauttumor] eingesetzt. Schon vier Jahre später berichteten Sjögren und Steinbeck über die erste strahlentherapeutische Heilung eines Hauttumors.
     

Einsatz der Strahlentherapie in der Krebstherapie

  • Gegenwärtig wird die Strahlentherapie in erster Linie zur Behandlung von bösartigen Erkrankungen eingesetzt, entweder zur Heilung (kurative Strahlentherapie) oder zur Linderung von Tumorsymptomen wie Schmerzen, Blutung oder Atemnot (palliative Strahlentherapie). Etwa 70 % aller geheilten Krebspatienten verdanken ihre Heilung,teilweise in Kombination mit Operation und/ oder Chemotherapie, der Strahlentherapie.
     

Die Wirkung auf die DNA

  • Die Strahlentherapie ist wie eine Operation eine lokale Behandlungsform. Dabei ist die lokale Energieabsorption im Gewebe die Voraussetzung der biologischen Wirkung. Wichtigstes Zielobjekt der Strahlung ist die Erbsubstanz der Tumorzelle, die D N A [Molekül, das die genetische Information der Zelle enthält, im Chromosom gelegen], die aus zwei Strängen besteht. Über direkte oder häufiger über indirekte Strahlenwirkung werden Einzelstrang- oder Doppelstrangbrüche ausgelöst. Bereits relativ kleine Strahlendosen wie 2 Gray (Gy) [Einheit für die Energiedosis] können etwa 1000 Einzelstrang- und 40 Doppelstrangbrüche induzieren. Der größte Teil dieser D N A Schäden kann von der Zelle entfernt werden. Die biologische Wirkung beruht somit letztlich auf nicht oder falsch reparierten Doppelstrangbrüchen der D N A.
     

Heilung durch Vernichtung aller klonogenen Tumorzellen

  • Das Ziel der Strahlentherapie, die Abtötung von Tumorzellen, wird über einen programmierten Zelltod, auch Apoptose genannt, erreicht. Dabei spielt das Tumorsuppressorgen p- 53 eine zentrale Rolle. Die Apoptose als aktiver Vorgang ist von der Nekrose als passivem Vorgang zum Beispiel Zelltod durch Membranschädigung zu trennen. Eine Tumorheilung setzt wahrscheinlich eine komplette Vernichtung aller klonogenen Tumorzellen voraus. Klonogene Zellen können mehrere Zellteilungen durchlaufen und mindestens 50 Tochterzellen bilden. Nur ein Teil eines klinisch sichtbaren Tumors wird von klonogenen Zellen gebildet; daneben besteht ein Tumor auch aus nicht klonogenen Tumorzellen, Bindegewebe und Gefäßen.
     

Auswahl der optimalen Dosis

  • Die Höhe der Strahlendosis bestimmt die biologische Wirkung (Dosis- Effekt- Beziehung). Mit zunehmender Dosis steigt die Wahrscheinlichkeit der Tumorvernichtung und damit der lokalen Tumorkontrolle. Die Auswahl der Dosis wird durch viele Faktoren bestimmt. Mit zunehmendem Tumorvolumen und -Stadium steigt die zur Vernichtung nötige Strahlendosis. Strahlenempfindliche Tumore wie Lymphome oder Seminome benötigen niedrigere Dosen als wenig empfindliche Tumor wie Glioblastome oder Osteosarkome. Auch die Toleranz des umgebenden Normalgewebes und die Art der eingesetzten Strahlung haben wesentlichen Einfluß auf die Dosiswahl.
     

Fraktionierte Strahlentherapie

  • Um das Normalgewebe optimal zu schonen, wird die Gesamtdosis in der Regel auf viele zeitlich getrennte Einzeldosen verteilt. Man nennt dies Fraktionierung und die einzelne Bestrahlung eine Fraktion. Bestrahlungspausen ermöglichen dem Normalgewebe, aber auch bestrahlten Tumorzellen, subletale Strahlenschäden zu reparieren. Wenn sich viele subletale Strahlenschäden anhäufen, können sie den Zelltod nach sich ziehen, subletale Strahlenschäden sind aber prinzipiell reparabel. Darüberhinaus kommt es im späteren Verlauf einer fraktionierten Strahlentherapie zu einer vermehrten Zellteilung von ursprünglich inaktivierten Tumorzellen (Repopulierung). Die genannten Mechanismen, Reparatur und Repopulierung, können den gewünschten therapeutischen Effekt einer fraktionierten Strahlentherapie vermindern. Demgegenüber gibt es auch Phänomene während einer fraktionierten Bestrahlung wie Reoxygenierung und Redistribution, die sich im Sinne einer Sensibilitätssteigerung positiv auswirken.
     
    Ein typischer und häufig angewandter Fraktionierungsrhythmus ist eine Bestrahlung mit einer Einzeldosis von 1,8 oder 2 Gray, fünfmal pro Woche (normofraktionierte Strahlentherapie). Bei einer hyperfraktionierten Behandlung wird zweimal pro Tag im Abstand von mindestens 6 Stunden bestrahlt, bei einer hypofraktionierten weniger als fünfmal pro Woche bestrahlt und bei einer akzelerierten Behandlung wird die Gesamtbehandlungszeit verkürzt (Tabelle).
     

Ausblick

  • Die intensive strahlenbiologische und tumorbiologische Forschung wird wahrscheinlich auch in nächster Zukunft neue, klinisch nützliche Kenntnisse liefern. Damit sollte bei der Behandlung von Krebspatienten eine weitere Steigerung der Heilungsraten bei gleichzeitiger Verringerung der Nebenwirkungsraten ermöglicht werden.

 

Das verwendete Fraktionierungsprotokoll bestimmt die zeitliche Dosisverteilung

Übersicht gängiger Fraktionierungsprotokolle: 

Protokoll Dosis pro Einzelbestrahlung [Gy] Bestrahlung pro Woche Dosis pro Woche [Gy] Gesamtdosis [Gy] Gesamtdauer
konventionell 1,8-2,0 5 9-10 1 1
hyperfraktioniert 1,0-1,2 mehr als 5 12 oder weniger höher als konventionell gleich
akzeleriert 1,8-2,0 mehr als 5 mehr als 12 kleiner oder gleich kleiner
hypofraktioniert 3,0 oder größer weniger als 5 variabel niedriger als konventionell kleiner