Klinik und Hochschulambulanz für Radioonkologie und Strahlentherapie
Campus Benjamin Franklin
Die klinische Radioonkologie entwickelte sich in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts weitgehend durch Empirie. Die Erforschung strahlenbiologischer Vorgänge ist somit ein relativ junger wissenschaftlicher Bereich der sich mit der Klärung der Hintergründe für Wirkungen und Nebenwirkungen durch Strahlen beschäftigt.
Physikalische Grundlage der Strahlentherapie ist die Übertragung von Energie auf biologisches Gewebe. Intrazelluläre Veränderungen führen dann zu Schädigungen, zu Reparationsmechanismen, zur Erholung oder zum Zelltod.
Das physikalische Maß für die Energieabgabe von Strahlung an Materie ist die Energiedosis, d.h. der Quotient aus absorbierter Energie und der Masse des Gewebes welches die Energie aufnimmt. Die SI-Einheit der Energiedosis ist Gray (engl. Physiker, Abk.: Gy). Ein Gray entspricht einem Joule pro Kilogramm.
Die Energieabgabe entlang des Weges einer Strahlung im Gewebe wird als linearer Energietransfer (LET) gemessen (mittlerer Energieverlust entlang des Weges, Einheit: keV/µm). Strahlung mit hoher LET weisen eine größere biologische Wirkung auf.
Man unterscheidet grob zwischen dünn und dicht ionisierende Strahlung, also zwischen Strahlung mit geringer und hoher Ionisierungsdichte. Dünn ionisierende Strahlung mit niedriger LET sind z.B. Röntgenstrahlen, Gammastrahlung, Betastrahlung und Elektronen, dicht ionisierende Strahlung z.B. Alphastrahlen oder schnelle Neutronen.
Verschiedene Strahlenarten (Elektronen, Photonen, Protonen, Schwerionen, usw.) können somit bei gleicher physikalischer Dosis unterschiedliche biologische Wirkungen auslösen (relative biologische Wirkung, RBW).
Zur Berücksichtigung dieser Unterschiede wurde die sogenannte Äquivalentdosis definiert, die sich aus der Energiedosis und einem der spezifischen Strahlung charakterisierten Bewertungsfaktor (q) zusammensetzt. Für Elektronen und Photonen ist q = 1, aber z.B. für Neutronen 10. Die SI-Einheit der Äquivalentdosis ist Sievert (Sv).
Die Übertragung und letztlich die Absorption der Energie der Strahlung im Gewebe resultiert aus unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Strahlenarten und Gewebemolekülen und –atomen (direkte und indirekte ionisierende Strahlung).
Die Prozesse der strahlenphysikalischen Wechselwirkungen laufen innerhalb von Sekundenbruchteilen ab.
Direkte Veränderungen lösen chemische Bindungen, indirekte beruhen auf der Radiolyse von zellulärem Wasser mit Bildung von Hydroxyradikalen, die ihrerseits mit biologisch wichtigen Molekülen chemisch eine Wechselwirkung eingehen.
Im Folgenden führen intrazelluläre Schädigungen verschiedenster Zellbestandteile bis zu Einzel- und Doppelstrangbrüchen der DNA, somit letztlich zu Mutationen und zum Zelltod.
Zellen können durch enzymatische Reparaturvorgänge die überwiegende Zahl der DNA-Schäden reparieren. Nicht- oder nicht vollständig reparierte Doppelstrangbrüche werden heute als wichtigster Mechanismus für die biologische Wirkung angesehen. Man nimmt an, daß durch eine Bestrahlung mit einer Dosis von einem Gray pro Zelle etwa 4000 - 5000 unterschiedliche DNA-Schäden auftreten, wobei der überwiegende Teil enzymatisch repariert wird.
Tumoren gehen aus den verschiedensten „Muttergeweben“ hervor. Ein typisches Merkmal hierbei ist, daß Tumoren viel schneller wachsen als die unveränderte normale Zelle des Gewebes aus dem sie hervorgegangen sind.
Die Zeit in der sich ein Tumor vom Volumen her verdoppelt ist abhängig von der Zellzykluszeit, der Wachstumsfraktion und des Zellverlustes. Die Zellzykluszeit gibt die Geschwindigkeit der Zellteilung an, die Wachstumsfraktion den Anteil der teilungsaktiven Zellen eines Tumors und der Zellverlust den natürlichen Zelltod von Tumorzellen durch mangelnde Nährstoff- oder Sauerstoffversorgung.
Zellen die ihre reproduktive Integrität (klonogene Fähigkeit) durch die strahlenbedingte genetische Schädigung verloren haben, werden nicht sofort entfernt, sondern bleiben zunächst intakt und können zunächst sogar noch einige Zellteilungen durchlaufen. Daher können Tumoren nach Beginn einer fraktionierten Strahlentherapie noch weiterwachsen, somit auch an Größe zunehmen, bevor dann eine Verkleinerung beginnt. Die Tumorschrumpfung während oder kurz nach Therapie hat aber nur einen geringen voraussagenden (prädiktiven) Wert für die lokale Tumorheilung.
Verschiedene Tumoren weisen unterschiedliche Strahlenempfindlichkeiten auf. Strahlenempfindliche Tumoren sind z.B. Seminome oder Lymphome, resistent sind dagegen z.B. maligne Gliome. Dies spiegelt sich auch in den Strahlendosen wieder, die zur Behandlung der verschiedenen Tumoren verwendet werden. Die Ursachen der Unterschiede der Strahlenempfindlichkeit von Tumoren unterschiedlicher Histologie sind nach wie vor weitgehend unbekannt.
Heilung setzt die Zerstörung aller klonogenen Zellen voraus. Eine Bestätigung dieses Vorgangs ist aber weder durch klinische noch durch radiologische Untersuchungen möglich. Erst ein Ausbleiben eines Wiederauftretens (Rezidivfreiheit) ergibt letztlich die Gewißheit über den Erfolg der Therapie.
