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JOURNAL ONKOLOGIE – Artikel
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11. Dezember 2013

Therapie mit Protonen und anderen Teilchen

B. Timmermann, Westdeutsches Protonentherapiezentrum am Universitätsklinikum Essen.

In der Partikeltherapie werden geladene Teilchen, überwiegend Protonen, zur Bestrahlung von Tumorerkrankungen eingesetzt. Aufgrund ihrer charakteristischen physikalischen Eigenschaften lässt sich mit Partikeln die Gewebebelastung reduzieren und damit das Risiko für Spätfolgen und Zweittumoren senken. Gerade für Behandlungen von Tumoren in unmittelbarer Nähe von kritischen Organen oder bei besonderer Gewebeempfindlichkeit steigt das Interesse an der Protonentherapie. Als Standardindikationen gelten heute bereits sarkomatöse Tumoren der Schädelbasis, Tumoren des Augenhintergrundes und Tumoren im Kindesalter. Zudem wird durch die technische Weiterentwicklung der Anlagen und die steigende Verfügbarkeit die Nutzung auch für eine Vielzahl anderer Indikationen ermöglicht werden.

Die Partikeltherapie ist ein spezielles strahlentherapeutisches Verfahren, bei der hochenergetische, geladene Teilchen (Partikel) - meist geladene Wasserstoffionen (Protonen), seltener andere Teilchen wie die schwereren Kohlenstoffionen (sogenannte Schwerionen) - zur Bestrahlung des Tumors eingesetzt werden.

Im Gegensatz zu den bei der konventionellen Röntgen-/Photonentherapie eingesetzten hochenergetischen elektromagnetischen Strahlen, bei denen das Dosismaximum direkt unter der Haut zu verzeichnen ist und die Strahlendosis dann im Körper exponentiell abfällt, besitzen Partikel bzw. Protonen völlig andere physikalische Eigenschaften (Abb. 1). Ihre Energieabgabe nach Eintritt ins Gewebe erfolgt zunächst nur geringfügig und steigt erst nach nahezu vollständiger Abbremsung schlagartig an. Aufgrund dieser charakteristischen fokussierten Energieabgabe wird das Dosismaximum der Teilchenstrahlung erst nach einer bestimmten Eindringtiefe erreicht (sogenannter Bragg Peak). Dies kann durch die geeignete Energiewahl frei und millimetergenau gewählt werden. Nach dem Dosismaximum stoppt die Wirkung des Strahls abrupt ab, so dass unmittelbar hinter dem Tumor liegendes gesundes Gewebe so gut wie keine Belastung erfährt. Auf diese Weise kann die Dosis im Tumor erhöht werden (Dosiseskalation) und gleichzeitig das umliegende gesunde Gewebe geschont bzw. einer deutlich geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt werden. Diese Eigenschaften stellen nahezu das Idealziel des Onkologen dar, die Therapie auf das Zielgebiet zu beschränken unter gleichzeitiger Aussparung der nicht-betroffenen Körperabschnitte. Hierdurch ergibt sich lokal die Möglichkeit, die Dosis im Zielvolumen, wenn nötig, anzuheben und gleichzeitig Strahlenschäden in der gesunden Umgebung zu reduzieren oder sogar weitgehend zu vermeiden. Alle modernen Entwicklungen auf dem Gebiet Strahlentherapie, auch die der konventionellen Photonentherapie, waren und sind immer auf diese Optimierung des Verhältnisses zwischen Dosis im Zielvolumen und der unvermeidlichen Dosis im gesunden Gewebe ausgerichtet. Denn oft verhindert die Toleranzgrenze des gesunden strahlenempfindlichen Gewebes in der Umgebung des Tumors ("Organs at Risk") die Verabreichung einer tumorkontrollierenden Dosis. Vergleichende Studien zur Dosisverteilung von Protonen- und Photonenstrahlung haben ergeben, dass für ein gegebenes Zielvolumen mit Protonen die Dosisbelastung (insbesondere im Niedrig- und Mitteldosislevel) des gesunden Körpervolumens signifikant geringer ist (1). Die Partikeltherapie ist aus diesem Grund besonders prädestiniert für tief gelegene Tumoren, für Tumoren, in deren Nachbarschaft sich besonders kritische und empfindliche Strukturen befinden, und für strahlenresistente Tumoren, die einer hohen Dosis bedürfen.
 

Abb. 1: Tiefendosiskurven von Protonen und Photonen.

