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| Schwerionen als chirurgisches Skalpell |
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Schwerionen als chirurgisches Skalpell
Das Wissen um die
biologische Wirkung ionisierender Strahlung ist von grundlegender
Bedeutung für viele Bereiche in der Medizin, Technik und
Strahlenschutz, auch bei der Strahlentherapie von Tumoren. Schwerionen
erweisen sich bei solchen Untersuchungen aus vielerlei Gründen als
besonders geeignet. Außerdem besitzen sie am Ende ihrer Bahn erhebliche
Vorteile bei der Abtötung von Tumorzellen. Dies hat in Darmstadt zum
Aufbau einer experimentellen Strahlentherapie-Einheit geführt, an der
ab Mitte 1996 die ersten Patientenbehandlungen durchgeführt werden
sollen.
Bereits seit den Anfängen der
GSI gibt es eine starke Arbeitsgruppe Biophysik mit dem Ziel, die
biologische Wirkung von schweren Ionen zu erforschen und, darauf
aufbauend, Möglichkeiten für eine Verbesserung der Strahlentherapie zu
untersuchen. Dies ist nicht zuletzt der Weitsicht der GSI-Gründer zu
verdanken, die 1969 in der Satzung festlegten, daß »die Wirkung von
schweren Ionen in der belebten und unbelebten Natur« untersucht werden
sollte. So konnten zeitgleich mit den Experimenten der Kernphysik und
Atomphysik auch erste Experimente zur Biophysik durchgeführt werden.
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Schematische Darstellung der unterschiedlichen lokalen Dosisverteilung
von Röntgen- und Ionenstrahlen (normiert auf die gesamte deponierte
Dosis). Während Röntgenstrahlen ihre Energie sehr gleichmäßig verteilt
abgeben (oben), ist die Dosis bei Ionenstrahlen auf sehr schmale
Bereiche um die Flugbahn der Ionen konzentriert (unten). Zum Vergleich
ist die Größe eines Zellkerns eingezeichnet. Die
Ausschnittsvergrößerung im oberen Bild zeigt schematisch die typische
Struktur des DNA-Doppelstrangs, die Doppelhelix, deren Durchmesser etwa
2 nm beträgt. |
Die Besonderheit von Ionenstrahlen im
Vergleich zu anderen Strahlenarten wie Röntgen- oder Elektronenstrahlen
liegt in der räumlichen Verteilung ihrer Energiedeposition. In einer
dünnen Schicht von Zellen beispielsweise geben Röntgenstrahlen ihre
Energie sehr gleichmäßig über die gesamte bestrahlte Schicht ab. Ionen
dagegen deponieren die Energie konzentriert in einem sehr schmalen
Bereich um ihre Flugbahn herum. Die typische radiale Ausdehnung solcher
Bahnspuren liegt bei einigen Mikrometern. Biologische Strahleneffekte
in Zellen sind häufig die Folge einer Schädigung der genetischen
Erbinformation, die im Zellkern in Form des DNA-Doppelstrangs vorliegt.
Entscheidend für das Verständnis der biologischen Strahlenwirkung ist
daher die Kenntnis der Dosisverteilung im Zellkern.
Die drastisch erhöhten lokalen Energiedepositionen von
schweren Ionen im Vergleich zu Röntgenstrahlen haben eine erhöhte
biologische Wirksamkeit zur Folge. Da außerdem die lokale
Energiedeposition - und damit die Effektivität - durch die Wahl der
Ionensorte und Strahlenergie in einem weiten Bereich verändert werden
können, eignen sich schwere Ionen besonders gut zur Untersuchung der
grundlegenden Mechanismen von Strahlenschädigungen.
Den speziellen Teilcheneffekt aufgeklärt
Durch
systematische Versuchsreihen an insgesamt mehr als 100000 biologischen
Proben verschiedenster Kulturen - von Viren über einfache Bakterien bis
hin zu Säugetierzellen - konnte der spezielle Teilcheneffekt über eine
genaue Analyse der mikroskopischen Dosisverteilung in der Bahnspur
weitgehend aufgeklärt werden. Darauf aufbauend gelang es in den letzten
Jahren, ein Modell zu entwickeln, mit dem die biologische Wirksamkeit
in Abhängigkeit von der »Strahlenqualität« - das heißt der Ionensorte,
Teilchenenergie und der spezifischen Energiedeposition in der Bahnspur
- bestimmt werden kann.
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Die Wahrscheinlichkeit einer Inaktivierung von Säugetierzellen für
verschiedene Ionen in Abhängigkeit vom LET, dem Maß für die
Energiedeposition eines Ions beim Durchgang durch Materie. Die Symbole
stellen die experimentell ermittelten Werte dar, während die
durchgezogenen Linien die Vorhersagen von Modellrechnungen wiedergeben.
