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Radioonkologie - Strahlentherapie - Radiotherapie
Strahlentherapie (auch Strahlenheilkunde, Radiotherapie, Radioonkologie) ist das medizinische Fachgebiet, das sich mit
der medizinischen Anwendung von ionisierender Strahlung auf den Menschen und auf Tiere beschäftigt, um Krankheiten
zu heilen oder deren Fortschreiten zu verzögern.
Als ionisierende, hochenergetische Strahlen werden vorwiegend Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und Elektronen
verwendet. In den letzten Jahren wurden auch Anlagen zur Behandlung mit Neutronen, Protonen und schweren Ionen
(häufig mit Kohlenstoff-Atomen) errichtet. Nicht ionisierende Strahlen wie zum Beispiel Mikrowellen- und Wärmestrahlen,
Licht- und UV-Therapie sowie die Behandlung mit Ultraschallwellen gehören nicht zur Strahlentherapie.
Strahlentherapie umfasst die Behandlung von gut- und bösartigen Erkrankungen. Sie wird von Fachärzten für Radiologie
oder für Strahlentherapie unter Mitwirkung von medizinisch-technischen Assistenten und spezialisierten Medizinphysikern
ausgeübt. Ihre Tätigkeit unterliegt der Strahlenschutzverordnung und nachgeordneten Normen. In der klinischen Praxis
werden onkologische Strahlentherapien von einem interdisziplinären Team aus Fachärzten, Medizinphysikexperten und
medizinisch-technischen Assistenten durchgeführt. Der eigentlichen Therapie geht ein komplexer Planungsprozess – die
Bestrahlungsplanung – voraus. Umfangreiche organisatorische und technische Qualitätssicherungsmaßnahmen sorgen
dafür, dass Bestrahlungsfehler weitgehend ausgeschlossen werden können.
Nach den in Deutschland gültigen Weiterbildungsordnungen umfasst das Gebiet Strahlentherapie auch die
medikamentösen und physikalischen Verfahren zur Radiosensibilisierung und Verstärkung der Strahlenwirkung am Tumor
(Radioimmuntherapie und Radiochemotherapie), unter Berücksichtigung von Schutzmaßnahmen der gesunden Gewebe.
Teletherapie
Die Strahlentherapie kennt Methoden zur Teletherapie − von griech.: tele (fern) −, wobei die Strahlung von außen auf
den Körper des Patienten einwirkt, und die Brachytherapie − von griech.: brachys (nah, kurz) −, bei der die
Strahlenquelle sich im oder direkt am Körper befindet.
Bei der Teletherapie wird die erforderliche Strahlung normalerweise in Beschleunigern erzeugt, die sowohl Elektronen-
als auch Röntgenbremsstrahlung mit hohen Energien bis 23 MeV (= Mega-Elektronenvolt; für Photonen wird manchmal
auch die zahlengleiche, theoretische Beschleunigungsspannung in MV angegeben) bereitstellen können.
Elektronen haben fast die gleiche biologische Wirksamkeit wie Photonen, jedoch ein anderes Tiefenprofil im Gewebe.
Während die im Gewebe deponierte Dosis einer Photonenstrahlung langsam in Form einer Exponentialkurve abnimmt,
haben Elektronen wegen ihrer elektrischen Ladung eine begrenzte mittlere Reichweite (Faustregel: Betrag in MeV/2 in
cm). Sie eignen sich für oberflächliche Zielorgane vor Risikoorganen, etwa für die Brustwand vor Herz und Lunge.
Hochenergetischen Photonen und Elektronen ist gemeinsam, dass sie ihr Dosismaximum nicht auf der Hautoberfläche,
sondern einige Millimeter tiefer abgeben. Die Ursache für diesen Dosisaufbau ist, dass der eigentliche Dosisbeitrag nur
durch Sekundärelektronen stattfindet, die im durchstrahlten Material ausgelöst werden. Gegenüber
schwächerenergetischer Strahlung wird so die Haut geschützt. Ist dies nicht erwünscht, etwa bei der Behandlung eines
Hauttumors, so wird eine Schicht aus Plexiglas oder gewebeäquivalentem Weichplastik auf die Haut aufgelegt
(Bolusmaterial).
