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Krebstherapie mit Ionenstrahlen

An der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt wurde eine Einrichtung in Betrieb genommen, mit der sich Tumoren unter weitgehender Schonung des umgebenden gesunden Gewebes zerstören lassen.


Viele unterschiedliche Ansätze und langwierige Forschungsarbeiten sind notwendig, um erfolgversprechende und umfassende Therapien von Krebs durchführen zu können. Die derzeit gängigen Behandlungsmethoden – Operation sowie Strahlen- und Chemotherapie – vermögen nur knapp die Hälfte aller Tumorpatienten zu heilen. Andere Verfahren wie die immunologische oder gentherapeutische Behandlung sind erst in Ansätzen verfügbar (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1997, Seite 48, sowie Spezial 5: Krebsmedizin, Spektrum der Wissenschaft, 1996).

Allein in Deutschland bringen die derzeitigen Therapiemethoden bei jährlich bis zu 70000 Menschen nicht den gewünschten Erfolg: Die Tumoren wachsen erneut, oder es haben sich bereits Metastasen in anderen Organen gebildet. Im ersten Fall war es trotz vorheriger genauer Darstellung des Tumors mit bildgebenden Verfahren nicht möglich, alle Krebszellen zu eliminieren. Oftmals liegt das daran, daß die biologische Wirksamkeit der für die Behandlung verwendeten hochenergetischen Röntgenstrahlen nicht ausreichte, so daß zelleigene Reparaturmechanismen die geschädigten Krebszellen wiederherstellten, oder daß der Röntgenstrahl nicht präzise genug auf das Tumorgebiet konzentriert werden konnte.

Diese prinzipiellen Mängel der Therapie mit Röntgenstrahlung lassen sich vermeiden, wenn man statt dessen Teilchenstrahlen nutzt. Hierzu eignen sich schnelle Protonen – die Kerne des Elements Wasserstoff – oder noch schwerere Ionen wie zum Beispiel solche des Kohlenstoffs, die sich mit Teilchenbeschleunigern auf die erforderlichen hohen Energien bringen lassen (Spektrum der Wissenschaft, Juni 1996, Seite 70). Ionen bieten mehrere Vorteile: Wegen ihrer großen Masse werden sie kaum durch Stöße mit Elektronen in der Materie des Gewebes abgelenkt, so daß sie den Körper auf einer geraden Bahn durchqueren; zudem ist ihre Reichweite genau definiert. Deshalb lassen sich bei präziser Diagnostik Ionen weitaus besser auf das Tumorgebiet konzentrieren als Röntgenstrahlen, wodurch zugleich andere Organe in der Umgebung der Geschwulst weniger belastet werden.

Ein weiterer Vorzug von Ionenstrahlen ist, daß sie ihre größte Dosisleistung erst in einer bestimmten Gewebetiefe am Ende der Teilchenbahn erreichen und nicht bereits dicht hinter der Stelle des Eintritts in den Körper (Bild 1 links) – gesundes Gewebe vor und hinter dem Tumor bleibt deshalb verschont, während die Tumorzellen wirksam zerstört werden. Je größer die Ordnungs- oder Protonenzahl der Teilchen im Strahl, desto mehr Energie übertragen sie auf den Tumorbereich und desto wirksamer sind sie. Freilich erhöht sich mit zunehmender Ordnungszahl auch die biologische Wirksamkeit im durchdrungenen gesunden Gewebe, was natürlich nicht erwünscht ist. Ein optimaler Therapieerfolg ist darum bei leichten Ionen wie etwa Kohlenstoff mit der Ordnungszahl 6 und der Massenzahl 12 zu erwarten.

Geladene Teilchen dieser Art schädigen vor allem am Ende der Reichweite die das Erbgut der Zellen enthaltenden DNA-Stränge durch Anhäufungen von Doppelstrangbrüchen, die dann vom körpereigenen Reparatursystem nicht oder nur schwer rückgängig gemacht werden können: Die Krebszelle wird dauerhaft zerstört. Protonenstrahlen hingegen erzeugen überwiegend nur einzelne DNA-Doppelstrangbrüche, die meist von der Zelle repariert werden können. Vor allem bei röntgenresistenten Tumoren ist deshalb die Therapie mit Kohlenstoffstrahlen erfolgversprechend.