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Nur bei oberflächlicher Betrachtung erscheint ein so typisch
biologisches Bild für ein physikalisches Forschungszentrum
ungewöhnlich. In der GSI-Arbeitsgruppe Biophysik besteht eine intensive
interdisziplinäre Zusammenarbeit von Wissenschaftlern verschiedener
Fachrichtungen wie Biochemie, Biologie und Physik zur Aufklärung der
strahlenbiologischen Wirksamkeit von Schwerionen. |
In der folgenden Abbildung ist dies
anhand der Inaktivierung von Säugetierzellen, das heißt, des
strahlenbedingten Verlustes der Teilungsfähigkeit der Zellen,
demonstriert. Bei der Behandlung von tumorösem Gewebe ist dies gerade
der gewünschte Effekt.
Eine wesentliche Stütze dieser Modellrechnungen bildeten
neben den strahlenbiologischen Experimenten die physikalischen
Untersuchungen zur Energiedeposition von geladenen Teilchen. Dies
unterstreicht die Bedeutung der in der Arbeitsgruppe Biophysik
betriebenen interdisziplinären Zusammenarbeit von Wissenschaftlern
verschiedener Fachrichtungen wie Biochemie, Biologie und Physik bei der
Aufklärung strahlenbiologischer Effekte.
Die hierbei erzielten großen Fortschritte waren eine
wesentliche Vorbedingung für das bei der GSI gegenwärtig im Aufbau
befindliche Therapieprojekt, in dessen Rahmen ab Mitte 1996 erste
Patientenbehandlungen durchgeführt werden sollen.
Tumoren, die sich noch in einem lokalisierten Stadium
befinden, werden als heilbar betrachtet. Dennoch versagen bei etwa 20%
der Patienten die heute in der konventionellen Strahlentherapie
verfügbaren lokalen Behandlungsverfahren. Die Verbesserung der lokalen
Tumorkontrolle ist aber durch eine präzisere Anpassung des Behandlungs-
an das Zielvolumen erreichbar. In der herkömmlichen Therapie mit
Photonen der Röntgen- und Gammastrahlung fällt die im Gewebe deponierte
Dosis exponentiell mit der Eindringtiefe ab. Für einen tiefliegenden
Tumor ist deshalb die Integraldosis im Tumor stets geringer als im
umliegenden, gesunden Gewebe. Schwere geladene Teilchen unterliegen
dagegen im Gewebe anderen Wechselwirkungen als Photonenstrahlen und
ermöglichen durch ihre günstigen physikalischen und biologischen
Eigenschaften die Optimierung des therapeutischen Effekts im
Behandlungsvolumen bei signifikanter Verringerung der Belastung des
umliegenden gesunden Gewebes.
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Vergleich der physikalischen Dosisverteilung (oben) und der
Überlebensrate von Zellen (unten) als Funktion der Eindringtiefe für
Ionenstrahlen (Kohlenstoff der Energie 275 MeV pro Nukleon) und
Gamma-Strahlen der Energie 20 MeV. Die erhöhte Energiedeposition am
Ende der Teilchenstrahlen und die damit verbundene drastische
Erniedrigung der Zellüberlebensrate macht Schwerionen zu einem
hervorragenden Werkzeug für die Behandlung tiefliegender Tumoren. |
Zu den günstigen physikalischen
Eigenschaften gehören die geringe Seitenstreuung, die definierte
Reichweite und der Anstieg der Energiedeposition am Ende der
Teilchenspur. Schnelle Ionen werden beim Durchgang selbst durch dickere
Gewebeschichten nur minimal abgelenkt. Beispielsweise beträgt für
Kohlenstoff-Ionen bei einer Eindringtiefe von über 10 cm die seitliche
Aufstreuung weniger als 1 mm. Ein weiterer Vorteil der Teilchenstrahlen
für die Strahlentherapie ist das invertierte Tiefendosisprofil. Mit
zunehmender Eindringtiefe des Teilchens steigt die Energiedeposition an
und erreicht wenige Zehntelmillimeter vor dem kompletten Abstoppen
einen extremen Spitzenwert, das nach dem britischen Physiker Sir
William Bragg benannte Bragg-Maximum. Damit gekoppelt ist eine im
»Bragg Peak« deutlich erhöhte biologische Wirksamkeit beziehungsweise
eine drastisch erniedrigte Überlebensrate des in diesem Bereich
liegenden Gewebes.
Die Reichweite der Teilchen läßt sich durch die Energie exakt
festlegen, so daß es mit Schwerionen möglich ist, die Tumordosis bei
hoher räumlicher Präzision zu steigern und gleichzeitig das umliegende,
eventuell strahlensensible, gesunde Gewebe zu schonen. Diese
Eigenschaft prädestiniert schwere Ionen für den Einsatz in der
Strahlentherapie tiefliegender Tumoren.
Für Protonen wurde der therapeutische Nutzen bereits durch
die Behandlung von weltweit etwa 15000 Patienten klinisch nachgewiesen.
Für Ionen wird aufgrund der speziell im Tumorgewebe erhöhten
biologischen Wirksamkeit ein zusätzlicher Gewinn erwartet, doch einer
allgemeinen Einführung von Teilchenstrahlen in der Tumortherapie stand
bis jetzt der hohe technische Aufwand entgegen, der nötig ist, um den
Therapiestrahl bereitzustellen und die erforderliche Präzision in der
Strahlführung zu erzielen. Da der Schwerionenstrahl in seiner
zellabtötenden Wirkung einem chirurgischen Skalpell gleicht, muß er mit
höchster Genauigkeit geführt werden.
