Was ist Krebs und wie entsteht das? Krebs: Ungesteuerte, schrankenlose Vermehrung der Körperzellen

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1 Johannes Gutenberg-Universität Mainz Seminar zum Fortgeschrittenen Praktikum Leitung: Patrick Achenbach Referentin: Tülin Ardic Betreuerin: Miriam Fritsch Strahlentherapie Nach einer Studie erkrankt gegenwärtig jeder dritte Europäer im Laufe seines Lebens an Krebs. In Deutschland erkranken jährlich Menschen an Krebs, allerdings ist die Tendenz stark steigend.3/4 der Erkrankten sind über 60 Jahre alt, nur etwa ¼ sind unter 60.Weltweit sterben täglich Menschen an Krebs. Im Jahr 2007 sind 7,6 Millionen Menschen an Krebs gestorben, neu diagnostiziert worden sind die 12,3 Millionen Menschen Krebs hat unterschiedliche Auslöser. Vor allem die Einflüsse, die das Erbgut verändern, sind Krebs erregend. Bisher weiß man höchstens, dass genetische Defekte, aber auch Umweltfaktoren, bestimmte Krankheiten und Medikamente, sowie eine "ungesunde Lebensweise" (Rauchen und Ernährung) eine Rolle spielen. Was ist Krebs und wie entsteht das? Krebs: Ungesteuerte, schrankenlose Vermehrung der Körperzellen Gesundes Organismus Gleichgewicht zwischen Zellteilung und Zelltod(Apoptose: Selbstmord der Zellen) Wächter Gene überwachen die korrekte Abfolge des DNA und entscheiden über Reparaturvermögen Bei Krebs wird Apoptose-Programm gestört ungehinderte Zellteilung Eigenschaften von Krebszellen: Unter Sauerstoffmangel überleben Eigene Blutversorgung aufbauen Ansiedeln ins fremde Gewebe Es gibt drei Säulen von Krebstherapie: Operation, Chemotherapie, Strahlentherapie. Operation und Bestrahlung sind lokale Therapien und beide können mit Chemotherapie verbunden werden. Strahlentherapie: Zerstörung von Tumorzellen durch ionisierende Strahlen, während das gesunde Gewebe geschont wird. Bei der Strahlentherapie können Photonen, geladene Teilchen(Elektronen, Protonen und schwere Ionen) und radioaktive Strahlen(α-, β-, ɣ-strahlen) verwendet werden. E Energiedosis(D): D Einheit: Gray E: Energie, die von einer Strahlung abgegeben wird. m m: Masse des Körpers, der die Energie aufnimmt. 1

2 Abbildung 1: Tiefendosiskurven von verschiedenen Strahlenarten Bei Elektronen hat die Dosiskurve ein paar cm. Später ein Maximum und dann steilen Abfall in die Tiefe. Deswegen Elektronenstrahlung geeignet für die Tumoren, die von der Haut nicht weit entfernt sind. Bei Photonen ist die Dosis ungefähr nach 4 cm Maximum, dann fällt exponentiell ab. Protonen geben ihr Dosismaximum in der Tiefe ab(bragg-peak)und fallen sehr steil auf null. Vergleicht man schwere Ionen mit Protonen, stellt man fest, dass schwere Ionen eine bessere Dosiskonformation besitzen, da der Bragg-Peak breiter ist. LET: Der lineare Energietransfer ist ein Maß für die Wirkung von Strahlung. Er beschreibt, wie viel Energie ein ionisierendes Teilchen pro Längeneinheit an das durchdrungene Material abgibt und wird in Kiloelektronenvolt pro Mikrometer angegeben. Teilchen mit höherem LET (Protonen) können bei gleicher Dosis größere Schäden aufgrund der stark lokalisierten Ionisation anrichten als dünn ionisierende Strahlung (Elektronen, Photonen) Wirkung ionisierender Strahlung: Direkte Strahlenwirkung: Ionisierung der DNA-Moleküle Strahlenschäden an der DNA: Einzelstrangbrüche(dosisproportional),Doppelstrangbrüche(dosisproportional),Basenschäden(Verlust), Vernetzung innerhalb der DNA Bulky-Lesions Mehrfachschäden(irreparabel) Indirekte Strahlenwirkung Wechselwirkung an Wassermolekülen Energieabsorption im Wasser Ionisation/Anregung Primärradikale und Peroxide Änderung des DNA 2/3 des biologischen Schadens durch indirekte Strahlenwirkung Behandlungstypen: Brachytherapie(Kurzdistanztherapie): Bei dieser Art von Therapie wird die Strahlungsquelle innerhalb oder in der Nähe des zu bestrahlenden Gewebes platziert. Das gewährt die Möglichkeit, hohe Strahlendosis gezielt auf den Tumor zu geben, damit Schädigung von gesundem Gewebe und gesunden Organen verhindert wird. Verwendete Nukliden sind β- oder ɣ-strahler. Teletherapie(Ferntherapie): Strahlenquelle und Tumor stehen hier nicht in direktem Kontakt. Geräte der Teletherapie: Röntgenröhren(historisch): bestehen aus evakuierten Glaskolben. Die Elektronen werden von der Kathode emittiert, durch eine Spannung zwischen Kathode-Anode zur Anode beschleunigt, dringen ins Anodenmaterial ein und werden dadurch gebremst und erzeugen Bremsstrahlung. Linearbeschleuniger(LINAC): 2

