Ergebnisse von Strahlentherapien im Mikroskalenbereich
Die klinische Strahlentherapie von Krebserkrankungen ist in den letzten Jahren durch Fortschritte bei Bildgebungs- und Verabreichungsverfahren erheblich verbessert worden. Bei der Planung von Strahlentherapien stand jedoch ausschließlich die Dosis im Vordergrund, physikalische und biologische Reaktionen auf die Behandlung blieben hingegen unberücksichtigt. Hierfür entwickelte das EU-finanzierte Projekt RADRESPRO ein Multiskalenmodell, um die Lücke zwischen bisheriger makroskopischer Strahlentherapieplanung und genauerem Verständnis der Effekte im Mikroskalenbereich zu schließen. Damit sollen künftig personalisierte Strahlentherapien gefördert werden, um auf die Spezifität und Strahlensensitivität des Patienten besser einzugehen. Die Forscher entwickelten einen computergestützten Rahmen, mit dem Modelle der Reaktion einzelner Zellen auf Bestrahlung erstellt werden können. Damit lässt sich das Ausmaß an Mutationen, Chromosomenaberrationen und zelluläres Überleben für verschiedenste Strahlungsexpositionen und Arten von ionisierender Strahlung prognostizieren. Ein Schwerpunkt war die Charakterisierung grundlegender zellulärer Reaktionen wie DNA-Reparatur, Zellzyklus und Zelltod nach ionisierender Bestrahlung. An mehreren hundert unterschiedlichen Zelllinien und experimentellen Setups wurde die gute Vorhersagekraft validiert, basierend auf zellulären, genetischen und phänotypischen Markern. Einfach anhand der Ursprungsspezies und Gene für Zellzyklus- und DNA-Reparatur konnte mit dem Modell bis zu 80 % der Variation bei Sensitivität einzelner Zelllinien prognostiziert werden. Das Modell wurde erweitert auf Effekte verschiedenster Arten von Strahlung (Röntgenstrahlung, Protonen und Kohlenstoffionen), indem physikalische Modelle der Energiedeposition im subzellulären Maßstab integriert wurden. Auf diese Weise ließ sich die stärkere biologische Effektivität dichterer ionisierender Strahlung besser charakterisieren. Zudem konnten zeitliche Komponenten in das Modell integriert werden, um die Exposition gegenüber fraktionierter oder protrahierter Strahlung vor allem im Hinblick auf Zellstress und Überleben zu beurteilen. Insgesamt zeigte das Modell eine weitestgehende Vorhersagekraft und gute Möglichkeiten, um in klinische Planungsabläufe integriert zu werden. Indem Sensitivität und relative biologische Effektivität der Bestrahlung patientenspezifisch ermittelt werden können, kann sich das Behandlungsergebnis signifikant verbessern.
Schlüsselbegriffe
Strahlentherapie, RADRESPRO, computergestützter Rahmen, Zellzyklus, DNA-Reparatur
