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

Radioaktivität und energiereiche Strahlung in der Krebstherapie

Physikalische Grundlagen

Die Strahlentherapie gegen Krebs ist mehr als hundert Jahre alt: Grundlage war die von Wilhelm Conrad Röntgen 1895 veröffentlichte Entdeckung "einer neuen Art Strahlen", die der Physiker damals noch als X-Strahlen bezeichnete. Er erkannte bei seinen Forschungen die Bedeutung für die Diagnostik: Röntgenstrahlung ermöglicht einen Blick in das Körperinnere. Noch vor der Jahrhundertwende hatten Ärzte die "X-Strahlen" auch zur Behandlung von Hautveränderungen und weiteren Erkrankungen eingesetzt. Die Nutzung radioaktiver Substanzen als eine Art Medikament, wie sie die Nuklearmedizin heute definiert, ist kaum jünger: 1896 hatte der Franzose Henri Becquerel die Radioaktivität bestimmter natürlicher Stoffe und Chemikalien entdeckt. Vor allem die radioaktive Form von Jod wurde bald darauf zur diagnostischen Verfolgung der Schilddrüsenfunktion eingesetzt. Die Therapie mit Radionukliden setzte erst später ein.
Einen Überblick über die Physik hinter Strahlentherapie und Nuklearmedizin bietet der folgende Text. Links führen zu vertiefenden Informationen und genutzten Quellen.

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Strahlung: Welche Formen gibt es?

Alle Formen der Strahlentherapie setzen darauf, dass ein Tumor von energiereicher Strahlung durchdrungen wird. Dabei kann es sich um elektromagnetische Wellen handeln, aber auch um Teilchenströme. Entscheidend ist, wie viel Energie bei der Abbremsung der Strahlung im Gewebe freigesetzt wird. Wie zielgenau diese Freisetzung gesteuert werden kann, bestimmt ebenfalls die Wirkung.

Ionisierende Strahlen

Die "klassischen" Bestrahlungsformen in der Krebstherapie nutzen so genannte ionisierende Strahlen. Deren Energie ist hoch genug, um bei den durchdrungenen Zellen auf molekularer Ebene Veränderungen hervorzurufen: Ionisierung bedeutet, aus elektrisch neutralen Atomen und Molekülen positiv und negativ geladene Teilchen zu erzeugen. Diese "Ionen" setzen in den Zellen biochemische und biologische Reaktionen in Gang. Erst deren Folgen führen zu den in den Tumorzellen erwünschten Schäden. Andere Formen von Strahlung wie etwa die ultravioletten Anteile des Sonnenlichts oder Infrarot bzw. Wärme erreichen diesen Effekt nicht, sie werden daher zu den "nicht-ionisierenden Strahlen" gezählt.

Welche physikalischen Gesetze hinter der Strahlentherapie und der Nuklearmedizin stehen, ob Tumoren mit "Strahlen", "Teilchen", "Wellen" oder einfach nur "Energie" zerstört werden sollen, überlassen die meisten Patienten gerne den Fachleuten - ihnen reicht es, wenn ihre Erkrankung auf die Behandlung anspricht. Hier trotzdem einige Fachbegriffe:

Physiker verwenden zur Bestrahlung sowohl elektromagnetische Wellen - dazu zählen Röntgen und Gammastrahlung - wie auch Teilchenströme, also Elektronen-, Protonen- und Ionenstrahlung. In der Medizin ist die begriffliche Trennung zwischen den verschiedenen Strahlenformen oft verwirrend: So ist Beta- oder β-Strahlung gleichbedeutend mit Elektronenstrahlung, die Alpha- oder α-Strahlung gehört zu den Ionenstrahlen, und die heute am häufigsten eingesetzte Photonenstrahlung entspricht einer ultraharten Röntgenstrahlung. Die Ionenstrahlung wird auch als Teilchenstrahlung oder Hadronenstrahlung bezeichnet.

Unter www.bfs.de/DE/themen/ion/ion_node.html bietet das Bundesamt für Strahlenschutz einen kurzen Überblick über die wichtigsten Begriffe und Fakten zum Thema. Mehr zu den physikalischen Grundlagen hat der Krebsinformationsdienst auch im Text "Radioaktivität und Strahlung" zusammen gestellt.

