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Patient während einer Strahlentherapie, Foto: Siemens AG, München/Berlin © Krebsinformationsdienst, Deutsches Krebsforschungszentrum

Strahlentherapie und Nuklearmedizin: Biologische Grundlagen

Wirkung energiereicher Strahlen auf Tumorzellen

Was passiert eigentlich, wenn ein Tumor bestrahlt wird? Die freigesetzte Energie wirkt sich auf viele Vorgänge in der Zelle aus, sie schädigt die Erbsubstanz von Tumorzellen und behindert auch wichtige Stoffwechselwege. Zellen, die krebstypische Veränderungen tragen, reagieren auf eine solche Schädigung meist sehr viel empfindlicher als gesundes Gewebe.  

Einen Überblick über die Wirkung energiereicher Strahlung auf Tumoren bietet der folgende Text. Links führen zu vertiefenden Informationen sowie zu genutzten Quellen.

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Ziel: Energie schädigt Zellen

Ionisierende Strahlung löst in Geweben verschiedene biochemische und biologische Reaktionen aus.Sie sind abhängig von der Energie, die bei der Durchdringung freigesetzt wird, und der Empfindlichkeit des jeweiligen Gewebes.
Höchste Dosen, vergleichbar denen bei einer Atombombenexplosion, führen durch Erhitzung und massive Veränderungen der Molekülstruktur zur unmittelbaren Gewebszerstörung. In der der Krebsbehandlung finden solche Strahlungsintensitäten keine Anwendung.

Bei hohen Dosen kann es jedoch auch in der Strahlentherapie zu Schäden kommen, zu so genannten Strahlennekrosen. Mediziner versuchen, sie nach Möglichkeit zu vermeiden: Eine schwere "Nekrose" würde den Körper, wie nach einer Verbrennung, mit Zelltrümmern und Abbauprodukten regelrecht vergiften. Bei welcher Dosis sich Gewebe nicht mehr erholt, ist unterschiedlich ausgeprägt: Besonders sensibel reagieren Blutzellen und Zellen des Immunsystems, Haarwurzeln, Nieren und Lunge, auch die Augen verkraften weit weniger als beispielsweise der Darm oder der Kehlkopf. Die Strahlenwirkung hängt zudem stark davon ab, welches Gewebe- oder Organvolumen betroffen ist. So kann eine Ganzkörperbestrahlung mit der Dosis von nur vier Gray, auf einmal verabreicht, tödlich sein, weil sich das Immunsystem und die Blutbildung nicht mehr regenerieren.

Selbst wenn leichtere Schäden oft ausheilen, so hinterlassen sehr hohe Strahlendosen doch nicht selten umfangreiche Veränderungen an der Erbsubstanz DNA, die selbst irgendwann zu narbigem Gewebsumbau oder chronischen Entzündungen führen könnten. Zehn bis zwanzig Jahre nach einer hochdosierten Bestrahlung kann auch die Wahrscheinlichkeit genannter Zweitkrebserkrankungen steigen (mehr dazu im Kapitel "Nebenwirkungen").
Die Gabe hoher Dosen in einer einzigen Bestrahlung bleibt daher wenigen besonderen Therapiesituationen vorbehalten: Sie ist nur möglich, wenn der Strahlengang ganz gezielt auf nicht zu große Tumoren gerichtet werden kann und gesundes Gewebe verschont bleibt.

Tumorgewebe reagiert anders

Bei den meisten Patienten versucht man heute, anstelle einer direkten Zellvernichtung eher indirekte Veränderungen an wichtigen Molekülen in den Tumorzellen hervorzurufen. So soll ihr Absterben auf biologischem Weg angestoßen werden: Durch die Bestrahlung entstehen aggressive Moleküle (so genannte Ionen, mehr bei "Physik"), vor allem dann, wenn das Tumorgewebe gut durchblutet und reich mit Sauerstoff versorgt ist. Insbesondere Sauerstoff-Ionen greifen als "freie Radikale" die Erbsubstanz der Tumorzellen an. Auch wichtige Enzyme und weitere Moleküle, die bei der schnellen Teilung von Tumorgewebe eine Rolle spielen, werden durch reaktive Moleküle geschädigt. Dann kann sich eine Krebszelle nicht mehr weiter teilen und zum Wachstum des Tumorgewebes beitragen. Sie wird vom Körper als geschädigt erkannt und gezielt aufgelöst. Die dabei ablaufenden Prozesse sind heute im Wesentlichen bekannt, der wichtigste wird als programmierter Zelltod oder Apoptose bezeichnet.

Was ein Patient von diesen biologischen Prozessen spürt, hängt von Dosis und Ziel der Bestrahlung ab, vom Umfang, in dem gesundes Gewebe mit betroffen ist, aber auch von seinem Allgemeinzustand sowie der Grunderkrankung und ihren Symptomen. Vielen Patienten geht es während der Behandlung vergleichsweise gut, andere leiden zum Beispiel unter Müdigkeit und Abgeschlagenheit oder Kopfschmerzen. Mehr zum Thema  hat der Krebsinformationsdienst im Kapitel "Nebenwirkungen" zusammen gestellt.

Fraktionierung: Bestrahlung "portioniert"

Anstatt mit der gesamten Strahlendosis auf einmal werden heute Patienten nach Möglichkeit  mit wiederholten kleinen "Fraktionen" oder Portionen der geplanten Gesamtdosis bestrahlt, aufgeteilt auf Einzeltermine innerhalb eines Zeitraums von meist mehreren Wochen.

  • Dadurch wird mitbetroffenem gesundem Gewebe Zeit gelassen, sich zu regenerieren und den Tumor durch eine Art Narbe zu ersetzen.
  • Bei Tumorgewebe führt die Fraktionierung dagegen zu einer zunehmenden Devitalisierung, bis es schließlich abstirbt. Es verfügt oft nicht mehr über intakte zelleigene Reparaturmechanismen und steht durch die krebstypisch hohe Zellteilungsrate von vornherein "unter Stress".

Die Fraktionierung ermöglicht es, vielen Patienten sehr hohe Gesamtstrahlendosen zu geben, ohne ihr Risiko für  dauerhafte Spätfolgen zu steigern. Gängige Bestrahlungspläne sehen zum Beispiel tägliche Dosen von etwa zwei Gray von Montag bis Freitag vor, dies über mehrere Wochen wiederholt.
Hinter diesen Plänen stehen bisher überwiegend praktische Erwägungen und viel klinische Erfahrung. In wie viele "Portionen" eine Strahlendosis tatsächlich am besten fraktioniert werden sollte und wie lange die Abstände zwischen den einzelnen Therapiesitzungen sein dürfen, ist heute aber auch Gegenstand zahlreicher klinischer Studien.
Seltener sind Strahlentherapie-Formen möglich, bei denen eine so genannte Einzeit-Bestrahlung durchgeführt wird. Die gesamte Strahlendosis wird dann tatsächlich bei einer Sitzung gegeben. Voraussetzung sind kleinere Tumoren, deren Zerstörung nicht allzu belastend ist, und die technisch aufwändige vollständige Schonung gesunden Gewebes. Weil hier die Strahlen wie ein Skalpell oder Messer eingesetzt werden, spricht man auch von Radiochirurgie.
Auch die Anwendung von Radiopharmaka sieht in der Regel vor, so viele Nuklide zu geben, dass die gesamte Strahlendosis in einem Durchgang erreicht wird.