Grundlagen der Strahlentherapie: Physik, Biologie & Klinik

Grundlagen der Strahlentherapie

Früher wurden radikale Eingriffe wie Mastektomien, Amputationen von Gliedmaßen sowie Exzisionen im Kopf- und Halsbereich durchgeführt. Diese wurden durch weniger aggressive Interventionen ersetzt, wie die Strahlentherapie (RT) mit ionisierender Strahlung.

Man unterscheidet zwei Arten von ionisierender Strahlung:

• Elektromagnetische Strahlung: Photonen mit genügend Energie, um Materie zu ionisieren. Je nach Herkunft unterscheidet man Röntgen- und Gammastrahlen.
• Korpuskularstrahlung: Beschleunigte Teilchen wie Alpha-, Beta-, Protonen-, Neutronen-, Pionen- und Myonenstrahlen.

Photonen werden künstlich in Linearbeschleunigern (LINAC) erzeugt. Elektronen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, bis sie Geschwindigkeiten von 99,5 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Wenn sie auf ein Target treffen, wird ihre Energie in Photonen umgewandelt.

Physikalische Prinzipien der Strahlung

Grotthuss-Draper-Gesetz

Nur die Strahlung, die von einem System absorbiert wird, kann eine photochemische oder photobiologische Wirkung hervorrufen. Bei der Dosisberechnung ist daher die absorbierte Energie entscheidend.

Bunsen-Roscoe-Gesetz (Reziprozitätsgesetz)

Das Produkt aus Intensität und Zeit ist konstant. Das bedeutet, dass die gleiche Wirkung erzielt wird, solange das Produkt aus Bestrahlungsintensität und -dauer gleich bleibt (innerhalb bestimmter Grenzen).

Abstandsquadratgesetz

Die Intensität einer Strahlung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung von der Quelle ab. Bei doppelter Entfernung erhält man nur noch 1/4 der ursprünglichen Strahlungsintensität. Je weiter die Strahlenquelle von der Behandlungsoberfläche entfernt ist, desto mehr Energie geht verloren.

Lambertsches Kosinusgesetz

Die maximale Bestrahlungsstärke auf einer Oberfläche wird erreicht, wenn der Strahl senkrecht (perpendikular) auf diese auftrifft.

Wechselwirkung von Strahlung mit Materie

Linearer Energietransfer (LET)

Der LET-Wert beschreibt die Energieabgabe ionisierender Strahlung pro Längeneinheit im durchquerten Medium. Er hängt sowohl von der Art der Strahlung als auch von der Beschaffenheit des Mediums ab. Zwei wichtige Eigenschaften der Strahlung werden dadurch bestimmt:

1. Eindringtiefe
2. Menge der deponierten Dosis

• Hoher LET: Ein Strahl mit hohem LET deponiert seine gesamte Energie auf einer kurzen Strecke. Er verliert seine Energie schnell und kann keine dicken Materialschichten durchdringen, hinterlässt aber eine hohe Dosis.
• Niedriger LET: Ein Strahl mit niedrigem LET gibt seine Energie langsam ab. Er deponiert eine geringere Dosis und kann lange Strecken zurücklegen, bevor er seine gesamte Energie verliert.

Arten von Strahlenschäden

• Subletale Schäden: Führen nicht zum Zelltod und können durch zelleigene Enzyme repariert werden.
• Letale Schäden: Können nicht repariert werden. Sie sind irreversibel und führen zum Zelltod.
• Potenziell letale Schäden: Können je nach den Bedingungen, denen die Zelle nach der Bestrahlung ausgesetzt ist, repariert werden oder letal werden.

Klinische Anwendung und Dosimetrie

Eigenschaften hochenergetischer Strahlen

• Ausreichende Eindringtiefe für jeden Zielort
• Geringere Streuung und dadurch besserer Hautschutz
• Kleinerer geometrischer Halbschatten (Penumbra)
• Gleichmäßigere Dosisverteilung über die Strahlbreite
• Ähnliche Absorption in Knochen und Weichgewebe

Grundprinzipien der Dosimetrie

Das Zielvolumen soll eine homogene und ausreichend hohe Dosis erhalten, während die Dosis im umliegenden gesunden Gewebe so gering wie möglich gehalten wird.

Faktoren, die den Halbschatten (Penumbra) beeinflussen

• Größe der Strahlenquelle (Fokus)
• Abstand Quelle-Oberfläche
• Abstand Kollimator-Oberfläche
• Energie der Photonen

Um die Penumbra zu reduzieren, sollten die Kollimatorblenden so nah wie möglich am Patienten positioniert und die Strahlenquelle so klein wie möglich sein.

