A1.3 Partikelstrahlentherapie

Thema

Geladene Teilchen – Protonen und Kohlenstoffionen – haben gegenüber Photonen einen physikalischen Vorteil hinsichtlich der Art und Weise, wie sie ihre Energie auf ihrem Weg durch den Körper abgeben: Anstatt ihre Energie gleichmäßig zu verlieren, konzentrieren geladene Teilchen den größten Teil davon am Ende ihres Weges, an einem Punkt, der als Bragg-Peak bezeichnet wird. Jenseits dieses Peaks sinkt die abgegebene Dosis nahezu auf null.

Photonen hingegen konzentrieren ihre Dosis nicht an einem einzigen Punkt: Sie geben beim Eintritt in den Körper eine hohe Anfangsdosis ab, die exponentiell abfällt, während sie sich durch den Körper bewegen. Daher gibt es immer eine Austrittsdosis jenseits des Tumors, die durch das Strahlungsprofil geladener Teilchen praktisch eliminiert wird. Dieser Unterschied in der Dosisverteilung der beiden Strahlungsarten ermöglicht es dem Tumor prinzipiell, mit geladenen Teilchen die gleiche Dosis wie mit Photonen zu erhalten, während das umliegende gesunde Gewebe deutlich weniger belastet wird.

Unter den geladenen Teilchen bieten Kohlenstoffionen einen zweiten, diesmal biologischen Vorteil gegenüber Protonen: Sie übertragen ihre Energie entlang ihres Weges viel konzentrierter auf das Gewebe – eine Eigenschaft, die als linearer Energietransfer bekannt ist. Diese konzentriertere Übertragung führt zu einer deutlich höheren relativen biologischen Wirksamkeit: Die gleiche physikalische Dosis, die mit Kohlenstoffionen verabreicht wird, verursacht zwei- bis dreimal mehr biologischen Schaden als die gleiche Dosis mit Photonen.

Dieser stärkere biologische Schaden durch Kohlenstoffionen hat noch eine weitere Eigenschaft: Anders als Photonen, deren biologischer Schaden von der Anwesenheit von Sauerstoff im Tumor abhängt, um sich voll zu entfalten, entfällt diese Sauerstoffabhängigkeit bei Kohlenstoffionen praktisch. Der von ihnen verursachte biologische Schaden ist daher nahezu gleich, unabhängig davon, ob Sauerstoff im Tumorgewebe vorhanden ist oder nicht.

Diese Unabhängigkeit von Sauerstoff ist genau das, was Kohlenstoffionen ihre besondere Wirksamkeit in hypoxischen Tumoren verleiht – also Tumoren, in denen wenig Sauerstoff vorhanden ist und Photonen einen Großteil ihrer Fähigkeit, Tumorgewebe zu schädigen, verlieren. Zusammengenommen sind die Bragg-Peak-Dosiskonzentration, die für alle geladenen Teilchen charakteristisch ist, und die verstärkte, sauerstoffunabhängige biologische Schädigung, die insbesondere durch Kohlenstoffionen hervorgerufen wird, die beiden Vorteile – der erste physikalische, der zweite biologische –, die es ermöglichen, mit der Strahlentherapie mit geladenen Teilchen Tumore mit einer höheren effektiven Dosis und wesentlich geringerer Schädigung des umgebenden gesunden Gewebes zu behandeln als mit Photonen allein.

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