Energie, Energiedosis: Gray oder Sievert?

In der Einheit Gray (Gy) wird bei der Bestrahlung die Energiedosis angegeben: Diese steht für die verabreichte Energie, die im Tumor bzw. in einer bestimmten Gewebemasse freigesetzt werden soll. Für Patienten ist sie die wichtigste physikalische Einheit, weil sie die Dosis angibt, mit der ihre Therapie geplant und durchgeführt wird.
Nicht damit zu verwechseln sind Angaben in der Einheit Sievert (Sv). Auch hier ist zwar die Energiedosis durch Strahlung gemeint. Die Einheit Sievert lässt aber zusätzlich Rückschlüsse auf die biologische Wirkung der Strahlung zu: Die verschiedenen Strahlungsarten verursachen bei gleicher Energiemenge unterschiedliche Auswirkungen im Gewebe und werden deshalb mit einem jeweils unterschiedlichen Faktor multipliziert. Das ergibt die sogenannte Organdosis oder Organ-Äquivalentdosis. Mit ihrer Hilfe kann man in einem weiteren Schritt die sogenannte effektive Dosis berechnen. Diese Angabe gibt die Strahlenbelastung des gesamten Körpers an und ist ein Maß für das damit verbundene Risiko. Sie berücksichtigt zusätzlich die Strahlenempfindlichkeit der verschiedenen Organe: Innere Organe sind beispielsweise strahlenempfindlicher als die Haut, Keimdrüsen empfindlicher als Brustgewebe. Die Richtwerte zur Gewebeempfindlichkeit werden für jedes Organ oder Gewebe von der Internationalen Strahlenschutzkommission (www.icrp.org) auf Basis wissenschaftlicher Daten geschätzt und veröffentlicht.
In Sievert geben Fachleute auch die Strahlenbelastungen durch die Hintergrundstrahlung aus der Umwelt oder durch Strahlenunfälle an, üblicherweise aber nicht die Strahlendosen in der Therapie.

Geräte in der Strahlentherapie

Heute spielen von der Zahl der Anwendungen her Linearbeschleuniger die größte Rolle in der Krebsmedizin (ein Foto bei der Deutschen Gesellschaft für Radioonkologie unter www.degro.org/jsp_public/cms/index.jsp?top=25&left=3&
page=austattung_linac.html
).
Bei ihnen wird die Strahlung durch die extreme Erhitzung eines Glühdrahtes erzeugt. Dies erfordert in modernen Geräten elektrische Spannungen von mehreren Mega-Volt (zum Vergleich: In Deutschland beträgt die übliche Netzspannung im Haushalt 230 Volt). Durch die hohe Spannung setzt der Glühdraht Elektronen frei, also subatomare, negativ geladene Teilchen. Sie könnten direkt zur Bestrahlung genutzt werden, dringen aber kaum über die Haut hinaus in tiefere Gewebe vor. Daher werden die Elektronen im Linearbeschleuniger heute meist "weiterverarbeitet": In einer Vakuumröhre beschleunigt sie das Gerät bis fast zur Lichtgeschwindigkeit. Die Elektronen treffen dannauf ein wassergekühltes Wolframblech, das sie abbremst. Dabei wird Energie in Form von Photonen freigesetzt, gleichbedeutend mit einer ultraharten Röntgenstrahlung. Diese dringt tiefer ins Gewebe ein als die Elektronen.

Gammabestrahlungseinrichtungen oder Telekokobaltgeräte werden mit einem radioaktiven Stoff betrieben, in der Regel mit dem namensgebenden Kobalt-60.
Die Geräte setzen nicht nur die erwünschte, relativ schwache Gammastrahlung (etwa ein Mega-Volt) frei, sondern auch die vergleichsweise schlecht steuerbaren Alpha- und Betastrahlen. Diese gelangen zudem kaum über die Haut hinaus. Kobaltgeräte eignen sich vor allem zur Behandlung oberflächlich gelegener Tumoren. Trotzdem waren sie bis in die 70er Jahre Standard. Heute sind die Geräte in Deutschland praktisch vollständig durch Linearbeschleuniger ersetzt. Nur in den so genannten Gammaknife-Einrichtungen zur Radiochirurgie finden sie noch Verwendung. 