Optimal für den Beschuss tieferliegender Organe sind energiereiche Protonen, die das Gewebe davor kaum und
dahinter nur minimal schädigen.
CT-gestützte Planung
Isodosenplan einer Bestrahlung der HalsregionEine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Strahlentherapie ist
die vollständige Erfassung der Tumormasse mit möglichst wenig umgebendem Normalgewebe. Früher wurden die
Einstrahlrichtungen und Feldgrenzen nach klinischer Erfahrung mithilfe von Röntgenbildern festgelegt. Heute wird fast
immer mithilfe einer Computertomographie, gelegentlich nach Bildfusion mit MR- oder PET-Daten, ein dreidimensionales
Modell der Bestrahlungsregion im Planungsrechner erstellt und für die Bestrahlungsplanung zugrundegelegt. Die
Tumormasse und Risikoorgane werden meist manuell oder neuerdings auch halbautomatisch segmentiert. Die
Strahleigenschaften des Beschleunigers sind dem System aufgrund von aufwendigen Messreihen bekannt. Zur
Berechnung der erwarteten Dosisverteilung einer bestimmten Feldanordnung dienen Summations- und Nadelstrahl
-Algorithmen und Monte-Carlo-Simulationen. Moderne Planungssysteme können umgekehrt aus einer gegebenen
Dosisverteilung mögliche Feldanordnungen berechnen (inverse Planung).
Simulation, Verifikation, IGRT
Die vom Medizinphysiker berechnete und vom Arzt ausgewählte Feldanordnung wird auf den Patienten übertragen.
Dies geschieht an einer speziell dimensionierten Röntgendurchleuchtungsanlage (Therapiesimulator), neuerdings auch
wieder am CT-Gerät. Bei der „virtuellen Simulation“ im CT werden nacheinander die Mittel- und Eckpunkte der
Einzelfelder eingestellt und auf der Haut markiert. Am CT muss zu diesem Zweck ein geeignetes
Laser-Koordinatensystem installiert sein. Die Feldränder werden mit individuell gegossenen Bleiblöcken geformt,
die für Photonen ca. 5 cm dick sein müssen, für Elektronen 0,5 cm (siehe Abschirmung (Strahlung)).
Clinac mit ausgefahrener IGRT-Vorrichtung quer zum HauptstrahlengangBei der echten Bestrahlung werden die
Lagerung des Patienten und die Feldparameter aus der Simulation mithilfe von Lichtvisieren und Lasermarkierungen
millimetergenau reproduziert. Die Einstellungsgenauigkeit wird überprüft, indem ein Röntgenfilm hinter dem Patienten in
den Strahlenweg gebracht wird. Das so erzeugte Bild wird mit den Aufnahmen aus der Simulation verglichen (Verifikation)
In manchen Beschleunigern ist zusätzlich eine Röntgendurchleuchtung integriert, sodass die Position wichtiger Organe
selbst auf dem Bestrahlungstisch nochmals überprüft und ggf. korrigiert werden kann (sog. image guided radiotherapy,
IGRT).
Konformale Bestrahlungstechnik
Standardverfahren der Teletherapie ist heute die 3-dimensional konformale Strahlentherapie, bei dem die zu
behandelnde Körperregion in den Überschneidungsbereich der Achsen mehrerer Strahlen platziert wird, die aus
unterschiedlichen Richtungen einwirken (Isozentrum), und durch individuell geformte Bleiblenden oder Anpassung der
beschleunigerseitig vorhandenen Blenden des Multileafkollimators (MLC) der Zielkontur angepasst sind. Die Felder
können noch mit Keilfiltern moduliert werden, um unterschiedliche durchstrahlte Gewebsdicken auszugleichen.
