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„Blitzschlag“ gegen Tumoren: Projekt Zukunft in der Krebstherapie

© Foto : CERN / Ordan, Julien MariusFLASH-Therapie - Projekt Zukunft in der Krebstherapie
FLASH-Therapie - Projekt Zukunft in der Krebstherapie - SNA, 1920, 12.01.2021
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Ein Jahr ist vergangen, seit erstmalig ein Krebspatient mit der FLASH-Therapie behandelt wurde. Klinische Tests dieser Methode haben im November begonnen. Das Prinzip: Wird der Tumor innerhalb von Millisekunden stark bestrahlt, stirbt nur die Krebszelle – das gesunde Gewebe bleibt unbeschadet. Erste Ergebnisse lassen auf das Beste hoffen.
Im Juni 2018 boten die Strahlenbiologin Marie-Catherine Vozenin und ihr Team vom Universitätsklinikum Lausanne einem 75-jährigen Lymphdrüsenkrebspatienten eine experimentelle FLASH-Therapie an. Seit zehn Jahren und mit 110 Bestrahlungen war der Patient in Behandlung, doch der bösartige Tumor wuchs. Dass die neue Methode bis dato nie an Menschen angewandt worden war, wusste der Krebskranke, willigte aber ein.
In der Klinik gab es einen linearen Elektronenbeschleuniger zu vorklinischen Studien an Katzen und Zwergschweinen. Anlagen dieser Art wirken durch Fotonen, die beim Abbremsen von Elektronen entstehen. Bei der herkömmlichen Strahlentherapie sind mehrere Sitzungen von einigen Minuten Dauer und geringer Strahlendosis erforderlich. Der Beschleuniger in Lausanne setzt jedoch hochintensive Energiestöße in Mikrosekunden frei, weshalb nur eine Sitzung für die Behandlung ausreicht. Durch zehn solche Energieimpulse erhielt der 75-jährige Patient insgesamt eine Strahlendosisrate von 15 Gray.
Bestrahlt wurde ein Tumor von 3,5 Zentimetern Größe auf dem Unterarm. In ihrem Artikel auf „ScienceDirect“ schrieben die Wissenschaftler, zehn Tage nach der Behandlung habe die Rückbildung des Tumors eingesetzt, nach 36 Tagen war die Geschwulst verheilt, nach fünf Monaten schließlich war die Krebszelle verschwunden. Entzündungen im umliegenden Gewebe seien schneller abgeheilt als üblich.
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Was ist die FLASH-Therapie?

Das Interesse an der FLASH-Therapie kam 2014 auf, nach einer Veröffentlichung derselben Mediziner aus Lausanne im Fachblatt „Science“ über Therapieversuche an Katzen mit übertragenen Krebszellen. Die Krebsforscher hatten festgestellt, dass die Einwirkung auf erkranktes Gewebe bei ultraintensiver Bestrahlung größer war als die Einwirkung auf gesundes Gewebe. Die Wissenschaftler erkannten darin völlig neue Möglichkeiten der Krebsbehandlung.
Bei der konventionellen Strahlentherapie wird ein bestimmter Körperbereich bis hin zum kompletten Organismus mit Fotonen bestrahlt. Dabei sinkt die Intensität des Energiebündels durch die fortschreitende Wechselwirkung mit dem umliegenden Gewebe immer weiter ab. Folglich sterben die Krebszellen in der Regel nicht mit einem Mal ab, sondern es sind weitere Therapiesitzungen erforderlich. Die gesamte Strahlendosis eines Behandlungszyklus wird so angesetzt, dass gesunde Organe nicht in Mitleidenschaft gezogen werden, wodurch aber die Dosis für die komplette Zerstörung des Tumors nicht ausreicht. Für lebenswichtige Organe (Hirn, Auge) ist diese Methode ungeeignet, auch bei strahlenresistenten Krebsarten wirkt diese Therapie nicht.
Wird die Geschwulst hingegen mit einer hohen Dosis, dafür jedoch ultrakurz bestrahlt, sterben die erkrankten Zellen ab, während das gesunde umliegende Körpergewebe unbeschadet bleibt. Diese Beobachtung machten Wissenschaftler bereits Mitte des 20. Jahrhunderts, nur fehlte damals die Technik, um daraus eine nutzbare FLASH-Therapie zu entwickeln. Mit den heutigen Technologien ist dies nun möglich.
Bei ionisierender Strahlung zerstören hochintensive Teilchen wie Fotonen oder Gammaquanten unmittelbar die Stränge der DNA. Sie ionisieren auch das Wasser innerhalb der Zelle und aktivieren somit eine ganze Kette chemischer Reaktionen. Der Zellensauerstoff wird für die Bildung freier Radikale verbraucht, die ihrerseits die DNA attackieren, während die Zelle selbst an den Endprodukten ihres Stoffwechsels erstickt.
