A1.1 Strahlenbiologie

Thema

Wenn ionisierende Strahlung lebende Materie durchdringt, gibt sie Energie ab, die deren Molekularstruktur verändern kann. Diese Wechselwirkung zwischen ionisierender Strahlung und lebender Materie ist das grundlegende physikalische Prinzip des gesamten A1-Blocks und bildet die Basis für die drei darauf basierenden Module – externe Strahlentherapie, Partikeltherapie und Brachytherapie –, die sich lediglich in der räumlichen und zeitlichen Verteilung dieser Dosis in der lebenden Materie unterscheiden.

Innerhalb der lebenden Materie ist das genetische Material jeder Zelle das empfindlichste Ziel für diese Veränderung: Ionisierende Strahlung schädigt das genetische Material direkt, und diese Schädigung konzentriert sich vor allem auf Doppelstrangbrüche. Dabei werden beide Stränge des genetischen Materials gleichzeitig durchtrennt, und die Zelle kann diese nicht so leicht reparieren wie einen Einzelstrangbruch.

Auf einen Doppelstrangbruch reagiert die Zelle auf eine von drei Arten: Sie leitet Reparaturmechanismen ein, die versuchen, das genetische Material in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen; sie unterbricht ihren Zellzyklus, während diese Reparatur stattfindet; oder, wenn die Schädigung ihre Reparaturkapazität übersteigt, unterliegt sie der Apoptose und stirbt ab. Die Kombination dieser drei Mechanismen, angewendet auf alle bestrahlten Zellen, bestimmt das Zellüberleben: Je mehr Zellen ihr genetisches Material reparieren oder den Zellzyklusarrest überstehen, desto höher ist die Überlebensrate; je mehr Zellen diese Schwelle überschreiten und Apoptose erleiden, desto niedriger ist sie.

Das linear-quadratische Modell quantifiziert dieses Zellüberleben in Abhängigkeit von der vom lebenden Gewebe aufgenommenen Strahlendosis: Bei niedriger Einzeldosis steigt der Verlust an Zellüberleben annähernd proportional zur Dosis, da die lineare Komponente des Modells dominiert. Steigt die Dosis pro Fraktion, nimmt der Verlust an Zellüberleben schneller zu als die Dosis selbst, da die quadratische Komponente hinzukommt und die Reaktion nicht mehr einfach proportional ist, sondern sich beschleunigt. Daher schließt das linear-quadratische Modell die Lücke zwischen der Physik der Dosimetrie, die die Dosis und ihre zeitliche Verteilung im lebenden Gewebe bestimmt, und der klinischen Praxis der Fraktionierung, die die zeitliche Verteilung dieser Dosis festlegt.

Die klinische Fraktionierung nutzt genau diesen Unterschied im Verhalten zwischen niedrigen und hohen Dosen: Anstatt die gesamte Dosis auf einmal zu verabreichen, wird sie in kleine, im Abstand von mehreren Stunden verabreichte Dosen aufgeteilt. So kann das lebende Gewebe zwischen den einzelnen Fraktionen seine zellähnliche Reparaturfähigkeit wiederherstellen, beschädigtes genetisches Material reparieren und dadurch seinen ursprünglichen Zustand wiedererlangen, um weiterer ionisierender Strahlung standzuhalten. Damit schließt sich der Zyklus zwischen Dosis und Reparatur. Im Tumorgewebe ist diese Reparaturfähigkeit jedoch weniger effizient, und Tumorzellen akkumulieren Doppelstrangbrüche, die sie zwischen den einzelnen Fraktionen nicht rechtzeitig reparieren können.

Zusammengenommen bildet diese Kette – von ionisierender Strahlung über das genetische Material und das durch das linear-quadratische Modell bestimmte Zellüberleben bis hin zur klinischen Fraktionierung – die gemeinsame physikalische Grundlage der drei Module, die von Block A1 abhängen: externe Strahlentherapie, Partikeltherapie und Brachytherapie. Alle drei Verfahren verändern, wo und wann ionisierende Strahlung ihre Dosis auf lebendes Gewebe abgibt – von außerhalb des Körpers, über Partikel, oder aus dem Tumorgewebe selbst –, aber alle drei beruhen ausnahmslos auf der gleichen Schädigung des genetischen Materials, der gleichen zellulären Reaktion und dem gleichen hier beschriebenen linear-quadratischen Modell zur Vorhersage und Kontrolle des Zellüberlebens, das letztendlich darüber entscheidet, ob die Behandlung ihren Zweck erfüllt: die Zerstörung des Tumorgewebes und die Erhaltung des umgebenden lebenden Gewebes.

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