Strahlentherapie

Strahlentherapie
Seminar zum Fortgeschrittenenpraktikum
Kern- und Teilchenphysik
22.04.2013, Christian Breit
1. Einführung
Krebs ist eine bösartige Entartung von Zellen, die sich unkontrolliert und häufig schnell
vermehren. Dabei kann es zur Bildung von soliden Tumoren kommen.
Die entarteten Zellen wachsen über Gewebebegrenzungen hinaus und können über Blutoder Lymphbahn streuen.
Diese Erkrankung ist verantwortlich für 7,1 Millionen Todesfälle (2008) bzw. 13% aller
Todesfälle weltweit. Bis 2030 wird seitens der WHO von einem Anstieg um 85% auf 13,1
Millionen Todesopfer ausgegangen, wobei für die Weltbevölkerung lediglich von einem
Wachstum um 25% gegenüber 2008 ausgegangen wird. Dabei handelt es sich um kein
„Erste-Welt Problem“: 70% der Todesfälle sind in Ländern mit mittleren oder geringen
Einkommen.
Eine Ursache dieser Erkrankung findet sich in Risikoverhalten, das Tabak- und
Alkoholkonsum, vitaminarme Ernährung, Bewegungsarmut und Übergewicht umfasst. Etwa
30% aller Krebsfälle lassen sich darauf zurückführen. Eine weitere Ursache in ca. 20% der
Fälle sind vorangegangene Virusinfekte (z.B. Humanes-Papilloma Virus).
Erste Wahl zur Bekämpfung dieser Krankheit ist die Aufklärung über und die Anregung zur
Meidung von Risikoverhalten.
Um die Krankheit in einem möglichst frühen Stadium zu erkennen bedient man sich breit
angelegten Screenings (z.B. Mammographie, Koloskopie).
Therapeutische Instrumentarien sind die Chirurgie, die Chemo- oder schließlich die hier
erörterte Strahlentherapie.
2. Physikalische Grundlagen – Wechselwirkung von Strahlung und Materie
(i) Photonenstrahlung
Abb.1: Wechselwirkung von Photonen in Abhängigkeit der Energie
Die drei wesentlichen Wechselwirkungseffekte von Photonen mit Materie sind der
Photoeffekt, die Comptonstreuung und die Paarerzeugung. Für die Strahlentherapie
interessant sind Energien von 4-24MeV. Bei diesen Energien dominiert der Comptoneffekt
(s. Abb.1).
Abb.2: Schematische Darstellung der Wechselwirkung von Photonen in Materie
Wie in Abb.2 zu sehen ist unterliegen Photonen einer exponentiellen Abschwächung. In
Materie tritt jedoch der sogenannte Dosisaufbaueffekt auf. Durch comptongestreute
Sekundärelektronen kommt es dazu, dass die maximale Dosis bei Elektronen im hier
typischen Energiebereich in 8cm bis 12cm Tiefe abgegeben wird. Diesen Effekt nutzt man
bewusst in der Strahlentherapie.
(ii) Elektronenstrahlung
Abb.3: Tiefendosisverteilung von Elektronen in Wasser
Wie an Abb.3 zu sehen ist die Wechselwirkung von Elektronen mit Materie der der
Photonen ähnlich, wobei der Dosisaufbaueffekt in diesem Maße nicht auftritt. Durch die
insgesamt geringere Reichweite der Elektronen nutzt man diese Strahlenart therapeutisch
vorwiegend für die Bestrahlung von Hautkrebs.
Ein weiterer Unterschied ist die große laterale Ausdehnung des Strahls durch
Vielfachstreuung.
Quantitativ wird die Abschwächung von Elektronen durch die Bethe-Bloch-Formel für
Elektronen beschrieben.
(iii) Protonen-/Schwerionenstrahlung
Abb.4: Simulierte Tiefendosisverteilung von 150 MeV Protonen in Wasser
Man erkennt, wenn man sich die Abschwächung von Protonen in Materie ansieht (Abb.4),
dass es einen relativ langen, in seiner Länge energieabhängigen, Plateubereich gibt und ein
Großteil der Dosis im sogenannten Bragg-Peak deponiert wird. Die Eindringtiefe ist dabei
höher als die bei Elektronen und Photonen.
Beschrieben wird die Abschwächung von Protonen in Materie durch die Bethe-BlochFormel für Protonen.
Insgesamt lässt sich zur Protonen- bzw. Schwerionenstrahlung im Vergleich mit
Photonen-/Elektronenstrahlung sagen, dass sie dichter ionisierend ist, d.h. auf gleicher
Wegstrecke mehr Teilchen ionisiert werden.
3. Biochemische Grundlagen
Target der ionisierenden Strahlung ist immer die DNA der Krebszellen, da diese eine hohe
Teilungsrate bei gleichzeitig eingeschränkten Reparaturmechanismen aufweisen. Eine
entsprechende Schädigung der DNA führt so zum programmierten Zelltod (Apoptose).
Die direkte Strahlenwirkung -die Ionisation des DNA-Moleküls- spielt eine eher
untergeordnete Rolle, wofür Größe der DNA und Stabilisierung selbiger durch DNAHiston-Komplexe verantwortlich sind. Sie macht ca. 1/3 der gesamten Strahlungswirkung
aus. Dabei kann es z.B. zur Rekombination von DNA-Radikalen untereinander kommen, die
schließlich zum Zelltod führen.