3 Abbildung 2: (links)aufbau von LINAC(Mitte)Ausgleichkörper im Photonenmodus, (rechts) Ausgleichkörper im Elektronenmodus Beschleunigungsrohr: Diese beschleunigt die von der Elektronenkanone kommenden Elektronenwolken. Umlenkmagnet: Der Bending-Magnet hat die Aufgabe der Umlenkung des Elektronenstrahls und Energieselektion durch Einbringen eines Energiespalts im Strahlengang Ausgleichkörper im Elekron-Photonmodus: Dem Ausgleichsfilter kommt eine zentrale Bedeutung zu. Durch ihn wird die auftreffende Strahlung aufgehartet Intensitatsverteilung gesorgt, da die vom Bremstarget und der Streufolie kommende Photonen-Elektronenfluenz im Zentrum eine deutlich höhere Intensität besitzt als in den Randbereichen. Blendensystem: Das Blendensystem begrenzt die zu bestrahlende Feldgeometrie. Protonen und Ionen-Therapie: Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum(HIT) 1. Protonten und Ionen-Quelle: In der Ionenquelle werden die positiv geladenen Ionen produziert, indem die Elektronen der Wasserstoff-, Helium-, Kohlenstoff- und Sauerstoffatome abgespalten werden. 2. Der Linearbeschleuniger: Im Linearbeschleuniger - einer fünf Meter langen Röhre - werden die Ionen auf mehr als ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. 3. Das Synchrotron: Das Heidelberger Synchrotron hat einen Umfang von 65m und besteht aus 60 Dipolmagneten, welche die Ionen auf ihrer Bahn halten sollen.12-quadrupolen fokussieren den Strahl auf die Strecke. 4. Hochenergie-Strahlführung: Vom Synchrotron aus wird der Ionenstrahl durch die Hochenergiestrahlführung zu einer der drei Behandlungsräume geleitet. Die Hochenergiestrahlführung besteht aus Vakuumröhren und Magneten. 5-6: Horizontalbestrahlplätze: Für Augen-Hirn Tumoren 7-8: Gantry-Gantrybestrahlplatz: Die Gantry ist der bewegliche Teil des Strahltransport- Systems. Sie besitzt eine isozentrisch rotierende Struktur, die 10 Meter hoch ist und 100 Tonnen wiegt. Auf der Gantry sind ein Abschnitt des Strahltransportwegs und die Nozzle installiert. Der bewegliche Teil des Strahltransportrohrs und der feststehende Teil am Ende der achromatischen 60 -Biegung zur Gantry hin sind durch eine einfache Rotationsdichtung verbunden. Unter anderem durch die Bewegungsmöglichkeiten der sechs Freiheitsgrade des Patientenpositionierungs-Systems (PPS) bietet die Gantry dem Radioonkologen ausreichende Flexibilität, um Patienten von allen Seiten aus zu bestrahlen. Die Gantry ist so aufgebaut, dass unter allen Betriebsbedingungen der Gantry, einschließlich aller Ausrichtungen, Interferenzen mit dem Strahlabgabe-System bei maximalem Zugang zum Patienten minimiert werden, dabei wird gleichzeitig die Isozentrumsposition innerhalb eines Abweichungsbereichs mit einem Radius von 1 mm beibehalten. 3