Bisher hat man in der Krebstherapie mit Teilchenstrahlen weltweit hauptsächlich Protonen eingesetzt – bei mehr als 22000 Patienten, vorwiegend in den USA, Rußland, Japan und Frankreich, aber auch am Paul-Scherrer-Institut in Villigen (Schweiz) und neuerdings am Zyklotron des Hahn-Meitner-Instituts in Berlin. Insbesondere bei Augentumoren, deren Behandlung nur eine geringe Reichweite der Teilchen im Körper – und darum eine niedrige Protonenenergie – erfordert, ließen sich bemerkenswerte Erfolge erzielen: Bei 95 Prozent der – mehreren tausend – Patienten war selbst nach sieben Jahren keine Geschwulst im Auge mehr nachzuweisen. Auch bei Tumoren in der Nähe des Hirnstammes und der Halswirbelsäule, die häufig nicht zu operieren sind, und bei röntgenresistenten Tumoren wie fortgeschrittenen Prostatakarzinomen und Knochen- und Weichteilsarkomen sind gute Erfolge erzielt worden. An zahlreichen Institutionen wird die Krebstherapie mit Protonen ausgebaut; mehrere Anlagen wie die am Medizinischen Zentrum der Universität Loma Linda (Kalifornien) sind ausschließlich für die klinische Therapie konzipiert.

Erste Therapieversuche mit schwereren Ionen begannen bereits vor mehr als 40 Jahren am Lawrence-Berkeley-Nationallaboratorium in Kalifornien. Nur wenige hundert Patienten konnten an dieser inzwischen stillgelegten Grundlagenforschungseinrichtung behandelt werden. Nach dem sogenannten HIMAC (Heavy-Ion Medical Accelerator in Chiba) in Japan ist jetzt erstmals auch in Europa eine Nachfolgeeinrichtung in Betrieb gegangen: In einer beispielhaften Kooperation der Radiologischen Klinik der Universität Heidelberg, des ebenfalls dort ansässigen Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ), des Forschungszentrums Rossendorf bei Dresden und der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt wurde im September der Bestrahlungsplatz am Beschleuniger der GSI eingeweiht.

Schon Ende letzten Jahres waren die ersten zwei Patienten mit hochenergetischen Kohlenstoffionen behandelt worden. Sie hatten röntgenresistente Tumoren in der Hirnstammregion. In einem Fall war die Geschwulst nach einer zwei Jahre zurückliegenden Operation wieder gewachsen und hatte schließlich ein Stadium erreicht, das die Neurochirurgen als inoperabel einstuften; auch die Therapie mit Röntgenstrahlen allein versprach keine Heilung. Der zweite Patient war kurz nach der Diagnose 1997 mit hochdosierter Röntgenstrahlung konventionell behandelt worden; der – ebenfalls inoperable – Tumor wuchs jedoch bald darauf nach. Beide Patienten wurden nun einer Kombinationstherapie mit Kohlenstoff- und Röntgenstrahlen unterzogen, die sich als erfolgreich erwies. Eine wesentliche Grundlage dieser und weiterer inzwischen erfolgter Behandlungen an der GSI war die vorherige Auswertung der Bestrahlungen von mehr als 100000 biologischen Proben durch Gerhard Kraft und seine Mitarbeiter – vor allem von Säugetierzellen, an denen die Inaktivierung nach Bestrahlung sowie die erzeugten DNA-Brüche und Chromosomenschäden ermittelt wurden.

Das bei der GSI entwickelte neue Rasterscan-Verfahren nutzt die physikalischen Eigenschaften und die biologischen Wirkungen der Ionen in optimaler Weise. Ablenkmagnete sorgen für die zeilenweise Führung des Teilchenstrahls, während die Eindringtiefe durch die Energie der Teilchen eingestellt wird – bei 80 Millionen Elektronenvolt dringen sie zwei, bei 450 Millionen Elektronenvolt 32 Zentimeter in das Körpergewebe ein.

Die Strahlenergie im Beschleuniger muß sehr genau und schnell variiert werden, was hohe Anforderungen an die Beschleunigertechnik stellt. In 40 bis über 100 Schichten überstreicht der Ionenstrahl den Tumor zeilenweise, wobei die Strahlenergie im Sekundentakt reduziert wird. Die Abtastgeschwindigkeit ist Puls für Puls so eingestellt, daß an jedem Punkt die Dosis den vorher berechneten, für das Zerstören der Tumorzellen erforderlichen Wert erreicht. Wichtig ist dabei auch die unterschiedliche biologische Wirkung für die verschiedenen Teilchenenergien, die in langjähriger Forschung ermittelt wurde und in die jeweilige Bestrahlungsplanung, die gemeinsam mit dem DKFZ erstellt wird, mit einfließt.