Die indirekte Strahlenwirkung schädigt die Zelle hauptsächlich über OH-Radikale, die durch
Ionisation oder Anregung von Wassermolekülen (v.a. auch der Hydrathülle der DNA)
entstehen und zu Einzel- oder Doppelastrangbrüchen, zu Badenschäden, zu DNAProteinquervernetzungen oder komplexen Denaturierungszonen führen.
4. Photonenstrahlung
Zur Erzeugung von Photonenstrahlung werden Elektronen mittels eines
Linearbeschleunigers beschleunigt und nach Umlenkung durch Magneten auf ein WolframTarget geschossen, wodurch charakteristische Bremsstrahlung erzeugt wird. Diese wird mit
Hilfe eines weiteren Targets, bestehend aus einer Keramikplatte mit Metallkern,
homogenisiert und anschließend durch eine Multi-leaf Blende (z.B. aus Bleiplatten) an die
zu bestrahlende Geometrie angepasst. Zur Dosiskontrolle ist eine Ionisationsmesskammer
vorhanden.
Die Vorteile der Photonenstrahlung sind eine leichte Erzeugbarkeit, ein universelles
Anwendungsspektrum und eine gute Studienlage zum Therapienutzen.
Nachteile sind eine begrenzte Eindringtiefe und eine Strahlenbelastung gesunden Gewebes
insbesondere bei hoher Eindringtiefe.
Bezüglich der Anwendung lässt sich sagen, dass die Photonentherapie momentan Mittel der
Wahl bei fast jeder Krebserkrankung ist, für die strahlentherapeutische Behandlung in Frage
kommt.
5. Protonen-/Schwerionenstrahlung
Eine Anlage zur Erzeugung von Protonen-/Schwerionenstrahlung ist in Abb.5 dargestellt.
Die Protonen/Schwerionen werden erst durch einen Linearbeschleuniger (2) und
anschließend ein Synchroton (2) auf ca. 0,75c beschleunigt und durch Magneten gebündelt.
Es gibt Strahlenplätze mit (8) und ohne (5) Gantry (7), an denen die Therapie unter
Röntgenkontrolle (6) durchgeführt wird. Das 670t schwere, in Submillimeterpräzision
drehbare Gantry ermöglicht gegenüber den normalen Therapieplätzen durch Umlenkung des
Strahls eine Bestrahlung aus verschiedenen Richtungen.
Abb.5: Schematische Darstellung der Bestrahlungsanlage am Heidelberger Institut für Ionentherapie
Vorteile der Protonenstrahlung sind die gute Dosisplatzierbarkeit auf Grund des BraggPeaks, die höhere biologische Wirksamkeit durch die relativ dichte Ionisation und eine
damit verbundene Schonung des gesunden Gewebes.
Nachteile sind die aufwendige Erzeugung, die relativ schlechte Verfügbarkeit -so gibt es
aktuell in Deutschland nur drei Zentren an den therapiert wird- und die hohen
Behandlungskosten.
Trotz der vielversprechenden Vorteile dieser Strahlenart wird die Protonenstrahlung aktuell
nur für Chondrome in der Schädelbasis und Melanome in der Retina von Seiten der
Deutschen Gesellschaft für Radioonkologie empfohlen. Erhofft wird sich ein Nutzen für die
Behandlung von tiefer liegenden, beispielsweise im Bereich des Magen-Darm-Traktes, und
langsam wachsenden bzw. hypoxischen Tumoren.
6. Anwendung und Fazit
Zu Beginn einer Therapie ist es Aufgabe des Medizinphysikers in Zusammenarbeit mit
einem Mediziner bildgestützt (meistens computertomographische Aufnahmen) die
Bestrahlung zu planen (s. Abb.6).
Mittel sind dabei die Vielfeldbestrahlung. also die Bestrahlung aus verschiedenen
Richtungen. Außerdem ist es in manchen Fällen ratsam die Bestrahlung auf mehrere
Sitzungen zu verteilen um eine höhere Gesamtdosis applizieren zu können und um dem
gesunden Gewebe die Möglichkeit zu geben Strahlenschäden zu kompensieren. Die
Akzelerierung ist ein Verkürzen eben dieser Sitzungsabstände bei schnell wachsenden
Krebsarten, allerdings heben sich dadurch die Vorteile des Fraktionierens teilweise wieder
auf.
Abb.6: Bestrahlungsplanung eines Hirntumors für Photonen- und Protonenstrahlung
Wie man in Abb. 6 nochmals sieht, ermöglicht die Protonentherapie eine schärfere
Dosisplatzierung im erkrankten Gewebe.
Insgesamt lässt sich jedoch kein klarer Goldstandard ausmachen, da zum einen die
Studienlage zur Protonentherapie noch nicht ausreichend ist um klare Empfehlungen geben
zu können und zum anderen es im Bereich der Photonentherapie Innovationen gab und gibt,
die Nachteile dieser Technologie ausgleichen können.
Insbesondere für Kinder, bei denen Strahlenschäden in gesundem Gewebe zu gravierenden
Auswirkungen führen können, sowie langsam wachsende und scharf begrenzte Krebsarten
verspricht die Protonentherapie jedoch deutliche Vorteile gegenüber der Behandlung mit
Photonen.