Alternativen in der Tele-Radiotherapie

Biologische Wirkung

Bei Applikation gewisser Energiemengen auf Moleküle, gleich womit, reagieren diese monoton mit der Abspaltung von Elektronen und positiver Aufladung des Molekülrestes (Ionisation). Im Körpergewebe führt die Ionisation zu einer Radikalenbildung, die ihre Hauptkonsequenzen durch Genschäden, nämlich Brüche der DNS-Helix, entfaltet. Relevant sind dabei für die Zelle irreparable Helixdoppelstrangbrüche, da Einzelstrangbrüche enzymatisch repariert werden. Da der Effekt der Ionisation nicht von der Strahlenart abhängt, bestimmt lediglich die lokale Dichte der auftretenden Ionisationen letztlich die biologische Wirkung der Strahlung. Insbesondere Protonen und Photonen besitzen eine vergleichbare Ionisationsdichte, weshalb in der bestrahlten Zelle die gleiche Wirkung zu erwarten ist – was die Wertigkeit der im Körper deponierten Ortsdosis betont.

Neutronenstrahlen

Neutronenbestrahlung wurde in der Vergangenheit als therapeutisch interessant eingestuft, da sie dicht gebündelte Niedergeschwindigkeitsprotonen freisetzt, die zu vielen DNS-Doppelstrangbrüchen führen. Die Hoffnung auf klinische Vorteile hat sich nicht erfüllt, da

ihre auf das Atomteilchen bezogene hohe relative biologische Wirksamkeit (RBW) auf die Herstellungskosten bezogen verschwindet.
die hohe RBW die therapeutische Breite nicht vergrößerte, sondern die Nebenwirkungen parallel ansteigen ließ.
die Neutronen als ladungsfreie Teilchen schwer zielbar sind und zum Teil in Kernreaktoren generiert werden mussten und schließlich
die hohe relative biologische Wirksamkeit (RBW) dazu führt, dass eine bestimmte therapeutische Dosis durch Einsatz nur vergleichsweise weniger Partikel erreicht wird. Dadurch kommt eine mikroskopische Zufallsstreuung zum Tragen, die auch bei hohen Durchschnittsdosen im mikroskopischen Bereich zum Überleben einzelner Tumorzellen führende Dosisschwankungen nach unten ergibt.
Neutronenstrahlung im Körper eine ähnlich ungeeignete Tiefendosisverteilung wie Photonenstrahlung aufweist, siehe Abbildung 1.

Aus diesen Gründen wurden in Deutschland und den USA die überwiegende Anzahl der Neutronenbestrahlungseinrichtungen in den 90er-Jahren stillgelegt.

Heavy ions

Als Schwerionen werden in diesem Zusammenhang alle Atomkerne von Elementen, die schwerer als Wasserstoff sind, bezeichnet, für Bestrahlungszwecke z. B. Helium, Kohlenstoff, Neon. Man verspricht sich hiervon (z. B. GSI, Darmstadt) die für schwere geladene Teilchen typische Bragg-Peak-Dosisverteilung in Kombination mit Neutronen-typisch höheren RBWs. Ein flächendeckender klinischer Einsatz ist wegen

der „downstream" des Bragg-Peaks im gesunden Gewebe deponierten Dosis, die aus der verlängerten Reichweite von Ionen-Fragmenten resultiert (vgl. Abbildung 16 für Neon-Ionen) fraglich, er scheidet unseres Erachtens wegen
zu hoher Kosten aus.

Dieses Verfahren befindet sich in einem frühen Stadium der klinischen Erprobung und ist ausschließlich auf wissenschaftliche Anwendungen begrenzt. Der Vorteil der Protonen liegt besonders darin, dass die jahrzehntelange Erfahrung mit Photonen bezüglich Toleranzdosen des Normalgewebes und der benötigten Tumordosen übernommen werden können. Dies ist bei schweren Ionen nicht möglich, da diese eine andere, schwieriger vorhersagbare biologische Wirksamkeit entfalten.

Die aus Protonen und Neutronen zusammengesetzten schweren Atomkerne weisen gegenüber den Protonen ein ungünstigeres Ladungs-/Massenverhältnis und daher eine erschwerte Steuerbarkeit auf. Zielgeräte (Gantries) wiegen für Protonen unter 100 Tonnen, für Kohlenstoffatome 600 Tonnen pro Bestrahlungsplatz.

Subatomare Partikel

Klinisch getestet wurden auch Pionen (Paul-Scherer-Institut, Zürich). Technischer Aufwand und beobachtete Wirkung schienen nicht im sinnvollen Verhältnis zueinander zu stehen. Daher wurden alle Pionenbestrahlungsanlagen weltweit stillgelegt.

Dosisadaptierte Multiportallinearbeschleuniger (IMRT):

Es wurde der Versuch unternommen, mittels Hochtechnologie konventionelle Linearbeschleuniger hochzurüsten. Diese Weiterentwicklung wurde auch getrieben von der befürchteten Einführung von Protonenbestrahlungs-Centren: Die Zahl der Portale (Strahlrichtungen) soll erhöht werden bis ggf. zur Bestrahlung unter Bewegung der Strahlrichtung. Aus Angst vor Nebenwirkungen reduziert zu bestrahlende Gebiete werden mit Partialdosen bestrahlt. Diese Verbesserungen

führen jedoch zu verlängerten Behandlungsdauern, gestiegenem Planungsaufwand und damit erhöhten Therapiekosten bei Linearbeschleunigern.
können mit Protonenbestrahlungsapparaturen genauso vollzogen werden (Scanning-Technik).
vermögen bei Photonen den ungünstigen Quotienten Nutz-/Schadensstrahlung nicht zu verbessern, siehe Abbildung 2, und
können den grundlegenden physikalischen Vorteil der geringeren Dosis im Normalgewebe bei Protonenbestrahlung nicht ausgleichen.

Letztlich verwischt IMRT lediglich die Nebenwirkungen (unerwünschte DNS-Doppelstrangbrüche) über größere gesunde Gewebevolumina, ohne die Verdünnung der Dosis soweit führen zu können, dass die Strahlung harmlos würde, siehe Abbildung 3. Daher hat sich in der Protonentherapie der derogative Begriff „Dosisbad" für diese modernen Photonentechniken etabliert.