Meilenstein in der Strahlentherapie
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- Kai Goldschmidt
- vor 7 Jahren
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Transkript
1 Meilenstein in der Strahlentherapie Krebstherapie mit Ionenstrahlen an der GSI
2 Ionenstrahltherapie schließt Versorgungslücke Gezielt gegen Krebszellen Die GSI betreibt eine Beschleunigeranlage für Ionenstrahlen von Weltrang. Forscher nutzen sie für Grundlagenforschung in unterschiedlichen Gebieten, wie Kern- und Atomphysik, Plasmaphysik, Materialforschung oder Biophysik. Dabei wurde eine bahnbrechende neue Krebstherapie mit Ionenstrahlen entwickelt. Seit 1997 werden Krebspatienten mit Ionen an der GSI bestrahlt. Bei über 270 Patienten (Stand Juli 2005) wurden Tumoren im Kopf- und Halsbereich und entlang der Wirbelsäule behandelt, die wegen ihrer Nähe zu Risikoorganen wie Hirnstamm oder Rückenmark nicht komplett operabel und wegen ihrer Resistenz gegen herkömmliche Strahlentherapie nicht beherrschbar sind. Mit der Ionenstrahltherapie kann das Wachstum solcher Tumoren effektiv gestoppt werden. Bei den meisten Patienten traten nur geringfügige Nebenwirkungen auf. Die Ionenstrahltherapie schließt somit eine Versorgungslücke in der Behandlung von Tumorerkrankungen. Zukünftig könnten auch Patienten mit Knochen- und Weichteilkarzinomen, Lungen- und Prostatakrebs von der Ionenstrahltherapie profitieren in Deutschland bis zu Patienten pro Jahr. Unter technischer Leitung der GSI wird zurzeit am Universitätsklinikum in Heidelberg das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum errichtet. Ab 2007 sollen dort 1000 Patienten jährlich behandelt werden. Ziel der Strahlentherapie ist es, Tumorzellen zu zerstören und gleichzeitig umliegende gesunde Zellen zu verschonen. Hierzu müssen sowohl die physikalische Dosis als auch die biologische Wirksamkeit im Tumor maximal, im gesunden Gewebe dagegen so gering wie möglich sein. Beschleunigte Ionen eignen sich für beide Zwecke besser als die herkömmlich genutzte hochenergetische Röntgenstrahlung (Photonen). Physikalische Dosisverteilung Bei Photonen erreicht die Dosis dicht unter der Haut ein Maximum und nimmt dann mit wachsender Eindringtiefe ab. Bei Ionen steigt sie langsam an und fällt am Ende der Reichweite nach einem scharfen Maximum steil ab. Dieses stecknadelkopfgroße Dosismaximum lässt sich durch Variation der Geschwindigkeit der Ionen präzise und gezielt über den Tumor führen und erzeugt dabei im gesunden Gewebe nur eine relativ geringe Dosis. Jede Stelle im Körper lässt sich so erreichen. Biologische Wirksamkeit Ein einzelnes Ion kann, wenn es einen Zellkern trifft, das Erbgut irreparabel schädigen und die Zelle damit töten. Dies geschieht vor allem am Ende der Reichweite, wo die lokale Energieabgabe der Ionen besonders hoch ist. Ionenstrahlen haben daher im Tumor eine höhere biologische Wirksamkeit als Photonen, deren Energieabgabe weitaus weniger konzentriert erfolgt. Je nach Strahlenart entspricht also eine bestimmte physikalische Dosis unterschiedlichen biologisch effektiven Dosen. Basierend auf GSI Know-How übernimmt Siemens Medical Solutions Produktion und Vermarktung für schlüsselfertige Therapieanlagen. Damit wird die neue Methode zur Bestrahlung von Tumoren einer noch größeren Patientenzahl zugänglich gemacht. Beispiel des Krankheitsverlaufs eines Patienten mit inoperablen Tumor im Kopfbereich. Bereits 6 Wochen nach der Bestrahlung ist der Tumor stark zurückgegangen.