Biologische Wirksamkeit

Die biologische Wirksamkeit von Partikeln ist je nach Teilchenart sehr unterschiedlich. Die von Protonen ist jedoch vergleichbar mit der von Photonen oder Elektronen. Lediglich am Ende der Eindringstrecke wird aufgrund der abnehmenden Energie und der damit verbundenen höheren Ionisationsdichte von einer geringfügig erhöhten RBE ("Relative Biological Effectiveness") ausgegangen. Allgemein werden Protonen-Gray mittels eines Faktors von 1.1 in Cobalt Gray Equivalent (CGE) umgerechnet. Aufgrund der ähnlichen biologischen Wirkung kann der gesamte bisherige Erkenntnisgewinn der konventionellen Strahlentherapie für das Therapiekonzept einer Protonentherapie herangezogen werden. Schwerionen hingegen zeigen im Vergleich zu Photonen und Protonen einen höheren radiobiologischen Effekt und weisen zusätzlich große Schwankungsbreiten und Variabilität auf, so dass aktuell noch größere Unsicherheiten in Bezug auf die radiobiologische Wirksamkeit bzw. die Dosisberechnung bestehen. Dies ist auch der Hintergrund, warum die Strahlenschutzkommission in Deutschland eine Anwendung von Protonen analog zu den Photonen erlaubt, für Schwerionen hingegen spezielle Genehmigungen eingeholt werden müssen und die Therapie größtenteils auf Studien beschränkt wird (2).
 

Abb. 2: Blick auf Beamline und Zyklotron (Quelle: iba).
 

Technische Ausstattung

Zur Beschleunigung der Teilchen auf die geeigneten Energien werden Zyklo- oder Synchrotrone genutzt (Abb. 2). Durch die Wahl der Beschleunigungsenergie lässt sich die Eindringtiefe des Strahls äußerst präzise (< 1 mm) in der Körpertiefe steuern. Beschleuniger, die in der Protonentherapie eingesetzt werden, erzeugen in der Regel maximale Energien zwischen 230 und 250 MeV, während beschleunigte Kohlenstoffionen maximale Energien zwischen 320 MeV u-1 und 430 MeV u-1 erzielen (3). Protonen erreichen damit z.B. Geschwindigkeiten von bis zu 180.000 km/s. Dies entspricht ca. 60% der Lichtgeschwindigkeit. In aufwendigen Strahllinien sind dann u.a. Energiemodulatoren, Filter, Messgeräte, Steuermagnete oder Strahlstopper aneinandergereiht. Bei der Strahlführung im Behandlungsraum können aufwendige, drehbare Konstruktionen oder fixierte Strahllinien genutzt werden (Abb. 3a, b). Die bleistiftdünnen Strahlenbündel können über Streufolientechniken passiv zu divergenten Feldern aufgestreut werden ("Passive Scattering") oder aber aktiv über Magnetensteuerung direkt bewegt werden, um das Zielgebiet gewissermaßen "abzuscannen" ("Active Scanning") (4, 5).
 

Abb. 3a: Patient im Behandlungsraum mit
drehbarem Strahlkopf.

 
Abb. 3b: Blick auf drehbare Konstruktion von hinten.

 

Geschichte

Die Entwicklung der Partikeltherapie begann bereits vor über 60 Jahren. 1946 machte ein Physiker der Harvard Universität in Boston, Robert R. Wilson, erstmals auf das große Potential von Protonen aufmerksam (6). An einigen physikalisch-technischen Forschungseinrichtungen wurde zunächst vor allem die komplexe technische Weiterentwicklung von Anlagen vorangetrieben. Die ersten medizinischen Anwendungen fanden Anfang der 1950er Jahre statt (7) und standen aber in den Forschungsanlagen meist nicht im Vordergrund der Aktivitäten. Technische Hindernisse wurden im Weiteren nur langsam überwunden. Daher vergingen Jahrzehnte bis erst 1991 in den USA die erste rein medizinische Protonentherapieanlage in Loma Linda entstand (8). Wenige Jahre später wurden dann auch erstmals Schwerionen medizinisch eingesetzt (9). Analog der Anforderungen der konventionellen Strahlentherapie kam zu der Beherrschung der Protonen-spezifischen Anforderungen noch die Notwendigkeit der Implementierung weiterer typischer Mittel der modernen Präzisionstherapie hinzu. So wurden beispielsweise zunehmend bildgebende Verfahren in den neueren Anlagen eingeführt oder Atemsteuerungssysteme angeschlossen. Aktuelle Bemühungen richten sich u.a. auf die weitere Optimierung der Steuerung, Erhöhung der Kapazität und Erweiterung des Anwendungsspektrums der Bestrahlungsanlagen. Fast jede heutige Anlage ist für sich ein "Prototyp" und nur wenige Anlagen sind bisher in der Lage, die Protonentherapie für eine große Patientenzahl und für alle Indikationen anzubieten. Beispielsweise werden aktuell selten bewegliche Tumoren behandelt und auch nur selten Großfeldtechniken eingesetzt.

