Team 3

Optimierte intensitätsmodulierte Strahlentherapie

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Strahlentherapie: Gratwanderung zwischen Unterdosierung des kranken und Überdosierung des gesunden Gewebes
Die Strahlentherapie ist nach der Chirurgie die erfolgreichste und am häufigsten eingesetzte Therapie bei Krebserkrankungen. Sie kommt heute bei mindestens der Hälfte aller Krebspatienten zum Einsatz, das sind in Deutschland etwa 250.000 Patienten pro Jahr. Bei einer Strahlentherapie soll idealerweise allen Tumorzellen eine so hohe Strahlendosis verabreicht werden, dass der Tumor zerstört wird. Dies ist eine schwierige technische Herausforderung, weil bösartige Tumore manchmal dicht neben sehr strahlenempfindlichen gesunden Organen liegen, wie etwa Augen, Sehnerv und Hirnstamm, Rückenmark, Darm oder Lunge. Diese sogenannten „Risikoorgane“ dürfen durch die Bestrahlung nicht geschädigt werden. Die Situation wird noch komplizierter, wenn das Tumorgewebe selbst relativ schlecht auf eine Bestrahlung anspricht und sehr hohe Strahlendosen notwendig sind, um eine therapeutische Wirkung zu erzielen.

Optimierung der Strahlendosisverteilung als Forschungsziel
Ziel der Forschungsarbeiten des Teams am Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) ist es, eine Bestrahlung zu erreichen, bei der Tumorvolumen und Bestrahlungsvolumen möglichst deckungsgleich sind. Die Verteilung der Strahlendosis im Gewebe muss so gestaltet sein, dass die therapeutisch wirksame Strahlendosis konzentriert auf das Tumorvolumen einwirkt und hier die maximale therapeutische Wirkung entfaltet. Im angrenzenden gesunden Gewebe dagegen soll die Strahlendosis möglichst so niedrig sein, dass sie für das jeweilige Normalgewebe ungefährlich ist. Denn je präziser eine Bestrahlung ist und je besser gesundes Gewebe geschützt werden kann, desto höher darf die dem Tumor verabreichte Strahlendosis sein und desto größer ist auch die Heilungschance für den Patienten.

Der erste Durchbruch: Die „dreidimensionale Strahlentherapieplanung“
Das DKFZ-Team entwickelte schon in den Jahren 1980-1990 ein Computerverfahren, das die Strahlentherapie wesentlich verbesserte: die „dreidimensionale Strahlentherapieplanung“. Anhand von CT-Bildern des Patienten kann mit diesen Programmen innerhalb von Sekundenbruchteilen eine Computersimulation des vom Tumor befallenen Körperareals auf dem Bildschirm dargestellt und die Dosisverteilung im Gewebe vorausberechnet werden. Diese Planung wird heute überall in der Strahlentherapie eingesetzt.

Die Grenzen der heutigen Strahlentherapie: Unregelmäßig geformte Tumoren
Bei kompliziert geformten Tumoren, die in unmittelbarer Nähe von strahlenempfindlichem gesunden Gewebe liegen, stößt auch die dreidimensional geplante Strahlentherapie an ihre Grenzen. Praktisch unmöglich ist es, Tumoren mit konkav geformten Einbuchtungen zu bestrahlen, in denen ein Risikoorgan liegt. Hier wird der Tumor in der Regel unterdosiert bestrahlt, um Komplikationen an den Organen zu vermeiden. Damit sinkt jedoch die Heilungschance des Patienten.

Der zweite Durchbruch: Die „intensitätsmodulierte Strahlentherapie IMRT“
Ein Ausweg aus dem Dilemma der Dosierungs-Gratwanderung zeichnet sich durch ein neues Verfahren ab, das die Gruppe am DKFZ in den letzten 10 Jahren entwikcelt hat: die „intensitätsmodulierte Strahlentherapie“ (engl.: Intensity-modulated Radiotherapy, IMRT). Bei der bisher durchgeführten Strahlentherapie haben alle Bestrahlungsfelder eine konstante Intensität: Betrachtet man den Therapiestrahl im Querschnitt, so ist an jedem Punkt dieses Feldes die Strahlungsintensität gleich hoch. Bei der neuen „intensitätsmodulierten Strahlentherapie“ wird die Intensität der Strahlendosis innerhalb eines Bestrahlungsfeldes verändert (´moduliert´). Es wird also nicht mehr eine gleichmäßige Intensität gewählt, sondern das Feld wird in viele kleine Teilbereiche zerlegt, die mit jeweils unterschiedlicher Intensität und damit Dosis bestrahlt werden. So wird ein Punkt im Tumor in einem Bereich beispielsweise mit einer schwachen Intensität bestrahlt, weil hier ein Risikoorgan in der Nähe liegt, und in einem anderen Bereich mit einer hohen Intensität, weil hier der Tumor zum Beispiel sehr dick ist.

