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Strahlentherapie: Gelöste Elektronen gefährlicher als freie Radikale?

François G. — Tue, 09 Mar 2010 04:43:11 +0000

Prof. Dr. Bernd Abel Foto: Uni Göttingen

Göttinger Forscher entdecken möglichen neuen Mechanismus für Strahlenschäden an der DNA

(pug) Lange Zeit nahm man an, dass die Schäden an der menschlichen Erbsubstanz (DNA) durch Hochenergiestrahlung in erster Linie durch so genannte freie Radikale hervorgerufen werden. Wissenschaftler an der Universität Göttingen und am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation haben nun herausgefunden, dass ein anderes Teilchen bei der Bestrahlung möglicherweise viel gefährlicher für die DNA ist: ein hydratisiertes, also von Wassermolekülen umgebenes Elektron. Ihre Erkenntnisse könnten Folgen haben für den Einsatz von Strahlentherapien im Kampf gegen Krebs. »Unsere Forschungsergebnisse könnten dazu führen, dass Strahlungsdosen in Zukunft möglicherweise neu bewertet werden müssen. Der neue DNA-Spaltungsmechanismus könnte dabei möglicherweise auch Auswirkungen auf die Dosierung der Strahlentherapie von Krebs haben,« so der Leiter der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Bernd Abel von der Universität Göttingen. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift »Nature Chemistry« im Internet veröffentlicht.

45 Jahre nach der Entdeckung des freien gelösten Elektrons in Wasser gelang es den Forschern in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Leipzig und Berlin, erstmals die bisher unbekannte Bindungsenergie des Elektrons zu messen. Das ist die Energie, die benötigt wird, um das Elektron wieder aus der Wasserumgebung herauszulösen. Wenn Hochenergiestrahlung auf die DNA einer Zelle trifft, werden lebenswichtige Zellbestandteile zerstört und die Zelle damit abgetötet – ein Mechanismus, der bei der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs ausgenutzt wird. Gleichzeitig schädigt die Strahlung aber auch gesunde Zellen.

Neben freien Radikalen entstehen bei der hochenergetischen Bestrahlung von Wasser in biologischem Gewebe in Wasser gelöste Elektronen an Grenzflächen wie zum Beispiel Membranen oder den Wänden von Biomolekülen. Bei ihren Untersuchungen stießen die Wissenschaftler erstmals auf eine bisher unbekannte Spezies: das nur teilweise gelöste Elektron an einer Wasser-Grenzfläche. Dessen Existenz und Lebensdauer wiesen sie erstmalig mit einer schnellen Kamera für kurzlebige reaktive Teilchen nach. Diese Elektronen sind offenbar deshalb so gefährlich, weil sie aufgrund ihrer »gerade passenden« (Bindungs-)Energie ebenfalls DNA spalten können. Da sie lange leben, können sie ihre schädigende Wirkung zudem besonders gut entfalten.

Originalveröffentlichung: K. R. Siefermann, Y. Liu, E. Lugovoy, O. Link, M. Faubel, U. Buck, B. Winter and B. Abel. Binding energies, lifetimes and implications of bulk and interface solvated electrons in water. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/NCHEM.580.

Kontaktadresse:
Prof. Dr. Bernd Abel
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Chemie
Institut für Physikalische Chemie
Tammanstraße 6, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-3106, Fax (0551) 39-3150
E-Mail: babel@gwdg.de

Vielversprechende Therapie für Wirbelsäulen-Metastasen

François G. — Wed, 11 Nov 2009 15:30:24 +0000

Prof. Wenz demonstriert die korrekte Lage des Applikators für die IORT im Wirbelkörper. Photo: UMM

Weltweit erstmalig: Intraoperative Radiotherapie während der operativen Therapie des Wirbelkörpers
Am Orthopädisch-Unfallchirurgischen Zentrum der Universitätsmedizin Mannheim (UMM) ist unter Mitwirkung der Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie im Rahmen einer Studie weltweit erstmals ein neues, vielversprechendes Behandlungsverfahren für Metastasen der Wirbelsäule angewendet worden. Es handelt sich um ein kombiniertes Verfahren, bei dem die Knochenmetastasen durch einen minimal invasiven Zugang zunächst intraoperativ bestrahlt werden und anschließend der Wirbelkörper über denselben Zugangsweg mittels der so genannten Kyphoplastie stabilisiert wird.

Das neue Verfahren verspricht neben der sofortigen Schmerzlinderung durch die Kyphoplastie eine sichere Therapie der Metastasen, bedingt durch die hohe lokale Strahlendosis, die direkt am Zielort appliziert werden kann.