Wenn die Einstrahlrichtungen aller Teilfelder auf einer gemeinsamen Ebene liegen (typischerweise eine Schnittebene
quer zur Patientenlängsachse), spricht man von koplanarer, sonst von non-koplanarer Planung. Moderne
Behandlungspläne nutzen mehrere Volumendefinitionen (Zielvolumen erster und zweiter Ordnung), die unterschiedlich
intensiv bestrahlt werden. Diese Techniken sind international genormt, zum Beispiel in der ICRU-50-Norm.
Intensitätsmodulation
Intensitätsmatrix eines Bestrahlungsfeldes der IMRTEin neueres Verfahren, das zunehmend zur Anwendung kommt, ist
die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT), bei der nicht nur die Feldbegrenzung, sondern ebenfalls die
Strahlendosis innerhalb der Feldfläche moduliert wird. Das geschieht durch metallische Ausgleichskörper
(Kompensatoren) im Strahlenweg mit individuell gegossenem Profil für jedes der 6-8 Felder, oder durch zeitgesteuerte
Verschiebung beweglicher Multileaf-Blenden während der Bestrahlung. Letzteres Verfahren ist schneller und billiger, die
Genauigkeit der Feldformung auf die Breite der einzelnen Lamellen des Multileaf-Kollimators (4-5 mm) ist jedoch
begrenzt. Die IMRT erlaubt sehr kompliziert geformte, selbst konkav begrenzte Zielvolumina und eignet sich daher für
Tumoren in unmittelbarer Nähe von sensiblen Risikoorganen. Eine IMRT ist sehr zeitaufwendig zu berechnen,
auszuführen und zu kontrollieren.
Wirkungsmechanismus
Die Wirkung der Bestrahlung beruht auf der Energieübertragung auf das durchstrahlte Gewebe in Streuprozessen.
Dabei sind direkte Treffer an für das Zellwachstum wesentlichen Biomolekülen weniger bedeutsam als die Ionisierung
von Wassermolekülen; die entstehenden freien Radikale sind hochtoxisch. Für die Antitumorwirkung sind Treffer und
Schäden an der Erbsubstanz der Zellen DNA verantwortlich, insbesondere Doppelstrangbrüche. Schäden, die die
Reparaturfähigkeit der Tumorzelle überschreiten, hindern sie an der Vermehrung (Mitose) oder bringen sie sogar
unmittelbar zur Apoptose. Da zur Wirkung mehrere Treffer in enger räumlicher und zeitlicher Nähe eintreten müssen,
ist die Dosis-Wirkungsbeziehung einer beliebigen Gewebsreaktion immer sigmoid (S-förmig) mit zuerst langsamem,
dann schnellerem Anstieg und zuletzt Sättigung. Die Normalgewebe zeigen etwas geringere Wirkung als der Tumor,
das heißt ihre S-Kurve liegt weiter rechts im höheren Dosisbereich. Die optimale Strahlendosis erreicht im Durchschnitt
>90 % Tumorvernichtung bei <5 % schweren Nebenwirkungen.
Fraktionierung
Fraktionierungseffekt von Photonen- und Neutronenstrahlen an einer ZellkulturTumorzellen haben in der Regel eine
schlechtere Reparaturfähigkeit für DNA-Schäden als normale Zellen. Diesen Unterschied nutzt man aus, indem die
Dosisleistung verringert (Protrahierung, wird heute kaum noch verwendet) oder die Gesamtdosis auf tägliche kleine
Einzeldosen (1,8-2,5 Gy) verteilt (Fraktionierung) wird. Damit verringert sich die mit der gleichen Dosis abgetötete
Zellzahl. Die maximal tolerierte Gesamtdosis des Normalgewebes (ca. 10 Gy bei kleinem Volumen) kann so auf ein
Vielfaches gesteigert werden; nur fraktionierte Schemata erreichen tumorizide Herddosen bis 80 Gy. Die biologische
Wirkung verschiedener Fraktionierungsschemata kann mit dem linearquadratischen Modell berechnet werden.