Mittlerweile sind weltweit 43 Partikelanlagen in Betrieb, die krebskranke Patienten mit Protonen oder gelegentlich auch mit anderen Partikeln bestrahlen (Abb. 4); weitere 41 Anlagen befinden sich in der Planungs- bzw. Bauphase (10). Auch in Europa stehen einige Partikeltherapiezentren zur Verfügung (Tab. 1). In Deutschland konnten bis Mitte 2009 ausschließlich Patienten mit Augentumoren in Berlin behandelt werden. Jedoch stieg das Interesse aufgrund der weltweiten positiven Erfahrungen ständig an, so dass auch in Deutschland weitere Anlagen zur Protonen-/Partikeltherapie aufgebaut wurden. Heute stehen in München, Heidelberg und Essen Anlagen für die breite Patientenbehandlung zur Verfügung. In Dresden und Marburg dauern die Bemühungen um einen Start aktuell noch an.
 

Abb. 4: Partikeltherapieanlagen weltweit.

Klinische Erfahrungen

Mittlerweile sind weltweit mehr als 100.000 Patienten mit Teilchen behandelt worden; nur ca. 10% davon mit Schwerionen (7). Die meisten Erfahrungen in der Protonentherapie wurden bisher mit Tumoren des Augenhintergrunds und der Schädelbasis sowie beim Prostatakarzinom gesammelt.
 

Tab. 1: Behandelnde Partikeltherapieanlagen in Europa (modifiziert nach (10)).
 

Protonentherapie für Augentumoren

Mittlerweile ist die Protonentherapie in der Behandlung des Aderhautmelanoms an führenden Zentren in den USA und Europa fest etabliert mit Tumorkontrollraten von ca. 95% (11). Mit der Protonentechnik konnte eine erfolgreiche Therapie unter Erhalt des Auges bei bis zu 90% der Patienten und oftmals sogar der Erhalt der Sehkraft erreicht werden (12). Je nach Tumordicke muss sich die Protonentherapie allerdings mit der Brachytherapie messen (13) und scheint besonders bei den dicken und posterior gelegenen Tumoren vorteilhaft zu sein. Die Protonentherapie ist mittlerweile von den Krankenkassen als Standardmethode neben der Brachytherapie anerkannt und wird erstattet.

Protonentherapie für Chordome und Chondrosarkome

Auch die Chordome und Chondrosarkome der Schädelbasis gelten inzwischen als anerkannte Indikation für eine Protonentherapie. Diese Tumoren sind kritischen Strukturen wie Hirnstamm, Sehnerven und Temporallappen unmittelbar benachbart. Häufig können diese lokal aggressiven Tumore nicht komplett operativ entfernt und mit konventionellen Techniken der Strahlentherapie wegen geringer Strahlentherapiesensibilität auch nicht mit ausreichender Dosis behandelt werden. Mit alten konventionellen Photonen-Techniken und den damit üblichen Dosierungen waren nur unbefriedigende Kontrollraten erzielt worden. Mit Protonen konnten dann schonend auch höhere Dosen eingestrahlt werden mit lokalen Tumorkontrollraten für Chondrosarkome über 90% und für Chordome über 70% (14). Die Behandlungskosten werden meist übernommen.