IMRT ermöglicht höhere Tumordosis bei geringerer Nebenwirkung
Bei der Bestrahlung werden mehrere, aus verschiedenen Richtungen eingestrahlte intensitätsmodulierte Strahlenfelder im Tumor überlagert. In jedem Punkt des Tumors ergibt sich durch Überlagerung der intensitätsmodulierten Strahlenbündel und Addition ihrer Intensitäten die gewünschte gleichmäßige therapeutische Dosis. Auf diese Weise werden in der Praxis die Bestrahlung des Tumors und die Schonung von Risikoorganen optimal ausbalanciert. Folglich ergibt sich eine wesentlich bessere Dosisverteilung als mit der bisherigen Strahlentherapie. Es ist möglich, die Dosis im Tumor zu erhöhen, ohne dass das gesunde Gewebe stärker in Mitleidenschaft gezogen wird. Für die Patienten bedeutet das, dass sich die Heilungschance erhöht, während unerwünschte Nebenwirkungen der Bestrahlung durch Komplikationen am gesunden Gewebe seltener sind.

Verwirklichung der IMRT mit computersteuerbaren Strahlenblenden
Zur Erzeugung intensitätsmodulierter Felder haben sich die Wissenschaftler am DKFZ ein Verfahren ausgedacht, das computergesteuerte Strahlenblenden, sogenannte Multi-Leaf-Kollimatoren, einsetzt. Dabei wird die unterschiedliche Intensität aus einer Einstrahlrichtung dadurch erzeugt, dass verschiedene, vom Kollimator geformte Einzelfelder konstanter Intensität ganz oder partiell überlagert werden und sich die Intensitäten hier addieren.

Inverse Planung: Die IMRT muss „umgekehrt“ geplant werden
Die intensitätsmodulierte Strahlentherapie ist nicht nur wesentlich präziser, sondern auch wesentlich aufwendiger als die bisherige Strahlentherapie. Ein schrittweises Ermitteln der Bestrahlungsfelder wie in der 3D-Planung wäre viel zu zeitraubend. Von dem DKFZ-Team musste daher ein besonders leistungsfähiges neues Bestrahlungsplanungsprogramm entwickelt werden: die sogenannte „inverse Strahlentherapie-Planung“. Sie funktioniert im Vergleich zur bisherigen Planung umgekehrt („invers“), was wesentlich einfacher ist. Der Arzt gibt die Konturen des Zielvolumens und der Risikoorgane, die therapeutische Dosis im Zielvolumen sowie die Toleranzdosen der Risikoorgane vor. Mit Hilfe des neuen inversen Planungsprogrammes KonRad (Konformale Radiotherapie) lassen sich aus diesen Daten automatisch diejenigen Intensitätsmodulationen der einzelnen Bestrahlungsfelder errechnen, die zur bestmöglichen Dosisverteilung führen. Erst durch KonRad ist ein praktischer Einsatz der IMRT ermöglicht worden.
Der entscheidende Vorteil ist, dass sich mit der inversen Planung auch für Patienten mit kompliziertesten Tumoren der optimale Bestrahlungsplan ausarbeiten lässt. Genauer geht es aus physikalischer und mathematischer Sicht nicht. Die Dosisberechnung ist so präzise, dass die Risikoorgane bei der anschließenden Bestrahlung außergewöhnlich gut geschont werden, so dass die Dosis im Tumor erhöht werden kann. Das wiederum erhöht die Heilungschance der Patienten und mindert die Zahl strahlenbedingter Komplikationen am gesunden Gewebe.

Erste klinische Erfahrungen mit der invers geplanten IMRT
Der weltweit erste klinische Einsatz der IMRT erfolgte 1996 mit Hilfe der am DKFZ entwickelten Verfahren und Programme am Memorial Sloan Kettering Cancer Center in New York. In einer klinischen Studie mit über 700 Patienten konnte inzwischen gezeigt werden, dass das Risiko für schwerwiegende Darmblutungen innerhalb der ersten zwei Jahre nach Bestrahlung von 10% auf 2% gesenkt werden kann. Das krankheitsfreie Überleben nach fünf Jahren erhöhte sich von 47% auf 70%. In Europa wurden 1997 die ersten Patienten mit der IMRT am DKFZ behandelt. Derzeit arbeiten das DKFZ und die Universitätsklinik Heidelberg gemeinsam daran, zu erforschen, welche Tumorerkrankungen vorteilhaft mit IMRT behandelt werden können. Im Rahmen einer seit 1998 laufenden klinischen Studie zur IMRT wurden bisher über 200 Patienten mit Tumoren der Nasenhöhlen, rückenmarksnahen Tumoren, Kopf-Hals-Tumoren sowie Prostata-, Bronchial- und Mamakarzinomen mit vielversprechenden Ergebnissen behandelt.

Verbreitung des neuen Verfahrens durch eine ausgegründete Firma
Die weltweite Verbreitung der neuen Behandlungstechnik hat die Firma MRC Medizintechnische Systeme GmbH in Heidelberg übernommen. In dieser aus dem DKFZ ausgegründeten Firma haben Physiker und Informatiker, die zum größten Teil Mitarbeiter der Abteilung von Prof. Schlegel waren, neue Arbeitsplätze gefunden. Hier wird die Hardware und Software überarbeitet und bis zum marktreifen Produkt weiterentwickelt. Nachdem im Jahr 2000 die Zulassung nach den Richtlinien des Medizin-Produktegesetzes und der Food and Drug Administration erfolgte, konnten die ersten klinischen Installationen in Europa (London, Clatterbridge, Umea, Utrecht, Amsterdam, Leuven, Heidelberg, Würzburg), Asien (Kagawa), Amerika (Toronto, New York, Los Angeles, Detroit, Boston, Cincinnati, Houston) und Australien durchgeführt werden.

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:
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Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de


Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Optimierte intensitätsmodulierte Strahlentherapie“ wurde von der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren vorgeschlagen