4 Abb.6:Aufbau des Heidelberger Ionenstrahl- Therapiezentrums HIT Intensitätsmoduliertes Rasterscanverfahren IMRT Abb.7: Das Prinzip des Rasterscanverfahren Beim Rasterscanverfahren wird das Zielvolumen in eine Reihe von hintereinanderliegenden Schichten aufgeteilt. Jede Schicht wird mit einem Netz von Bildpunkten besetzt. Beginnend mit der zu hinterste gelegenen Schicht (größte Tiefe), wird mit den beiden Dipolmagneten der Strahl über diesen Weg geführt. Die Ablaufsteuerung des Rasterscan-Systems regelt dabei die Teilchenintensität, die Energie und die Eindringtiefe so dass auf jeder Strahlposition die von der Bestrahlungsplanung vorgegebene Teilchenbelegung erzielt wird. Protonentherapie: 4 Abb.8: Vergleich des Verlaufs der Tiefendosis für Photonen und Protonen.

5 Der Verlauf der Tiefendosis der Protonen ist geprägt durch eine endliche Reichweite und einem steilen Anstieg der deponierten Energie am Ende der Reichweite, der als Bragg-Peak bezeichnet. Dieser Verlauf ermöglicht durch Modulation der Reichweiten das Zielvolumen dreidimensional konfirmierend zu bestrahlen. Bestrahlungsplanung: Fraktionieren 5 Abb.9: Fraktionierungseffekt von Strahlen an einer Zellkultur Die gesamte Dosis wird nicht innerhalb einer Bestrahlung, sondern in kleinen Portionen abgegeben. Diese Aufteilung nennt man Fraktionierung. Verantwortlich für diesen Effekt ist in erster Linie die Fähigkeit der Zellen, vorhandene DNA-Schäden zu reparieren. Wie man in der Abbildung 9 erkennen kann, ist diese Regenerationsfähigkeit bei gesunden Zellen besser als bei den Tumorzellen. Durch diesen Effekt erreicht man einen therapeutischen Gewinn. Zusammenfassung Elektronen und Photonen Vorteile und Nachteile + Bestrahlung von nicht scharf umgrenzten Tumoren + mehr Standorte + kostengünstig - starke Schädigung des gesunden Gewebes, dadurch mögliche Ursache für weitere Tumore Schwere Ionen und Protonen Vorteile und Nachteile + Bestrahlung von scharf abgrenzten Tumoren - wenige Standorte - teuer und aufwändig + präzise Dosisapplikation + geringe Anzahl an Bestrahlungssitzungen Es gibt keine Therapie, die für jeden Tumor gut geeignet ist, sondern ist für jeden Tumor eine eigene Therapie notwendig. Es Quellen Physikalische und strahlenbiologische Messungen zur Strahlentherapie mit Protonen, Diplomarbeit Miriam Fritsch, August 1996 Universität Erlangen Protonentherapie Neue Chance bei Krebs von Hans Rinecker

6 Skript Angewandte Medizinische Physik,pdf Spot-Scanning mit Protonen: Experimentelle Resultate und Therapieplanung, Doktorarbeit Stefan Scheib, 1993 Universität Karlsruhe bt keine Therapie, die für jede Tumor Art gut geeignet ist. Es gibt keine Therapie, die für jede Tumor Art gut geeignet ist. Für jede Tumor Art ist eine eigene Therapie notwendig. Für jede Tumor Art ist eine eigene Therapie notwendig. 6