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JOURNAL ONKOLOGIE – Artikel

09. November 2018
Seite 1/4
Partikeltherapie mit Protonen und Schwerionen – Überblick, Indikationen und Entwicklungen

F. Schlaich, J. Debus, Klinik für RadioOnkologie und Strahlentherapie, Universitätsklinikum Heidelberg, Heidelberg; Heidelberger Institut für Radioonkologie (HIRO), Heidelberg; Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT), Nationales Centrum für Tumorerkrankungen (NCT), Heidelberg.

Die Strahlentherapie hat einen festen Stellenwert in der onkologischen Behandlung. Dabei konnten durch technische Weiterentwicklungen die Präzision und Wirksamkeit der Photonentherapie kontinuierlich verbessert werden. Die Partikeltherapie bietet in diesem Kontext in Abhängigkeit der eingesetzten Teilchen physikalische sowie biologische Vorteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie, die in der klinischen Anwendung bei gezielter Indikationsstellung teils deutliche Verbesserungen der Ergebnisse erbringen. Die entsprechenden Grundlagen sowie derzeitige klinische Anwendungsgebiete und kommende Entwicklungen sollen hier dargestellt und erläutert werden. Bereits jetzt zeigen sich vielversprechende Ansatzpunkte für den Einsatz, die aber einer weitergehenden Prüfung in klinischen Studien bedürfen.
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Fachinformation
Die Strahlentherapie bildet neben der Chirurgie und der Systemtherapie eine der tragenden Säulen in der modernen Onkologie. Dabei ist bei der Strahlentherapie als lokaler Therapie das Ergebnis (lokale Kontrolle) maßgeblich von der erreichten Dosis im Tumorgewebe abhängig. Die Strahlentherapie bewegt sich daher immer im Spannungsfeld zwischen dem Erreichen einer maximalen lokalen Kontrolle und der Schonung des umgebenden Normalgewebes zur Vermeidung von Nebenwirkungen. Hermann Holthusen beschrieb dieses Prinzip bereits früh in der Form von Dosis-Wirkungs-Kurven, die den Zusammenhang zwischen einer bestimmten Dosis und der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer gewünschten Wirkung (Tumorkontrolle) bzw. einer unerwünschten Wirkung (Nebenwirkung) darstellen. Durch die technischen Entwicklungen in den letzten Jahren ist es durch Anwendung modernster Techniken in der Strahlentherapie (stereotaktische Radiotherapie, intensitäts-modulierte Radiotherapie) bereits möglich, auch mit Photonenstrahlen komplexe Zielstrukturen in der Nähe von empfindlichen Risikostrukturen effektiv und schonend zu behandeln. Diese Techniken der Behandlung mit Photonenstrahlen werden durch den Einsatz der Partikeltherapie insbesondere bei schwierigen Lagebeziehungen zwischen Tumoren und Risikoorganen und bei strahlenresistenten Tumorentitäten sinnvoll erweitert.
Grundlagen der Partikeltherapie

Die Behandlung mit Protonen wurde 1954 erstmalig im Berkeley Radiation Laboratory angewandt, der Einsatz von Schwerionen folgte ebenfalls dort 1975. Seit Mitte der 1990er Jahre wird die Partikeltherapie auch in anderen Ländern genutzt, die erste therapeutische Anwendung in Deutschland begann 1997 an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt und wurde seitdem konsequent weiterentwickelt.

Unter dem Überbegriff der Partikel (lat. „Teilchen“, daher Syn. „Teilchentherapie“) werden in der klinischen Anwendung derzeit Protonen und Kohlenstoffionen (als Vertreter der Schwer-ionen) eingesetzt. Im Gegensatz zu den in der konventionellen Strahlentherapie angewandten Photonenstrahlen (ultraharte Röntgenstrahlen) besitzen die in der Partikeltherapie genutzten geladenen Teilchen eine durch ihre kinetische Energie definierte Reichweite im Gewebe. Beim Durchdringen des Gewebes werden diese durch Interaktion mit Atomen und Atomkernen abgebremst (unter geringer Energieabgabe) und geben am Ende ihrer Reichweite schließlich ihre gesamte Energie ab und kommen zum Stillstand (Punkt der maximalen Energiedeposition, Dosismaximum). Das Dosismaximum wird dabei durch die ursprüngliche kinetische Energie definiert und nach dem englischen Physiker Sir William Henry Bragg als „Bragg-Peak“ bezeichnet. Hinter diesem Bragg-Peak erfolgt ein steiler Dosisabfall, sodass hinter dem Zielvolumen liegendes Normalgewebe geschont werden kann. Aus diesen physikalischen Eigenschaften ergibt sich im Vergleich zu Photonen ein charakteristisches „invertiertes Dosisprofil“ der Partikel (Abb. 1). Diese optimierte Dosisverteilung macht sich insbesondere bei strahlenresistenten Tumoren mit enger Lagebeziehung zu Risikoorganen (beispielhaft Schädelbasistumoren) durch die Möglichkeit der Steigerung der Behandlungsdosis unter Schonung des umgebenden Gewebes bezahlt. Auch bei der Behandlung von pädiatrischen Tumoren ist die Reduktion von Dosis am Normalgewebe im niedrigen und mittleren Dosisbereich von Vorteil.
 
Abb. 1: Charakteristische Tiefendosisprofile für Photonen, Protonen und Kohlenstoff­ionen.
Abb. 1: Charakteristische Tiefendosisprofile für Photonen, Protonen und Kohlenstoff­ionen.


Durch den Einsatz von Schwer-ionen kommen zusätzliche biologische Charakteristika zum Tragen, die die Effektivität der Behandlung an der Tumorzelle verstärken. In den Zellen bzw. Zellkernen werden durch Schwer-ionen schwere strahlenbiologische Schäden produziert, die durch die zelleigenen Reparaturmechanismen nur sehr schlecht zu korrigieren sind. Diese Schädigung hängt direkt mit der Zahl der Ionisationen (Ionisationsdichte) entlang des Weges der Strahlung zusammen und wird als linearer Energietransfer „LET“ (mittlerer Energieverlust entlang eines Weges) charakterisiert. Unterschieden wird dabei in niedrig-LET- (Photonen, Protonen) und hoch-LET-Strahlen (Schwerionen) (1). Die daraus resultierende höhere Wirksamkeit wird im Vergleich zur Photonenstrahlung als relative biologische Wirksamkeit (RBW) angegeben und ist abhängig von der Strahlenart, dem Dosisniveau und der Zellart (2, 3). Für Kohlenstoffionen liegt diese i.d.R. zwischen 3 und 5 (4, 5). Um diese biologischen Eigenschaften bei der Bestrahlungsplanung zu berücksichtigen, wurde z.B. durch die GSI das „Local Effect Model“ (LEM) zur biologischen Bestrahlungsplanung entwickelt (6, 7). Darüber hinaus hat hoch-LET-Strahlung das Potential, die hypoxieinduzierte Strahlenresistenz, die insbesondere bei der Photonenstrahlung in zentral hypoxischen und teils nekrotischen Tumoren zum Tragen kommt, zu überwinden (8).
 
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