In Ländern, in denen der enorme Energieverbrauch von Linearbeschleunigern nicht zuverlässig gedeckt werden kann, sind Gammabestrahlungsgeräte aber immer noch verbreitet.

Die verschiedenen Ionenstrahltherapien, auch als Partikel- oder Teilchentherapien bezeichnet, setzen auf die Erzeugung schneller Teilchen. Diese lassen sich schärfer bündeln als andere Strahlungsformen. Sie geben ihre Energie zudem erst frei, wenn sie beim Durchdringen des Gewebes eine bestimmte Geschwindigkeit unterschreiten.
So lässt sich die Hauptdosis gezielt auf den Tumor steuern. Das darüber liegende Gewebe wird weitgehend geschont,  und auch auf unter oder hinter der Geschwulst liegende Organe trifft kaum noch Strahlung auf.
Zu den Ionenstrahlungen gehören Protonen als Teil des Atomkerns, aber auch ganze Kohlenstoff-, Helium- oder andere Ionen bei der so genannten Schwerionentherapie. Die Ionenstrahltherapien sind technisch aufwändig, in vielen Aspekten noch experimentell und daher nicht flächendeckend verfügbar. Insbesondere die Schwerionentherapie wird weltweit nur an wenigen Zentren durchgeführt; im November 2009 eröffnete in Deutschland das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT).

Perkutane Bestrahlung, Brachytherapie

Linearbeschleuniger, Telekobaltgeräte und die Ionenstrahltherapien werden normalerweise extern eingesetzt, zur "perkutanen", die Haut durchdringenden Bestrahlung innerer Gewebe.
Bei der so genannten Brachytherapie werden die Strahlungsquellen nicht über dem Körper des Patienten platziert, sondern möglichst direkt in den Tumor oder seine unmittelbare Nähe eingebracht - entweder, indem man sie in Körperhöhlungen einführt, etwa bei der Bestrahlung von Ösophagustumoren in die erkrankte Speiseröhre, oder indem man sie in einem kleinen operativen Eingriff direkt im Tumor platziert, zum Beispiel beim  Prostatakarzinom  in die erkrankte Vorsteherdrüse.
Dabei handelt es sich in der Regel um Strahler, die eine sehr geringe Reichweite haben und deshalb mit dem Tumorgewebe Kontakt haben müssen. Gelegentlich wird daher auch die Bezeichnung Kontaktbestrahlung verwendet. Die Strahlungsquellen selbst gelangen jedoch nicht in den Stoffwechsel des Patienten, wie es bei den nuklearmedizinischen Therapien der Fall ist.

Nuklearmedizin: Radionuklide und Radiopharmaka

Radioaktive Nuklide sind natürliche oder künstlich hergestellte Atome, deren Kern instabil ist und zerfällt. Dabei wird Energie in Form ionisierender Strahlung frei.
Anders als bei der Bestrahlung, die Haut oder Gewebe durchdringen muss, wirken solche Stoffe als Arzneimittel oder Radiopharmakon direkt in den Tumorzellen: In der Diagnostik und Therapie nutzt man Nuklide, die der Körper problemlos in den Stoffwechsel und damit direkt in Zellen einschleusen kann.
Nuklearmediziner setzen dabei auf Stoffe und Stoffkombinationen, die sich entweder nur im Tumor anreichern oder aufgrund des häufig beschleunigten Stoffwechsels von Krebszellen besonders intensiv aufgenommen werden. Die Reichweite der beim Zerfall der Radionuklide freiwerdenden Strahlung ist so gering, dass gesundes Gewebe entsprechend wenig betroffen ist.
Wie lange Radiopharmaka im Körper wirken, hängt zum Teil von der Geschwindigkeit ab, mit der ein Patient sie verstoffwechselt und wieder ausscheidet. Wichtiger ist die Geschwindigkeit, mit der ein Radionuklid zerfällt, angegeben als Halbwertzeit. Das ist die Zeit, in der die Hälfte einer strahlenden Substanz zerfallen ist. Sie bestimmt die Dauer der Bestrahlung. In der Medizin kommen wegen der besseren Kontrolle der Wirkung und zur Vermeidung von Spätschäden heute praktisch nur Substanzen mit sehr kurzer Halbwertszeit zur Anwendung.