Warum mit schweren Ionen schießen?

Die Wechselwirkung der Ionen mit Gewebe sorgt für den entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlicher Bestrahlungstechnik. Lesen Sie über die physikalischen Grundlagen und wie sich diese Therapieform entwickelte.

Lesen Sie im ersten Teil der Serie eine Einführung in die Tumortherapie mit Schwerionen und über die neue Bestrahlungsanlage im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT)

Physikalische Grundlagen

Grafik; die relative Tiefendosis von fünf  Bestrahlungsarten (Maximalwert fünf) ist gegen die Eindringtiefe pro Zentimeter Wasser (Maximalwert zwanzig) aufgetragen. Die blaue Kurve für Röntgenbestrahlung von 120 keV beginnt beim relativen Wert 2 und fällt quasi logarithmisch gegen 0, während die Wassertiefe 20 erreicht. Die violette Kurve für Cobalt-60-Gamma-Bestrahlung und die grüne für Photonenbestrahlung mit 18 MeV beginnen beide beim relativen Dosiswert 1, erreichen ihr Maximum bereits zwischen 1 und 3 Zentimeter Tiefe und fallen dann langsam ab; die grüne Kurve flacher bis auf Dosis 1, die violette Kurve etwas steiler bis auf 0,5.  Zwei weitere Kurven zeigen die Bestrahlung mit Kohlenstoff12-Ionen unterschiedlicher Energie, beide beginnen flach beim Dosiswert 1 und steigen erst zwischen 10 und 20 Zentimeter Wassertiefe steil an, um direkt wieder gegen 0 abzufallen; die rote Kurve für Kohlenstoffionen mit 250 MeV/u erreicht ihren Peak bei 12 cm Tiefe, die altrosa Kurve für 300 MeV/u bei rund 17 cm Tiefe.
Tiefendosis-Verteilungen von Photonen und Teilchenstrahlen

Der größte Vorteil von Ionenstrahlen, verglichen mit der konventionell genutzten elektromagnetischen Strahlung (Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlung, hochenergetische Photonen), ist der günstigere Verlauf der Strahlendosis mit zunehmender Eindringtiefe (Tiefendosis-Profil, siehe Grafik).

Ionen wechselwirken aufgrund ihrer Ladung mit den Elektronen des Gewebes, das sie durchfliegen. Bei hoher Anfangsgeschwindigkeit ist diese Wechselwirkung klein und die Ionen werden nur wenig gebremst. Damit ist die abgegebene Dosis im so genannten Eingangskanal der Bestrahlung klein. Mit wachsender Eindringtiefe werden die Ionen langsamer und die lokale Wechselwirkungszeit wird immer größer und damit auch die abgegebene Dosis. Deshalb steigt am Ende der Reichweite der Ionen die Dosis bis zu einem hohem Wert, dem so genannten Bragg-Maximum, steil an, um danach fast auf Null abzufallen, wenn das Ion zur Ruhe kommt. Dies ergibt insgesamt eine für die Therapie äußerst günstige Dosis-Verteilung mit niedriger Dosis am Anfang im gesunden Normalgewebe und großer Dosis am Ende der Teilchenreichweite im Tumorvolumen.

Derzeit werden in der Therapie die leichten Wasserstoffionen (Protonen) oder die schwereren Kohlenstoffionen eingesetzt. Sie werden in einer Ionenquelle erzeugt und im Beschleuniger auf hohe Geschwindigkeiten bis zu 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gebracht, um die nötige Eindringtiefe im Patienten zu erreichen. Ein typischer Therapiestrahl besteht aus einer bis zehn Millionen Kohlenstoffionen pro Sekunde oder 100-mal so vielen Protonen.

Herkömmliche Photonenbestrahlung

Bei der konventionellen Bestrahlungstherapie kommt statt der Strahlen aus ionisierten Teilchen elektromagnetische Strahlung zum Einsatz, also Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlung oder hochenergetische Photonen – die Quantenform elektromagnetischer Wellen.