Neutronenstrahlen haben keinen wesentlichen Fraktionierungseffekt, die aufgeteilte Dosis ist ebenso stark wirksam
wie die einzeitig eingestrahlte. Das liegt an ihrer sehr hohen Energieabgabe auf kurzer Laufstrecke; ein einziges
Teilchen kann eine Vielzahl von Doppelstrangbrüchen innerhalb eines Zellkernes verursachen und damit die
Reparaturkapazität der Zelle überschreiten. Man hat versucht, Neutronenstrahlen gegen relativ strahlenunempfindliche
Tumoren wie etwa der Prostata oder der Speicheldrüsen einzusetzen. Geladene schwere Teilchen scheinen aber noch
bessere physikalische Eigenschaften zu haben (s. u.).
Akzelerierung
Da der Tumor während der Behandlung weiter wächst und radioresistente Zellklone selektioniert, ist die Heilungschance
umso größer, je kürzer die Gesamtbehandlungszeit (2-7 Wochen) ist. Das gilt vor allem für schnellwachsende
Tumorarten, etwa Rachenkrebs. Man kann die Gesamtbehandlungszeit verkürzen, indem man zwei oder sogar drei
Fraktionen pro Tag einstrahlt (Akzelerierung). Dies erhöht jedoch die Nebenwirkungen am Normalgewebe erheblich.
Radiochemotherapie
Siehe Hauptartikel Radiochemotherapie
Strahlentherapie und Chemotherapie verstärken sich gegenseitig in der Wirkung. Viele potentiell heilbare Tumore bei
Patienten in gutem Allgemeinzustand werden deshalb mit beiden Verfahren simultan (gleichzeitig) oder sequentiell
behandelt, was als Radiochemotherapie bezeichnet wird. Für Lungenkrebs, Darmkrebs, und Tumoren der Halsregion
wurde nachgewiesen, dass die simultane Radiochemotherapie anderen Therapievarianten überlegen ist. Wichtige
Zytostatika für den Strahlentherapeuten sind 5-Fluoruracil (5-FU) und Cisplatin. Allerdings sind die kombinierten
Schemata auch mit stärkeren Nebenwirkungen belastet.
Substanzen, die die Resistenz der Normalgewebe erhöhen sollen wie zum Beispiel Amifostin, sind bis heute nur
experimentell einzusetzen.
Hyperthermie
Schlecht durchblutete, sauerstoffarme Tumoren sind meist strahlenresistent. Umgekehrt kann man beobachten, dass
solche Gewebe gegenüber therapeutischer Überwärmung besonders empfindlich sind. Die Kombination der
Strahlentherapie mit Hyperthermie hat also theoretische Vorteile. Kleinere Studien bestätigen bessere Heilungschancen
bei verschiedenen Tumoren, zum Beispiel schwarzem Hautkrebs, Sarkomen, und rezidiviertem Gebärmutterhalskrebs.
Die Daten sind jedoch noch unsicher, auch wegen der unübersichtlichen Vielfalt von Hyperthermietechniken, sodass die
Methode noch keine allgemeine Anerkennung gefunden hat.
Radiochirurgie
Will man eine extrem kurze Behandlungszeit und trotzdem abtötende Dosen am Tumor, so ist das in ausgewählten
Fällen mit der Radiochirurgie (Syn. stereotaktische Radiochirurgie) möglich. Diese Methode ist praktisch nur bei kleineren
Hirntumoren möglich. Der Kopf des Patienten wird während der Behandlung mit einem stereotaktischen Ring fest
verschraubt. Neuere Geräte fixieren den Patienten schmerzfrei mit einer enganliegenden Maske. [1] Geeignete
Spezialanlagen für die Radiochirurgie sind das Gamma-Knife und vollautomatisierte Linearbeschleuniger, die
Industrierobotern ähneln, wie beispielsweise Cyberknife oder Novalis. Die Dosis beträgt 12-18 Gy.