Der Wirbelkörper wird nach der IORT mittels Ballon-Kyphoplastie aufgefüllt. Photo: UMM

Eine Vielzahl von bösartigen Tumoren neigt dazu, in den Knochen Tochtergeschwülste zu entwickeln. Knochenmetastasen siedeln sich vor allem in den Wirbelkörpern an. Mit der Metastasierung geht eine schmerzhafte Auflösung des Wirbelkörpers einher, die häufig die Bewegungsfähigkeit im täglichen Leben stark einschränkt. Eine Therapie in dieser Situation hat zum Ziel, das Tumorwachstum am Rückenmark zu stoppen sowie den Wirbel zu stabilisieren und den Patienten vom Schmerz zu befreien.

Standardtherapie ist bislang die Bestrahlung des von der Metastase betroffenen Wirbelkörpers durch die intakte Haut hindurch (perkutan). Der auf diese Weise behandelte Knochenanteil kann sich wieder zu tragfähigem Knochen regenerieren, was jedoch in der Regel mehr als drei Monate in Anspruch nimmt. Zudem treten bei dieser Behandlung in etwa zehn Prozent der Fälle Rezidive auf, da nur eine geringere Strahlendosis eingesetzt werden kann, um Haut und gesundes Rückenmark zu schonen.

Selten kommen operative Verfahren zur Stabilisierung der Wirbelkörper und Schmerzminderung zur Anwendung. Bei der Methode der Kyphoplastie, die ansonsten vor allem zur Stabilisierung von osteoporotischen Wirbelfrakturen zum Einsatz kommt, werden die eingebrochenen Wirbelkörper mithilfe von eingespritztem Knochenzement stabilisiert.

Am Orthopädisch-Unfallchirurgischen Zentrum (Professor Dr. Udo Obertacke) ist es, unter der Mitwirkung der Klinik für Strahlentherapie (Professor Dr. Frederik Wenz), weltweit erstmals gelungen, die Bestrahlung eines Tumor-befallenen Wirbelkörpers minimal invasiv – durch einen Schnitt von weniger als einem Zentimeter – direkt im Wirbelkörper durchzuführen und diesen gleichzeitig durch Knochenzement zu stabilisieren.

Der Therapieansatz basiert auf den unfangreichen und guten Erfahrungen der Mannheimer Strahlenklinik mit der Intraoperativen Strahlentherapie (IORT) der Brust, die hier bereits seit Jahren in enger Kooperation mit der Universitäts-Frauenklinik konsequent und erfolgreich angewendet wird – mit einer verkürzten Strahlenbehandlung und niedrigeren Rückfallraten. Darüber hinaus wird hier eine große Studie zur IORT der Brust koordiniert, an der sich in Deutschland 9 und weltweit 24 Zentren beteiligen.

Bei der IORT sowohl der Brust als auch zur Behandlung von Wirbelsäulen-Metastasen wird die Strahlung mithilfe eines mobilen Bestrahlungsgerätes (INTRABEAM®, Carl Zeiss Oberkochen) mit hoher Präzision appliziert. Trotz des Einsatzes einer relativ hohen Strahlendosis wird dabei das umgebende gesunde Gewebe geschont.

Das neue Behandlungsverfahren für Wirbelsäulen-Metastasen kann derzeit nur im Rahmen einer klinischen Studie angewendet werden. Profitieren könnten von dieser Therapie Patienten mit einzelnen Knochenmetastasen in Wirbelkörpern, die schmerzhaft sind oder von ihrer Größe her das Rückenmark zu erreichen drohen. Bei etwa 30 Prozent aller an Wirbelsäulenmetastasen erkrankten Patienten würde sich eine Kyphoplastie in Kombination mit einer IORT anbieten.

Kontakt UMM -Orthopädisch-Unfallchirurgisches Zentrum Prof. Dr. med. Udo Obertacke
und Klinik für Strahlentherapie Prof. Dr. Wenz

Urknall in der Strahlentherapie

François G. — Thu, 13 Aug 2009 17:27:17 +0000

Prof. Dr. Claus Belka, Direktor der Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie, LMU München (Foto: LMU)

Ärzte am Münchner Uniklinikum der LMU nutzen Erkenntnisse aus CERN für die bestmögliche Strahlenbehandlung
Intensitätsmodulierte Strahlentherapieverfahren (IMRT) haben seit einigen Jahren Einzug in die klinische Routine in der Strahlentherapie gehalten. Mit der so genannten Intensitätsmodulation, deren technische Spielarten auch die Tomotherapie und das Cyberknife umfassen, ist es möglich, hochkomplexe Zielvolumina zu umschließen und somit die Nebenwirkungswahrscheinlichkeit deutlich zu reduzieren.