Protonentherapie für Prostatakarzinome

Eine randomisierte, klinische Studie demonstrierte die Durchführbarkeit einer Dosissteigerung mit Protonen bei lokalisierten Prostatakarzinomen sowie eine verbesserte Tumorkontrolle durch die Dosiserhöhung (15). Allerdings wurde die Überlegenheit gegenüber den modernen Strahlentherapietechniken bei der Behandlung des Prostatakarzinoms bisher noch nicht eindeutig dargestellt (16). Daher wird der Einsatz von Partikeln für das Prostatakarzinom aktuell noch kontrovers diskutiert (17). Möglicherweise ist die Protonentherapie insbesondere bei Patientengruppen sinnvoll, bei denen aufgrund vorliegender Risikofaktoren größere Bestrahlungsvolumina notwendig sind. Dies ist  beispielsweise der Fall, wenn zusätzlich zur Prostata auch eine Bestrahlung der Samenblase oder der Lymphknoten des kleinen Beckens indiziert ist oder bei großen und ungünstig lokalisierten Tumoren, die für andere Therapieoptionen nicht geeignet erscheinen. Die Krankenkassen haben bezüglich der Kostenübernahme noch keine endgültige Entscheidung getroffen.

Protonentherapie für Tumoren im Kindesalter

Wachsendes Interesse erfährt die Protonentherapie im pädiatrischen Bereich. Die noch nicht ausgereiften, wachsenden Gewebe und Organe bei Kindern sind besonders anfällig für Strahlenschäden. Darüber hinaus erhalten Kinder meist belastende Kombinationstherapien aus Operation, Strahlen- und Chemotherapie. Auch sind typischerweise Kinder aufgrund der noch langen Lebensspanne bei Heilung und entsprechender genetischer Disposition weitaus anfälliger für die Entstehung Strahlentherapie-induzierter Zweittumoren. Die Einsparung von Dosisbelastungen aufgrund der Charakteristika von Protonenstrahlen verschaffen daher besonders Kindern potentielle Vorteile und lassen auf eine Verbesserung der posttherapeutischen Lebensqualität hoffen, gerade in sehr jungem Alter. Wegen der im Vergleich zu der herkömmlichen Photonenbestrahlung besseren Schonung des Normalgewebes sowie der Verringerung des Risikos von Zweittumoren und Spätfolgen wird die Protonenbehandlung für Kinder verstärkt eingesetzt (16, 18, 19). In Deutschland kommen Protonen im Rahmen der interdisziplinären GPOH-Studien vor allem bei lokalisierten Hirntumoren und sarkomatösen Erkrankungen zum Einsatz. Die tatsächliche Anwendung erfolgte bisher jedoch aufgrund der geringen Kapazität und der oftmals fehlenden Anbindung an onkologische Zentren nur in relativ geringem Umfang. Dennoch stehen mittlerweile auf diesem Gebiet einige Erfahrungen, besonders zu den lokalisierten Hirntumoren sowie bei den Knochen- und Weichteilsarkomen zur Verfügung. Erste Ergebnisse zu Lebensqualität, Zweittumorvermeidung und Erhaltung der neuropsychologischen Funktionen sind vielversprechend (20). Die Krankenkassen unterstützen die Nutzung der Protonentherapie für Kinder. Schwerionen dagegen werden im Kindesalter nicht empfohlen.

Protonentherapie für andere Diagnosen

Auch in anderen Bereichen werden Protonen zunehmend eingesetzt. So werden je nach technischer Ausstattung in vielen Zentren heute auch bereits Lungen- und Lebertumoren, HNO-Tumoren, Sarkome u.v.a. behandelt. Vergleichende Daten zur konventionellen Therapie stehen jedoch noch aus (16).

Fazit

Die physikalischen Vorteile der technisch aufwendigen Partikeltherapie erlauben gezielte, präzise Strahlentherapien mit einem geringeren Risiko für Nebenwirkungen und insbesondere auch für Zweittumoren. Hierfür werden vor allem Protonen eingesetzt. Als Standardindikationen für eine Protonentherapie gelten heute die Chordome und Chondrosarkome der Schädelbasis sowie des Achsen-skelettes, Tumoren des Augenhintergrundes und in zunehmendem Umfang solide Tumoren im Kindesalter. Die Datenlage ist bisher unbefriedigend, so dass die Anlagen weltweit aufgefordert sind, in Registern und prospektiven Therapiestudien Evidenz für den Nutzen bzw. die Überlegenheit der Methode im Vergleich zu den gängigen Standardverfahren zu gewinnen. Da immer noch technische Einschränkungen in den meisten Anlagen zu überwinden sind, dauert die technische Weiterentwicklung und Ausweitung des Indikationsspektrums mittel- und langfristig weltweit weiter an.