3 Kohlenstoff: hochwirksam und chirurgisch präzise Bestrahlungsplanung, aktiver Strahl und Online-Therapiekontrolle Bei geeigneter Wahl der Ionenart kann bei deutlich geringerer Belastung gesunden Gewebes die biologisch effektive Dosis im Tumor im Vergleich zur Photonentherapie vervielfacht werden. In 15-jähriger strahlenbiologischer Forschung an der GSI wurde festgestellt, dass Kohlenstoff-Ionen optimal sind: Die höchste biologische Wirksamkeit fällt genau mit dem physikalischen Dosismaximum zusammen. Die Wirkungen potenzieren sich: Der Strahl kann am Ende seiner Reichweite Zellen besonders effektiv abtöten. Bei leichteren Ionen ist die biologische Wirkungssteigerung zu klein, bei schwereren setzt sie zu früh ein und schädigt das gesunde Gewebe vor dem Tumor. Um die Vorteile des Kohlenstoffs voll auszuschöpfen ist eine extrem tumorkonforme Bestrahlung nötig, wie sie mit herkömmlicher passiver Strahlanpassung durch Blenden und Absorber nicht möglich ist. An der GSI wurden zu diesem Zweck innovative Verfahren entwickelt: Ein weiterer Vorteil ist, dass die seitliche Streuung von KohlenstoffIonen deutlich geringer ist als die von Photonen und Protonen. Dadurch können auch tief im Körper sitzende Tumoren präzise bestrahlt werden. Biologisch optimierte Bestrahlungsplanung Gestützt auf strahlenbiologische Charakterisierung von KohlenstoffIonen konnten GSI-Biophysiker ein Modell zur quantitativen Bestimmung ihrer biologischen Wirksamkeit in unterschiedlich strahlenempfindlichen Geweben entwickeln. Dieses Modell und ein weiteres zur Simulation der physikalischen Dosisverteilung wurden erfolgreich in Standardsoftware zur Bestrahlungsplanung integriert. Es erlaubt die Berechnung der Solldosis für jeden Punkt, sog. Pixel, des Tumors. Intensitätsgesteuertes Rasterscanverfahren Die Reichweite des Strahls kann durch Variation der Anfangsgeschwindigkeit der Ionen gesteuert werden. Der Tumor wird so schichtweise abgetastet. Innerhalb einer Schicht erfolgt die Abtastung pixelweise durch horizontale und vertikale Ablenkung des Strahls mit Magneten. Bei Erreichen der berechneten Solldosis auf einem Pixel wird der Strahl zum nächsten Pixel geführt. Auf diese Weise können komplex geformte Tumoren millimetergenau bestrahlt werden. Online-Therapiekontrolle Auf ihrem Weg durch den Körper verwandelt sich ein kleiner Teil der Ionen in Positronen emittierende Kohlenstoff-Isotope praktisch gleicher Reichweite. Die Positronen zerstrahlen bei Kontakt mit Elektronen und setzen dabei zwei charakteristische Gammaquanten frei. Diese werden von einer PET-Kamera registriert und so die Lage des gestoppten Ionenstrahls bestimmt. Somit wird die Bestrahlung überwacht, ohne dass der Patient dadurch zusätzlich belastet wird. Ein wichtiger Beitrag zur Patientensicherheit.