Das aktuell im Klinikum der Universität München eingeführte Bestrahlungsverfahren wurde durch die Arbeitsgruppe für medizinische Physik unter der Leitung von Dr. Markus Alber an der Universität Tübingen federführend entwickelt und dort von einem Ärzteteam um Prof. Claus Belka und Dr. Ute Ganswindt in die breite klinische Routine eingeführt. Aus dem Entwicklungsprototyp ist in Zusammenarbeit mit der Firma Computerized Medical Systems (Saint Louis/USA und Freiburg/Deutschland) ein kommerzielles Produkt entwickelt worden. Diese Bestrahlungsplanungs-Software, die als MONACO bezeichnet wird, kommt aktuell an der Universität München erstmalig zum klinischen Einsatz in Deutschland. Die Berechnungsverfahren (»Monte Carlo-Algorithmen«), die zur Planung der optimalen Strahlungsbehandlung angewandt werden, resultieren zum Teil aus der Grundlagenforschung aus der internationalen Großforschungseinrichtung CERN im Kanton Genf/Schweiz. In riesigen Teilchenbeschleunigern werden dort unter anderem Versuche zur Entstehung der Welt und zum Urknall durchgeführt. Um das Verhalten der Teilchen zu analysieren, bedarf es komplexer Rechenvorgänge, die auch bei der medizinischen Behandlungsplanung in der Strahlentherapie von Nutzen sind.

Hohe Rechenleistung sorgt für geringe Nebenwirkungen

Vorteil dieses IMRT-Verfahrens der zweiten Generation ist u. a. die Implementierung von so genannten Monte-Carlo-Berechnungsroutinen, mit denen es möglich ist, die Dosisverteilung, die bei der Bestrahlung im Patienten erzielt wird, mit bislang unerreichter Präzision vorauszuberechnen. Insbesondere bei komplizierten Dosisverteilungen an Grenzflächen zwischen Luft und Knochen, wie sie bei Bestrahlung im Gesichtsschädelbereich auftreten, bietet dieses Dosisberechnungsverfahren eine optimale Möglichkeit, die Dosen im behandelten Patienten im Voraus hochpräzise im Computer abzubilden. Neben dieser optimalen Vorausberechung von Dosisverteilungen ist es mit dem neuen Bestrahlungsplanungssystem erstmalig möglich auf das biologische Reaktionsverhalten von gesunden Geweben spezifisch Rücksicht zu nehmen und die Strahlenverteilung somit zu perfektionieren. Somit ermöglichen es die im Programm implementierten Computerroutinen dem behandelnden Arzt auf einfache Weise, die bestmögliche Entscheidung zwischen einer möglichen Schädigung von umliegenden Normalgeweben und einer optimalen Behandlung des Tumors zu treffen.

Einfachere Anwendung bedeutet größere Sicherheit für Patienten

Der Linearbeschleuniger wird für die Therapie vorbereitet (Foto: LMU/Klinikum Aktuell)

Mit diesem Verfahren wird die Anwendung von IMRT erheblich vereinfacht und dem behandelnden Arzt eine viel intuitivere Steuerung der Bestrahlungsplanung ermöglicht. Für den Patienten bedeutet es im Umkehrschluss, dass immer das Optimum des physikalisch Erreichbaren in der Bestrahlungsplanung angeboten werden kann. Das aus Tübingen nach München gewechselte Behandlungsteam hat im klinischen Einsatz mit dem Prototyp dieses Behandlungsplanungssystems bereits weit mehr als 700 Patienten mit Tumoren der Prostata, des Kopf-Hals-Bereiches und des Gesichtsschädels, inklusive von komplexen Meningeomen, behandelt. In wissenschaftlichen Untersuchungen konnte die hohe Effizienz und die effektive Normalgewebsschonung dieses Verfahrens belegt werden.

In Kombination mit Linearbeschleunigern, die über eine Ausstattung mit einem Cone-Beam-CT zur präzisen Lagerungskontrolle des Patienten verfügen, kann mit dieser Bestrahlungsplanungstechnologie eine – im Rahmen der physikalischen Grenzen – perfekte IMRT-Bestrahlung erreicht werden.

Kontakt:
Prof. Dr. Claus Belka
Direktor der Klinik und Poliklinik
für Strahlentherapie und Radioonkologie
Klinikum der Universität München
Tel: 089 7095-4521 (Campus Großhadern)
Und 089 5160-7561 (Campus Innenstadt)
E-mail: claus.belka@med.uni-muenchen.de

Ein Interview mit Prof. Belka zur Strahlentherapie an der LMU als PDF