Zwei Röntgenbilder eines Schädels von oben betrachtet, überlagert mit ellipsenförmigen bunten  Flächen, das jeweils rosafarbene Zentrum wird umgeben von roten, gelben, grünen, hellblauen und dunkelblauen Kreisflächen. Die Gesamtfläche auf dem linken Bild beschränkt sich auf die Mitte des Schädels und reicht quasi von Ohr zu Ohr, auf dem rechten Bild wird die gesamte Schädelfläche bedeckt.
Vergleich von Kohlenstoffbestrahlung und Photonenbestrahlung

Im Gegensatz zu den Ionen fällt die Strahlungsdosis für die dünn ionisierenden Photonen nach dem Eindringen in den Körper schnell ab. Nach einem anfänglichen Maximum, das für die Hochenergie-Photonen einige Zentimeter unter der Haut liegt, fällt die Kurve exponentiell ab. Deshalb ist bei einem tiefliegenden Tumor die Dosis vor dem Tumor größer als im Zielvolumen. Mit einem Trick gelingt es, dennoch eine hohe Tumordosis zu erreichen, ohne das Normalgewebe nachhaltig zu schädigen: Man benutzt viele Eingangskanäle und zielt aus verschiedenen Richtungen auf den Tumor (Kreuzfeuer-Technik). Damit wird die unerwünschte, integrale Dosis zwar nicht reduziert, aber über ein größeres Volumen verteilt.

In der modernen intensitätsmodulierten Radiotherapie (Intensity Modulated Radio Therapy, IMRT) wird für jeden Eingangskanal, bei sechs bis zehn Kanälen insgesamt, mit einem speziellen Kollimator die äußere Kontur des Strahls und seine Intensität passend verändert: So bekommt das Zielvolumen, das Tumorgewebe, nach dem Kreuzfeuer eine möglichst zielkonforme Bestrahlung mit homogener Dosis. Dieses Verfahren produziert sehr gute Dosis-Verteilungen im Tumor, allerdings auf Kosten einer relativ hohen Dosisbelastung über ein großes Volumen des gesunden Gewebes. Diese Belastung lässt sich nur mit Ionenstrahlen dramatisch verringern.

Erkenntnis und Entwicklung

Die deutlichen Vorteile der Dosis-Verteilung von Ionen gegenüber konventioneller Bestrahlung wurden schon 1946 von Robert R. Wilson erkannt, als er in Berkeley (USA) am damals neuen Zyklotron die Tiefendosis-Verteilung von Protonen- und Kohlenstoffionen gemessen hatte. Es dauerte zehn Jahre von seiner ersten Publikation über die Vorteile dieser Strahlen für die Tumortherapie bis zur Anwendung am ersten Patienten. In diesen Jahren wurden am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) und am Massachussetts General Hospital in Boston in Anlehnung an die konventionelle Therapie einfache technische Verfahren zur Patientenbestrahlung entwickelt, um den scharfen Primär-Strahl in der Breite und in der Tiefe dem Zielvolumen anzupassen. Mit Streufolien wird der Strahl seitlich aufgeweitet und mit variablen Kammfiltern in der Reichweite moduliert. Dadurch erzielt man eine höhere Dosis im Zielvolumen bei gleicher oder geringerer Belastung des Normalgewebes verglichen mit der konventionellen Therapie, ein damals entscheidender Schritt für eine bessere Therapie tiefliegender Tumoren.

Lesen Sie im nächsten Teil über die Intensitätsmodulierte Teilchentherapie mit dem Rasterscan-Verfahren.

 

Ionen

Ionen sind positiv geladene Atome, also Atome, denen ein oder mehrere negative Elektronen entrissen wurden. Im täglichen Leben finden wir Ionen zum Beispiel in den Neonröhren, in welchen einige Elektronen durch ein Feld beschleunigt werden und in Stößen weitere Elektronen-Ionen-Paare erzeugen. Bei diesem Prozess entsteht UV-Strahlung, die beim Auftreffen auf einen Leuchtstoff Licht produziert.

Weiterführende Literatur

Amaldi U., Kraft G.: Recent applications of Synchrotrons in cancer therapy with Carbon Ions. europhysics news,. Vol. 36, No. 4, pp.114-118, 2005

Schulz-Ertner D. et al.: Results of Carbon Ion Radiotherapy in 152 Patients. Int. J. Radiation Onc. Biol. Phys., Vol. 58, No. 2, pp. 631-640, 2004

Nikoghosyan A., Schulz-Ertner D., et al.: Evaluation of Therapeutic Potential of Heavy Ion Therapy for Patients with locally advanced Prostate Cancer. Int. J. Radiation Onc. Biol. Phys., Vol. 58, No. 1, pp. 89-97, 2004

Kraft G.: Tumor Therapy with Heavy Charged Particles. Progress in Part. and Nucl. Phys., Vol. 45, Suppl. 2, pp. S473-S544, 2000