Die Rasterscan-Methode mit Ionenstrahlen wurde bei der GSI speziell für die medizinische Anwendung entwickelt. Ein modernes Kontroll- und Sicherheitssystem steuert den Strahl entsprechend dem vorher festgelegten Behandlungsplan. Sollten Abweichungen davon auftreten, wird die Bestrahlung automatisch innerhalb von 300 Mikrosekunden unterbrochen.

Mit dem Verfahren der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), das am Forschungszentrum Rossendorf für die Teilchentherapie weiterentwickelt wurde, läßt sich während der Behandlung (Bild 3) die Dosisverteilung ohne zusätzliche Strahlenbelastung kontrollieren: Der Ionenstrahl erzeugt auf seinem Weg durch den Körper radioaktive Isotope, die Positronen – die Antiteilchen der Elektronen – aussenden. Nach kurzem Weg im Körpergewebe vereinigen sie sich mit Elektronen und erzeugen dabei je zwei Gammaquanten mit charakteristischer Energie, die mit speziellen PET-Kameras nachgewiesen werden und eine präzise Bestimmung der Dosisverteilung im Körper ermöglichen.

Aufgrund der außerordentlichen Genauigkeit der Methode lassen sich Patienten therapieren, bei denen wegen komplizierter Lage des Tumors operative Eingriffe und herkömmliche Bestrahlungsmethoden nicht anwendbar sind. Auch für röntgenresistente Tumoren sind die Heilungschancen durch die geschilderten Vorteile der Ionentherapie deutlich verbessert.

In einer Langzeitstudie soll nun die Wirksamkeit der neuen Therapie untersucht werden. In den nächsten fünf Jahren ist die Behandlung von 250 bis 350 Patienten mit strahlenresistenten Tumoren im Hirn- und Schädelbasisbereich geplant. Das Therapie-Projekt wird drei bis vier Blöcke Strahlzeit für jeweils drei Wochen im Jahr erhalten. Die eigentlichen Patienten-Bestrahlungen erfordern dabei ein- bis zweimal pro Stunde etwa 10 bis 15 Minuten Kohlenstoff-Strahl; dazwischen steht der Strahl weiter für physikalische Arbeiten zur Verfügung. Während eines Zeitblocks können maximal 20 Patienten behandelt werden. Sie werden von der Strahlenklinik der Universität Heidelberg betreut; für den Behandlungsplan und die Dosierung ist das DKFZ verantwortlich.

In der einzigen vergleichbaren Anlage im japanischen Chiba sind seit 1994 etwas mehr als 400 Patienten mit Kohlenstoffstrahlen behandelt worden. Doch selbst beide Einrichtungen zusammen können den Therapiebedarf bei weitem nicht decken.

Erweist sich die Ionenstrahltherapie als erfolgreich, wird man deshalb an den Bau kleinerer Beschleuniger mit nur etwa 18 bis 21 Metern Durchmesser für den Betrieb in Kliniken gehen können; die Kosten pro Stück – einschließlich der Gebäude – werden auf rund 100 Millionen Mark geschätzt. Mit seinen Einrichtungen zur Krebsforschung ist Heidelberg ein idealer Standort für ein erstes derartiges Gerät. Etwa 1000 Patienten im Jahr könnten an einem solchen Therapieplatz behandelt werden; eine entsprechende detaillierte Studie, welche die simultane Verwendung von Protonen- und Kohlenstoffstrahlen vorsieht, wurde bereits erstellt.

Langfristig ließe sich mit mehreren solchen Geräten die medizinische Versorgung derjenigen Krebspatienten sichern, deren klar abgrenzbare Tumoren wirksam mit Ionenstrahlen behandelt werden können. Dies ist ein wichtiges und zukunftsweisendes Beispiel dafür, wie durch physikalische Grundlagenforschung bedeutende medizinische Anwendungen angestoßen werden können, sowie für den Nutzen interdisziplinärer Zusammenarbeit.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1998, Seite 138
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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