Biomedizinische Physik in der Radioonkologie

Abteilung Biomedizinische Physik in der Radioonkologie

Prof. Dr. Joao Seco

Effektive biologische Ionen-Dosis verursacht DNA-Schäden
© dkfz.de

Strahlentherapie ist die am häufigsten angewendete Form der Krebstherapie, in etwa 70% der Fälle wird der Krebs entweder alleine mit Strahlung oder in Kombination mit Chemotherapie behandelt. Dabei werden hochenergetische Teilchen oder Wellen, zum Beispiel Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Elektronen, Protonen oder schwerere Ionen eingesetzt, um die Tumorzellen abzutöten oder zu schädigen. In den letzten Jahren ist das Interesse an der Bestrahlung mit Ionen (Protonen, Kohlenstoff-Ionen) stetig gewachsen. Der grundsätzliche Vorteil einer solchen Behandlung ist die begrenzte Reichweite (oder auch Eindringtiefe), an deren Ende ein signifikanter Teil der Gesamtdosis auf das Gewebe übertragen wird. Dies führt zu einem Maximum des Dosisübertrags am Ende der Teilchenbahn, dem so genannten "Bragg-Peak". Der Bragg-Peak ermöglicht, dass bei der Therapie keine Dosis auf distaleres (tiefer gelegenes) Gewebe übertragen wird, wodurch Nebeneffekte signifikant vermindert werden können. Allerdings ist es aufgrund von Unsicherheiten in Bestrahlungsplanung und der Bestrahlung selbst (Beschleuniger, Strahlführung etc.) nicht möglich, den Bragg-Peak präzise auf das distale Ende des Tumorvolumens zu platzieren. Daher werden, um die korrekte Gesamtdosis auf das Tumorvolumen zu übertragen, auch umliegende, gesunde Organe teilweise bestrahlt. Diese "Unsicherheit" mindert die durch Ionentherapie erzielbaren positiven Effekte und schmälert damit das klinische Potential dieser Bestrahlungsform, da zusätzliche Strahlung auf gesundes Gewebe übertragen wird.
Unsere gegenwärtige Forschung beschäftigt sich hauptsächlich mit:
1) der Entwicklung von neuartigen Bildgebungsmethoden, um die oben angesprochene „Unsicherheit“ beim Platzieren des Dosismaximums in der Ionentherapie zu reduzieren. Dabei wird der Fokus auf die Bildgebung mit Helium-Ionen und Prompt-Gamma-Spektroskopie gelegt.
2) der Untersuchung der Mechanismen, die bei der strahlungsinduzierten Beschädigung der DNA mittels reaktiver Sauerstoffspezies (ROS, "Reactive Oxigen Species") auftreten.

Ionentherapie bietet einen wesentlichen Vorteil gegenüber der konventionellen Strahlentherapie mittels Protonen. Der Grund ist das spezifische Tiefendosisprofil der Ionen (Bragg-Peak), das es erlaubt, den Dosisübertrag auf Gewebe proximal und distal zum Zielvolumen drastisch zu reduzieren. Das könnte im Gegenzug eine Erhöhung der Dosis auf das Tumorvolumen und einen besseren Schutz des umliegenden gesunden Gewebes erlauben. Damit könnten möglicherweise die lokale Kontrollrate und die Überlebensrate bei gleichzeitiger Reduktion der Toxizität und Steigerung der Lebensqualität verbessert werden. In der Zukunft wird eine breitgefächerte Anwendung der Ionentherapie bei der Behandlung von Krebs ermöglichen, die Überlebensrate signifikant zu steigern, während Nebeneffekte der Therapie auf ein Minimum reduziert werden. Allerdings muss die Kontrolle über die Positionierung des Bragg-Peaks innerhalb des Patienten verbessert werden, um die Vorteile der Ionentherapie voll ausnutzen zu können. Zudem ist ein besseres Verständnis der strahlungsinduzierten Beschädigung der DNA erforderlich. Sobald die Positionierung des Dosismaximums akkurat im Submillimeter-Bereich kontrolliert werden kann, können Nebeneffekte minimiert und der Tumor mit einer gesteigerten Dosis behandelt werden.

Kontakt

Prof. Dr. Joao Seco
Biomedizinische Physik in der Radioonkologie (E041)
Deutsches Krebsforschungszentrum
Im Neuenheimer Feld 280
69120 Heidelberg
Tel: +49 (0) 6221 42 2554

Ausgewählte Publikationen

  • J Seco, MF Spadea (2015) "Imaging in particle therapy: State of the art and future perspective" Acta Oncologica 54 (9) 1254-1258
  • J Verburg , J Seco (2014) "Proton range verification through prompt gamma-ray spectroscopy" Physics in Medicine and Biology 60 (3) 7089-7106
  • J Seco et al (2012) "Treatment of non-small cell lung cancer patients with proton beam-based stereotactic body radiotherapy: dosimetric comparison with photon plans highlights importance of range uncertainty" International Journal of Radiation
  • CA Collins-Fekete, L Volz, SKN Portillo, L Beaulieu, J Seco (2017) "A theoretical framework to predict the most likely ion path in particle imaging" Physics in Medicine and Biology (in press)
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