Keilfilter

Keilfilter bestehen aus Blei-Legierungen und werden im Strahlengang platziert. Sie dienen dazu, eine gleichmäßige Dosisverteilung bei schräg einfallenden Strahlenfeldern zu gewährleisten oder die Dosisverteilung gezielt zu modifizieren.

Radiobiologische Grundlagen der Therapie

Vorteile der fraktionierten Strahlentherapie

Die Aufteilung der Gesamtdosis auf mehrere Einzelsitzungen (Fraktionen) nutzt die unterschiedlichen Reaktionen von Tumor- und gesundem Gewebe:

• Reoxygenierung: Die schrittweise Zerstörung von gut versorgten Tumorzellen verbessert die Sauerstoffversorgung der bisher hypoxischen (sauerstoffarmen) Zellfraktionen.
• Redistribution: Zellen werden in sensibleren Phasen des Zellzyklus getroffen.
• Reparatur: Gesundes Gewebe hat eine höhere Kapazität zur Reparatur subletaler Schäden zwischen den Fraktionen als die meisten Tumorgewebe.
• Repopulation: Die proliferative Kapazität von gesundem Gewebe ist in der Regel höher, was eine schnellere Erholung ermöglicht.

Zelluläre Reaktionen auf Bestrahlung

• Interphasentod: Zelllyse (Auflösung) während der Interphase, tritt häufig bei sehr strahlenempfindlichen Zellen auf.
• Mitotische Verzögerung: Verzögerter Eintritt von Zellen in die Mitose, was zu einer Abnahme des Mitoseindex führt.
• Reproduktiver Zelltod: Verlust der Fähigkeit zur unbegrenzten Teilung. Die Zelle gilt als "radiologisch tot" und steht im Zusammenhang mit Chromosomenschäden.

Die 4 'R' der Radiobiologie (Fraktionierung)

• Reparatur (Repair): Effizienter in gesundem Gewebe.
• Umverteilung (Redistribution): Umverteilung von Zellen in strahlensensiblere Phasen.
• Reoxygenierung (Reoxygenation): Bessere Sauerstoffversorgung hypoxischer Zellen erhöht deren Strahlensensitivität.
• Repopulation (Repopulation): Erneuerung des Gewebes durch Zellteilung.

Behandlungsstrategien in der Strahlentherapie

Behandlungsarten

• Kurative (radikale) RT: Ziel ist die vollständige Heilung.
• Adjuvante RT: Ergänzt eine andere primäre Behandlung (z. B. Operation).
• Palliative RT: Zielt auf Symptomlinderung und Verbesserung der Lebensqualität ab.
• Neoadjuvante RT: Behandlung vor der Haupttherapie, z. B. zur Tumorverkleinerung.

Ziele der präoperativen (neoadjuvanten) RT

• Reduzierung des Tumorvolumens.
• Zerstörung von proliferierenden Zellen am Tumorrand.
• Verhinderung der Zellverbreitung während der Operation.
• Reduzierung des Risikos eines lokalen Rezidivs.
• Umwandlung eines inoperablen Tumors in einen operablen Zustand.

Ziele der postoperativen (adjuvanten) RT

Eine Strahlentherapie nach einer radikalen Operation mit folgenden Zielen:

• Zerstörung von verbliebenen subklinischen Tumorzellen.
• Verringerung des Risikos eines lokalen Wiederauftretens (Rezidiv).

Molekulare und zelluläre Effekte

Radiobiologie

Die Radiobiologie untersucht die Wirkung ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe nach der Absorption von Energie.

Relative Biologische Wirksamkeit (RBW)

Die RBW hängt von der pro Längeneinheit im Gewebe deponierten Energie (LET) ab. Ein höherer LET-Wert führt zu einer höheren RBW.

Auswirkungen auf die DNA

• Basenschäden: Verlust oder Veränderung einer Base, was zu einer Punktmutation führen kann.
• Bruch von Wasserstoffbrückenbindungen: Trennung der beiden DNA-Stränge.
• Einzelstrangbruch: Bruch eines der beiden DNA-Stränge. Dieser Schaden kann in der Regel gut repariert werden.
• Doppelstrangbruch: Gleichzeitiger Bruch beider DNA-Stränge. Dieser Schaden ist schwer zu reparieren und oft letal für die Zelle.

Auswirkungen auf Chromosomen

Strahlung kann zu verschiedenen Chromosomenbrüchen führen, darunter einfache Brüche eines Arms oder komplexe Brüche, die zu strukturellen Veränderungen führen.