 


 

PD Dr. med. Beate Timmermann

Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen
Universitätsklinikum Essen
Hufelandstr. 55
45147 Essen

Tel.: 0201 7225 5201
Fax: 0201 7225 5294
E-Mail: beate.timmermann@uk-essen.de



Abstract

B. Timmermann, Westdeutsches Protonentherapiezentrum am Universitätsklinikum Essen

Charged particles like protons can be used for cancer therapy. Due to its physical characteristics the dose to normal tissue and consequently the risk for adverse effects and secondary malignancy induction can be reduced. Especially for tumors in close proximity of critical structures or in particularly sensitive patients interest in proton beam therapy is increasing. Today, base of skull tumors, choroidal tumors, and childhood cancer are recognized as standard indications. Due to ongoing technical developments and an increasing availability the clinical field for proton beam therapy will expand.

Keywords: protons, radiation therapy, normal tissue sparing



Literaturhinweise:
(1) Lomax AJ, Bortfeld T, Goitein G, et al. A treatment planning inter-comparison of proton and intensity modulated photon radiotherapy. Radiother Oncol. 1999; 51(3):257-71.
(2) http://www.ssk.de/SharedDocs/Beratungsergebnisse_PDF/2006/Strahlentherapieverfahren_Protonen.pdf?__blob=publicationFile (letzter Abruf 14.11.2013).
(3) PTCOG Publications sub-committee task group on shielding design and radiation safety of charged particle therapy facilities: PTCOG Report 1, 2010. http://ptcog.web.psi.ch/Archive/Shielding_radiation_protection.pdf (letzter Abruf 12.11.2013).
(4) Nauraye C, Mazal A, Delacroix S, et al. An experimental approach to the design of a scattering system for a proton therapy beam line dedicated to ophthalmological applications. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1995; 32(4):1177-83.
(5) Pedroni E, Böhringer T, Coray A, et al. Initial experience of using an active beam delivery technique at PSI. Strahlenther Onkol. 1999; 175 Suppl 2:18-20.
(6) Wilson RR. Radiological uses of fast protons. Radiology 1946; 47:487.
(7) http://ptcog.web.psi.ch/Archive/pat_statistics/Patientstatistics-updateMar2013.pdf (letzter Abruf 12.11.2013).
(8) Coutrakon G, Hubbard J, Johanning J, et al. A performance study of the Loma Linda proton medical accelerator. Med Phys. 1994; 21(11):1691-701.
(9) Tsujii H. The present and future of heavy charged particle therapy. Nihon Rinsho. 1996; 54(1):268-73.
(10) http://ptcog.web.psi.ch (letzter Abruf 12.11.2013).
(11) Dendale R, Lumbroso-Le Rouic L, Noel G, et al. Proton beam radiotherapy for uveal melanoma: results of Curie Institut-Orsay proton therapy center (ICPO). Int J Radiat Oncol Biol Phys 2006; 65(3):780-7.
(12) Courdi A, Caujolle JP, Grange JD, et al. Results of proton therapy of uveal melanomas treated in Nice. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1999; 45(1):5-11.
(13) Wang Z, Nabhan M, Schild SE, et al. Charged particle radiation therapy for uveal melanoma: a systematic review and meta-analysis. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2013; 86(1):18-26.
(14) Weber DC, Rutz HP, Pedroni ES, et al. Results of spot-scanning proton radiation therapy for chordoma and chondrosarcoma of the skull base: the Paul Scherrer Institut experience. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2005; 63(2):401-9.
(15) Zietman AL, Bae K, Slater JD, et al. Randomized trial comparing conventional-dose with high-dose conformal radiation therapy in early-stage adenocarcinoma of 
the prostate: long-term results from proton radiation oncology group/american college of radiology 95-09. J Clin Oncol 2010; 28(7):1106-11.
(16) Allen AM, Pawlicki T, Dong L, et al. An evidence based review of proton beam therapy: the report of ASTRO‘s emerging technology committee. Radiother Oncol. 2012; 103(1):8-11.
(17) Efstathiou JA, Gray PJ, Zietman AL. Proton beam therapy and localised prostate cancer: current status and controversies. Br J Cancer. 2013; 108(6):1225-30.
(18) Timmermann B. Proton beam therapy for childhood malignancies: status report. Klin Padiatr. 2010; 222(3):127-33.
(19) Childs SK, Kozak KR, Friedmann AM, et al. Proton radiotherapy for parameningeal rhabdomyosarcoma: clinical outcomes and late effects. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2012; 82(2):635-42.
(20) Chung CS, Yock TI, Nelson K, et al. Incidence of second malignancies among patients treated with proton versus photon radiation. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2013; 87(1):46-52.

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