4 Erfolgreiches Pilotprojekt an der GSI Klinische Anlage in Heidelberg Die GSI betreibt an ihrer Beschleunigeranlage im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts mit der Radiologischen Universitätsklinik Heidelberg, dem Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg (DKFZ) und dem Forschungszentrum Rossendorf (FZR) seit 1997 eine medizinische Bestrahlungseinheit für Kohlenstoff-Ionen. Für die ersten behandelten Tumoren an der Schädelbasis war die neuartige Therapie so überzeugend, dass sie bereits als Heilverfahren anerkannt wurde: Beobachtungen von 152 Patienten über drei Jahre hinweg zeigten, dass, je nach Indikation, das Wachstum des Primärtumors bei 81 bis 100% der Patienten gestoppt werden konnte. Dabei traten nur bei wenigen Patienten behandlungsbedürftige Nebenwirkungen auf. Ein Meilenstein in der Strahlentherapie. Das Pilotprojekt geht weiter: Für Tumoren an der Wirbelsäule werden die klinischen Studien fortgeführt. In einer neuen Studie sollen auch erstmals Patienten mit Prostatakrebs behandelt werden. Weitere technische Innovationen: Um die Ionen aus jeder beliebigen Richtung in den Körper des Patienten einstrahlen zu können ist eine drehbare Lagerung des Strahlführungssystems, ein so genanntes Gantry, nötig. An der GSI wurde erstmals ein Ionengantry mit integrierter Rasterscan-Technik entwickelt, das im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum erstmals eingesetzt wird. Für die Bestrahlung bewegter Organe, zum Beispiel der Lunge, muss der Therapiestrahl automatisch nachgeführt werden. Dafür wurde an der GSI eine Technik entwickelt, die bereits erfolgreich an Wasserphantomen erprobt wurde. Die im Pilotprojekt gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Konstruktion des Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrums HIT. Die GSI hat dafür einen maßgeschneiderten Beschleuniger entwickelt, der für den Routinebetrieb der Ionenstrahltherapie eingesetzt werden kann. Ab Herbst 2007 sollen am HIT mindestens 1000 Patienten pro Jahr mit inoperablen Schädelbasis- und Hirntumoren, Weichteilsarkomen und Prostatakarzinomen überwiegend ambulant behandelt werden. Die Gesamtkosten von 90 Mio EUR werden zu gleichen Teilen vom Universitätsklinikum Heidelberg und vom Bund getragen. Die Behandlungskosten pro Patient werden etwa EUR betragen. Dies entspricht etwa der Hälfte der Behandlungskosten, die derzeit für eine Protonenbestrahlung außerhalb Europas erhoben werden. Da außerdem bisher nicht erfolgreich therapierbare Patienten effektiv behandelt werden können, wird die HIT-Anlage voraussichtlich zu einer Entlastung der Kostenträger des Gesundheitswesens führen. Die hohe Zahl der künftig am HIT behandelten Patienten wird es erlauben, die neue Therapie in umfassenden klinischen Studien wissenschaftlich zu untersuchen. Das beinhaltet auch vergleichende Therapiestudien mit anderen Ionenarten und Protonen.
5 Die Zukunft der Ionenstrahltherapie Die Kohlenstoff-Ionenstrahltherapie ist ein besonders markantes Beispiel für erfolgreichen Wissens- und Technologie-Transfer von der Grundlagenforschung in die Industrie: Im Rahmen eines Kooperationsvertrages haben die GSI und Siemens Medical Solutions eine schlüsselfertige Therapieanlage für kombinierte Protonen- und Kohlenstoff- Ionen-Therapie entworfen. So soll die neue Therapie einem noch größeren Patientenkreis zugänglich gemacht werden. Darüber hinaus sind Therapieanlagen für Kohlenstoff-Ionen in ganz Europa geplant: In Wiener Neustadt, Lyon, Caen und Stockholm. Eine Anlage im italienischen Pavia ist in Bau und soll 2007 den Betrieb aufnehmen. Die GSI hat als führender Partner im European Network for LIGht Ion Hadron Therapy (ENLIGHT) zur Vernetzung der europäischen Anstrengungen in der Ionenstrahltherapie beigetragen. Die internationale Zusammenarbeit soll gewährleisten, dass die Ionenstrahltherapie allen europäischen Patienten zugute kommt. in Planung in Betrieb Gesellschaft für Schwerionenforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft Planckstraße Darmstadt Telefon Fax Web presse@gsi.de November 2004 / Fotos: A. Zschau, G.Otto
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