Modellierung der biologischen Wirkung von Ionenstrahlen

Die Anwendung von Ionenstrahlen in der Tumortherapie erfordert die genaue Kenntnis ihrer biologischen Wirkung. Da wegen der komplexen Abhängigkeit der Wirksamkeit von Parametern wie z.B. Ionensorte, Strahlenergie, Dosis und Zell- bzw. Gewebetyp die Wirkung nicht für alle Fälle experimentell bestimmt werden kann, wurde ein biophysikalisches Modell entwickelt, das sog. ‚Local-Effect-Modell (LEM)’. Der Name deutet  an, dass die Berechnung der biologischen Wirkung auf der lokalen Energiedeposition innerhalb einer Zelle bzw. eines Zellkerns beruht, wie sie in Abb. 1 dargestellt ist. Im linken Teil ist die Verteilung gezeigt, wie man sie nach dem Durchgang von Ionenstrahlen durch den Zellkern erwartet. Hier fallen besonders die hohen Dosis-Spitzen auf, die an den Stellen auftreten, an denen die Ionen die Zelle durchqueren. Dagegen werden in den Zwischenbereichen nur relativ geringe Dosen erwartet. Im Gegensatz dazu sieht die entsprechende Verteilung, die man nach Bestrahlung mit konventionellen Photonenstrahlen erwarten würde, auch in mikroskopischen Dimensionen sehr gleichförmig aus (Abb. 1 rechts oben). Die bei Ionenstrahlen gezeigten extrem hohen lokalen Dosen in der Größenordnung von bis zu 10⁶ Gy lassen bereits intuitiv eine höhere Wirkung von Ionenstrahlen erwarten.

Abb. 1

Mikroskopische Dosisverteilung von Ionenstrahlen im Vergleich zu Photonenstrahlen  

Der ‚Trick’ des Local-Effect-Modells besteht nun darin, zunächst die biologische Wirkung in sehr kleinen Unterbereichen des Zellkerns zu berechnen. Wenn man sich solch einen kleinen Unterbereich nämlich extrem vergrößert ansieht, dann sieht auch bei Ionenstrahlen die Verteilung für diesen Unterbereich nahezu gleichförmig aus, ähnlich wie bei Photonenstrahlen (Abb. 1 rechts unten). Deshalb sollte auch der biologische Effekt in diesem kleinen Volumen demjenigen entsprechen, den man für Photonenstrahlen bei gleich hoher Dosis erwartet. Letztlich kann man damit dann die biologische Wirkung von Ionenstrahlen aus derjenigen von Photonenstrahlen herleiten.
Abb. 2 zeigt, dass dieses Modell sehr gute Vorhersagen erlaubt. Dort sind die berechnete Überlebenswahrscheinlichkeit und die experimentellen Daten als Funktion der Eindringtiefe eines Kohlenstoffstrahls gegenübergestellt. Sowohl die geringe Wirksamkeit auf den ersten Zentimetern als auch die drastische Zunahme der Wirkung im Bereich des Bragg-Peaks werden offensichtlich korrekt beschrieben.  

Abb. 2

Vergleich von Modellrechnung und experimentellen Daten: Bestrahlung von CHO-Zellen mit 170 MeV/u Kohlenstoff-Ionen 

Neben den eigenen Messungen wurden zum Test des Modells aber auch Messungen anderer Gruppen herangezogen. Dabei war besonders auch der Vergleich mit Tierexperimenten wichtig, da Gewebe möglicherweise anders auf Bestrahlung reagieren als Zellkulturen. Aber auch in diesen Fällen wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Damit war dann auch die klinische Anwendung des Modells im Rahmen der Bestrahlungsplanung möglich. 

Vor kurzen wurde das Local Effect Model dahingehend erweitert, dass es geclusterte Schäden aus Einzelstrangbrüchen berücksichtigt, die besonders bei den hohen Dosen im Innern der Ionenspuren auftreten. Zusammen mit einer genaueren Beschreibung der Bahnspur wurde die Genauigkeit der Modellvorhersagen deutlich verbessert.  

Kontakt: m.scholzgsi.de

Ausgewählte Publikationen: 

Elsässer Th. , Scholz M. Cluster Effects within the Local Effect Model, Rad. Res. 167, 319-329 (2007)

Scholz, M., Kraft, G. Calculation of heavy ion inactivation probabilities based on track structure, x-ray sensitivity and target size. Radiat. Prot. Dosim. 52, 29-33 (1994)

Scholz, M., Kraft, G. Track structure and the calculation of biological effects of heavy charged particles. Adv. Space Res. 18,  5-14 (1996)  Abstract

Scholz, M. Calculation of RBE for normal tissue complications based on ´charged particle track structure. Bull. Cancer Radiother. 83 Suppl., 50s-54s (1996)  Abstract

Scholz, M, Kellerer, AM, Kraft-Weyrather, W, Kraft, G. Computation of cell survival in heavy ion beams for therapy - the model and its approximation. Radiat. Environ. Biophysics  36, 59-66 (1997)  Abstract

Scholz M and Kraft, G. The physical and radiobiological basis of the local effect model: A response to the commentary by R. Katz. Rad. Res. 161, 612-620 (2004) Abstract