Präzise Bestrahlung nach dem Rasterprinzip
Hierzu
wurde bei der GSI die intensitätsgesteuerte Rasterscantechnik
entwickelt, die eine extrem genaue Bestrahlung des Tumorgewebes
erlaubt. Bei diesem Verfahren wird das Zielvolumen in Schichten
gleicher Teilchenreichweite zerlegt.
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Schematische Darstellung des intensitätsgesteuerten
Rasterscanverfahrens. Ein Zielvolumen (Tumor) wird in einzelne
Schichten gleicher Reichweite aufgeteilt. Im Bild sind nur drei
Schichten dargestellt; für eine echte Bestrahlung sind 20 bis 40
Schichten erforderlich, für die je eine der Eindringtiefe entsprechende
Energie individuell eingestellt wird. Jede der Schichten wird mit dem
Strahl - ähnlich der Führung des Elektronenstrahls in der Fernsehröhre
- durch schnelle magnetische Ablenkung rasterförmig abgefahren. Dabei
wird die Schreibgeschwindigkeit des Strahls so gesteuert, daß an jeder
Position des Zielvolumens der vorberechnete biologische Effekt, also
eine maximale Abtötung von Tumorzellen erreicht wird. |
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Mit einem Kohlenstoffstrahl von 270 MeV pro Nukleon wurde ein
kugelförmiges Volumen von 6 cm Durchmesser in einer Wassertiefe von 9
bis 15 cm homogen bestrahlt. Dabei wurde die Zielgenauigkeit des von
links eingeschossenen Ionenstrahls mit Hilfe von Kernspurdetektoren im
Abstand von einigen Millimetern optisch sichtbar gemacht. Die Aufnahme
zeigt, daß die Dosis sehr präzise auf das Zielvolumen konzentriert
werden kann. |
Beginnend mit der hintersten Schicht
tastet der von schnellen Dipolmagneten geführte Strahl mit einer
Energie, die Puls für Puls an die Gewebetiefe angepaßt wird, diese
Schichten Scheibchen für Scheibchen rasterförmig ab. Das führt zu einer
Vorbestrahlung von Teilen der weniger tief gelegenen Schichten, die
dann bei der eigentlichen Bestrahlung berücksichtigt und ausgeglichen
wird.
Jede Schicht muß also gezielt inhomogen bestrahlt werden, um
im gesamten Zielvolumen eine gleichmäßige Wirkung zu erzielen. Dies
wird erreicht, indem man die Geschwindigkeit des Therapiestrahls in
Abhängigkeit von der Strahlintensität steuert und somit die applizierte
Teilchenbelegung präzise kontrolliert. Mit dem Rasterscansystem können
auf diese Weise dreidimensionale, irregulär geformte Volumina homogen
bestrahlt werden (Abb. VII.6).
Das hochmoderne Schwerionensynchrotron der GSI ist derzeit
europaweit der einzige Beschleuniger, der schwere geladene Teilchen
ausreichender Reichweite und Intensität für die klinische Anwendung zur
Verfügung stellen kann. Die GSI hat sich der daraus resultierenden
Verantwortung und Herausforderung gestellt. In Kooperation mit der
Strahlenklinik der Universität Heidelberg und dem Deutschen
Krebsforschungszentrum in Heidelberg wird gegenwärtig bei der GSI eine
experimentelle Strahlentherapie-Einheit aufgebaut. Das wesentliche Ziel
der ab Mitte 1996 anlaufenden klinischen Studien mit etwa 70
Patientenbehandlungen pro Jahr ist der Nachweis einer verbesserten
lokalen Tumorkontrolle aufgrund der überlegenen Dosislokalisation und
der erhöhten biologischen Wirksamkeit des Ionenstrahls im Tumorgewebe.
Der tatsächliche Bedarf an Bestrahlungseinrichtungen für
schwere Ionen übersteigt bei weitem die Kapazitäten, die im Rahmen der
experimentellen Teilchentherapie an der GSI bereitgestellt werden
können. Um die Versorgung einer ausreichenden Patientenzahl zu
ermöglichen, werden dedizierte, also ausschließlich für diesen Zweck
vorgesehene Beschleunigeranlagen an Krankenhäusern benötigt. Wie
Rentabilitätsstudien gezeigt haben, können diese zu Kosten betrieben
werden, die mit der konventionellen Tumortherapie vergleichbar sind.
Mit Blick auf diese hoffentlich nicht allzu ferne Zukunft wurde bei der
GSI eine Beschleunigerstudie angefertigt mit dem Ziel, ein
kostengünstiges und für den Therapiebetrieb optimiertes Synchrotron zu
entwerfen. Dieses Synchrotron ist mit einem Durchmesser von nur 17 m
klein genug, um es einer Klinik angliedern zu können. Pro Jahr könnten
damit etwa 2000 Patienten zu moderaten Kosten therapiert werden.
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