Partikeltherapie
Elektronen mit 4 MeV dringen nur 1 cm tief ein. Photonen mit 20 MeV schädigen hauptsächlich ab 3 cm
(Dosisaufbaueffekt) und tiefer. Sehr energiereiche Protonen schädigen selektiv in 12 cm Tiefe.Anlagen mit Neutronen-
und Protonenquellen zur Partikeltherapie (genauer: Hadrontherapie) sind in einigen großen Forschungszentren
verfügbar, in Villigen (Schweiz) und in Deutschland in Berlin (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie,
ehemals Hahn-Meitner-Institut, nur Augenbestrahlung). Seit März 2009 gibt es eine klinische Einrichtung zur
Protonenbestrahlung, das Rinecker Proton Therapy Center (RPTC), in München. Hier können alle Körperregionen
bestrahlt werden. In Essen ist ein Protonentherapiezentrum im Bau.
Schwerionentherapie gibt es derzeit weltweit nur in zwei Zentren: Chiba in Japan, und GSI Helmholtzzentrum für
Schwerionenforschung in Darmstadt. Eine dritte Anlage, die der Universitätsstrahlenklinik Heidelberg angegliedert ist,
ging im November 2009 in Betrieb. In Kiel und Marburg sind derzeit Zentren für Partikeltherapie mit Protonen und
Kohlenstoffionen im Bau.
Schwere Teilchen haben im Vergleich zu Photonen und Elektronen eine viel dichtere Energieabgabe an das durchstrahlte
Gewebe (Linearer Energietransfer LET). Sie wirken auch bei schlecht durchbluteten, strahlenresistenten Tumoren wie
beispielsweise Chordomen. Die elektrisch geladenen Teilchen (Protonen, Kohlenstoffionen) haben außerdem eine scharf
begrenzte Reichweite, so dass Gewebe hinter dem zu bestrahlenden Tumor vollständig geschont werden kann. Schwere
Ionen geben ihre Energie an die Materie zunächst nur geringfügig und erst nach fast vollständiger Abbremsung
konzentriert ab (sogenannter Bragg-Peak); dies erlaubt es, durch geeignete Wahl der Ionenenergie auch vor dem
Tumor gelegenes Gewebe zu schonen (siehe auch Teilchenstrahlung).
Protonen- und Ionentherapie sind zur Zeit nur ausgewählten Erkrankungsfällen vorbehalten.
Brachytherapie
siehe Hauptartikel Brachytherapie
Moderne Verfahren der Brachytherapie umfassen Afterloadingverfahren und Implantationen. Afterloading
(eng. für „Nachladen“) nennt man ein Verfahren, bei dem eine kleine Strahlenquelle (Ir-192) ferngesteuert in eine
Körperöffnung verbracht und nach vorausberechneter Zeit wieder entfernt wird (Dekorporation). Diese Methode erlaubt
einerseits die direkte Bestrahlung zum Beispiel des Uterus und andererseits bestmöglichen Strahlenschutz für das
behandelnde Personal. Gegenüber den älteren Radiumstrahlern hat Iridium-192 allerdings den strahlenbiologischen
Nachteil der hohen Dosisleistung, die nur begrenzt durch Fraktionierung ausgeglichen werden kann. Der Dosisabstand
zwischen erwünschten und unerwünschten Effekten ist kleiner als beim Radium. Afterloading ist besonders für weibliche
Unterleibstumoren geeignet. Es gibt zahlreiche Trägersysteme für andere Zielorgane wie etwa die Luft- und
Speiseröhren; auch Hohlnadeln zum Spicken solider Gewebe (interstitielles Afterloading) sind verfügbar. Afterloading
findet in Strahlenschutzbauwerken ähnlich denen für die Teletherapie statt. Enge Zusammenarbeit mit den
Gynäkologen, Internisten und Chirurgen ist zum Erfolg der handwerklich komplizierten Methode unabdingbar.
I-125-Seeds zur Implantation in die ProstataBei den Implantationsverfahren werden kleine, gekapselte
Strahlungsquellen (eng. seeds) mit kurzer Halbwertszeit in den Körper verbracht und verbleiben dort dauerhaft,
während ihre Aktivität abklingt. Eine typische Anwendung sind Seed-Implantationen der Prostata mit Iod-125 (59 Tage
Halbwertszeit). I-125 gibt sehr schwachenergetische Gammastrahlen ab, die den Körper des Patienten nicht verlassen
Es ist daher kein spezieller Operationssaal und keine Quarantäne erforderlich.
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