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Das Problem besteht darin, dass sauerstoffarme Zellen existieren, bei denen die Bestrahlung nur bedingt wirkt: das sind die strahlenresistenten Geschwulste. Die mit Sauerstoff gut versorgten gesunden Zellen sterben währenddessen infolge der Bestrahlung ab. Deshalb werden in der Strahlentherapie nur geringe Dosen von annähernd 0,03 Gray pro Sekunde verabreicht. In der FLASH-Therapie wird mit 40 Gray geschossen, aber die Bestrahlung dauert ja auch nur Mikrosekunden. Den FLASH-Effekt erklären die Wissenschaftler durch den Sauerstoffmangel der Zelle, der nach dem hochintensiven Strahlensturm eintritt. Kein Sauerstoff bedeutet: keine Läsion der Gewebezellen. Es ist zudem möglich, dass aktive Sauerstoffformen sich in gesunden Zellen anders verhalten als in den Tumoren. Angenommen wird auch, dass die Schutzreaktion des Organismus auf die Bestrahlung, besonders der Wachstumsfaktor TGF-β, ebenfalls dazu beiträgt. Dieses Protein, ein Vorbote der Entzündung, entsteht bei geringen Einwirkungen von Radioaktivität auf den Organismus, doch bei ultrahohen Strahlendosen sinkt dessen Pegel ab, sodass keine Komplikationen eintreten.
„Der FLASH-Effekt ist zweifelsohne möglich. Worauf es den Wissenschaftlern aber ankommt, ist die Anhebung der Leistung auf über 100 Gray pro Sekunde und der Dosis auf über 10 Gray“, erklärte der Strahlenphysiker Sergej Akulinitschew vom Institut für Kernforschung der Russischen Wissenschaftsakademie kürzlich in einer Fachkonferenz.
Er sagte, es sei auch wichtig, die Konformität des Strahls zu verbessern, also die Präzision der Strahlführung hin zum Tumor. „Der Beschleuniger an unserem Institut hat sich als dafür sehr geeignet erwiesen“, sagte der Wissenschaftler.
Das Institut für Kernforschung verfügt schon seit der Sowjetzeit über einen linearen Protonenbeschleuniger. Im Vergleich zur herkömmlichen Therapie hat die Bestrahlung mit Protonen einen enormen Vorteil. Diese Teilchen sind schwerer, folglich erfordert deren Beschleunigung einen größeren Aufwand. Doch wenn die Protonen Wasser und Materie durchdringen, dann setzen sie ihre Energie hauptsächlich am Ende des Vorgangs ab, am sog. Bragg-Peak. Das Protonenbündel bildet mithin ein unsichtbares, hochpräzises Skalpell zur chirurgisch präzisen Entfernung eines tiefliegenden Tumors. Somit eignet sich die Protonenbestrahlung zur Behandlung von Krebszellen mit komplizierter Anordnung.
Es lag also nahe, die FLASH-Technik mit den Protonen anzuwenden. Letzten November ist auf diese Weise erstmalig ein Patient in einer US-amerikanischen Kinderklinik mit einem Zyklotron des Herstellers Varian behandelt worden: Der Anfang der klinischen Erprobung der FLASH-Therapie ist damit gemacht. Die Wissenschaftler haben sich vorgenommen, zehn weitere Menschen mit Knochentumoren auf diese Weise zu behandeln.
Die Leistung eines Varian-Systems beträgt 70 Gray bei einer Tumorgröße von maximal 100 Gramm. Die Leistung des Beschleunigers am russischen Institut für Kernforschung: 300.000 Gray bei einem ein-Kilogramm-schweren Objekt. Auf den ersten Blick muss der Vergleich zwischen einem medizinischen Gerät und einer Versuchsanlage zur Erforschung des Universums hinken. Doch stammen Erkenntnisse in der Strahlentherapie häufig aus der Grundlagenforschung. „Ein Stoß unseres Beschleunigers enthält 1013 Protonen. Genug, um Krebs zu heilen“, sagt der Strahlenphysiker Akulinitschew vom Institut für Kernforschung. „In der herkömmlichen Strahlentherapie waren diese Werte teilweise hinderlich, im FLASH-Modus sind sie der entscheidende Vorteil.“
Die Forscher haben bereits an einem Wasserphantom und an Zellkulturen experimentiert, haben das Objekt bei einer Impulsstromstärke von zehn Milliampere mit einer Strahlendosisrate von 50 Gray innerhalb von nur 100 Mikrosekunden bestrahlt.
„Es hat sich gezeigt, dass die Krebszellen in diesem Fall stärker beeinflusst werden, während die Einwirkung auf das gesunde Körpergewebe zurückgeht. Mit unserem Apparat haben wir einen Ultra-FLASH-Effekt erzielen können“, sagt der russische Wissenschaftler.
Sollte dieser Effekt in weiteren Versuchen bestätigt werden, wird dies ein großer Schritt auf dem Weg zu neuen Arten der Strahlentherapie sein.
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