Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2013

Ein radiobiologisches Modell für hypofraktionierte Krebsbehandlung mit Schwerionen

Prof. Dr. Katia Parodi
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik - Experimentalphysik/Medizinische Physik

Dr. Eleanor Blakely
Lawrence Berkeley National Laboratory
Cancer & DNA Damage Responses Department


Basierend auf den Pionierarbeiten in der Ionentherapie in Berkeley werden Kohlenstoffionen-Strahlen zunehmend in der Krebsbehandlung in Europa und Asien eingesetzt. In diesem Zusammenhang gibt es ein wachsendes Interesse in hypofraktionierte Behandlungsschemata, die bei bestimmten klinischen Indikationen eine bessere Ausnutzung unterschiedlicher biologischer Wirkungen in Tumor und normalem Gewebe zur Strahlenexpositon verspricht. Zusätzliche Vorteile sind höherer Patientenkomfort und ein höherer Durchsatz bei geringeren Kosten, um Ionenbehandlungen einer größeren Anzahl von Patienten zu ermöglichen. Da die biologische Auswirkung der Bestrahlung nicht linear von der physikalischen Dosis abhängt, muss der radiobiologische Prozess modelliert werden, um die biologische Wirksamkeit von verschiedenen Fraktionierungsschemata bestimmen zu können. Dieses Projekt zielt auf die sorgfältige Ausarbeitung eines radiobiologischen Modells, welches den Effekt der Bestrahlung sowohl im Tumor als auch im gesunden Gewebe abschätzt, wenn die applizierte Fraktionsdosis höher ist als die normalerweise angewandten 3-5 GyE, für die die gängigen Modelle optimiert wurden. Die Ergebnisse sollen, aufbauend auf sich ergänzenden experimentellen und theoretischen Expertisen von den zwei Instituten, zu einem besseren Verständnis des Einflusses der Bestrahlung von Krebspatienten beitragen, und so die klinische Implementierung von effektiver hypofraktionierter Behandlung vorantreiben.

Abschlussbericht
Experimentelle Studien zur Wirkung von Strahlung auf verschiedene Tierzelltypen sind essentiell für die Entwicklung von strahlenbiologischen Modellen, mit denen sich biologische Effekte auf menschliches Gewebe bei der Krebsbehandlung mit ionisierender Strahlung abschätzen lassen. Diese Modelle sind entscheidend für die Abschätzung der strahlenbiologischen Effekte im Tumor und im gesunden Gewebe, um ein besseres Behandlungsschema für den Patienten zu ermöglichen.

Bis heute beschränkt sich der Großteil der verfügbaren Literatur über die Fitparameter α und β des typischerweise verwendeten linear-quadratischen Modells von Zellüberlebensdaten zu berichten, was einen Vergleich zwischen verschiedenen Datensätzen wegen der großen Unsicherheiten bezüglich der zugrundeliegenden unterschiedlichen Dosimetrie-, Fit-Werkzeuge und anderen Faktoren in den verschiedenen Labors erschwert. Ein noch ungelöstes Dilemma in der Strahlenbiologie ist insbesondere, wie sich die Parameter der linear-quadratischen Modelle mit der Strahlenqualität oder dem Linear Energy Transfer (LET) verändern. In der Tat machen verschiedene strahlenbiologische Modelle oft radikal unterschiedliche Annahmen, insbesondere bezüglich der LET-Abhängigkeit des Parameters β, die entweder als konstant oder erhöht bzw. verringert mit LET angenommen wird. Zu diesem Zweck ermöglichte die Reisefinanzierung von BaCaTeC einen einzigartigen Zugang zu Rohdaten (d.h. vor der Fit) von In-vivo- und In-vitro-Überlebungskurve, die unsere Kooperationspartnerin Dr. Blakely in den letzten 40 Jahren mit verschiedenen Ionenstrahlen und somit LET gesammelt hatte. Diese Daten wurden mit einer neuartigen Methode analysiert, die auf der „Bayes'schen“ Analyse basiert, insbesondere mit dem Ziel, das noch ungelöste Dilemma zu lösen, indem Daten konsistent in derselben Institution verwendet werden. Erste Ergebnisse, die auf dem Workshop MIND-IBCT (Mikro- und Nanodosimetrie für Ionenstrahlkrebstherapie) im Mai 2014 präsentiert wurden, zeigten, dass innerhalb des Bereichs der klinisch relevanten LET-Werte (<150 keV / μm) die Daten eine Präferenz gegenüber einem konstanten, von der Strahlungsqualität unabhängigen β-Wert und einem korrigierten linearen α Parameter zeigen. Dies steht im Einklang mit der älteren Annahme der Theorie der Zweistrahlungsaktion von Kellerer und Rossi (1972).

Im Anschluss an diese Forschungslinie wurden die BaCaTeC-Mittel dafür eingesetzt, um Mitarbeitern des Lehrstuhls für Medizinische Physik der LMU durch einen Forschungsaufenhalt zu unterstützen, um strahlenbiologische Modelle in ein experimentelles Monte-Carlo-basiertes Protonen-Bestrahlungsplanungssystem zu integrieren und deren Unsicherheiten zu bewerten. Das entwickelte neue Tool ermöglichte eine umfassende Studie, die zum ersten Mal die Unsicherheiten quantifizierte, die aus der Anpassung des Modells an die biologischen Daten resultieren. Diese Arbeit führte zu einer Peer-Review-Veröffentlichung im European Journal of Medical Physics [1]. Die entwickelte Plattform wird in unserer Abteilung nach wie vor stark genutzt und bildet die Grundlage für weitere laufende Drittmittelprojekte, darunter auch andere inzwischen begonnene Kooperationen mit Kalifornien, die teilweise von BaCaTeC unterstützt werden.

[1] Resch A et al, Physica Medica 36 (2017) 91-102