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Strahlentherapie und Onkologie

, Volume 174, Issue 7, pp 365–374 | Cite as

In-vitro-Untersuchungen zur PDR-Brachytherapie

  • Peter Fritz
  • Claudia Frank
  • Klaus J. Weber
Originalarbeit

Zusammenfassung

Hintergrund

Strahlenbiologische Berechnungen anhand des LQ-Modells lassen Rahmenbedingungen für die Isoeffektivität einer kontinuierlichen Bestrahlung mit niedriger Dosisleistung (CLDR=continuous low dose rate) und einer superfraktionierten Bestrahlung (PDR=plused dose rate) vermuten, sofern die gleiche Gesamtdosis in der jeweils gleichen Gesamtbehandlungszeit appliziert wird. Ein für die Brachytherapie klinisch einsetzbares Fraktionierungsschema wurde erstmals von Brenner u. Hall empfohlen und soll die klassische CLDR-Bestrahlung mit Linienquellen strahlenbiologisch äquivalent mit einer schrittbewegten Afterloading-Quelle ablösen. Die Hypothese, daß LDR-Äquivalenz durch Superfraktionierung erreicht werden kann, wurde mittels In-vitro-Untersuchungen an V79-Zellen in Monolayer-und Sphäroldkulturen sowie an HeLa-Monolayern überprüft.

Material und Methode n

In Anlehnung an die klinischen Verhältnisse der PDR-Brachytherapie wurden Fraktionierungsexperimente im Dosis-Leistungs-Gradienten von Afterloading-Quellen durchgeführt. Unterschiedliche Strahlendosen wurden mit der jeweils gleichen Anzahl von Fraktionen und in der jeweils gleichen „Gesamtinkubationszeit” erzeugt. Folgende Fraktionierungen wurden mit einer CLDR-Referenzkurve verglichen: 40×0,47 Gy, 20×0,94 Gy, 10×1,88 Gy, 5×3,76 Gy, 2×9,4 Gy in jeweils 20 Stunden und einmal 18,8 Gy als „Single-dose”-Exposition. Zusätzlich wurden an V79-Zellen der Einfluß der Dosisleistung im Plus auf das akute Zellüberleben und Zellzykluseffekte unter Superfraktionierung untersucht.

Ergebnisse

V79-Sphäroide als Modell für einen gering proliferierenden Tumor verhielten sich entsprechend den strahlenbiologischen Vorhersagen, indem mit zunehmender Fraktonierung CLDR-Äquivalenz erreicht wurde. Rasch proliferierende V79-Monolayer-Zellen zeigten einen inversen Fraktionierungseffekt. Eine superfraktionierte Bestrahlung mit Pulsen von 0,94 Gy pro Stunde bzw. 0,47 Gy pro 0,5 Stunde fürte zu einer stärkeren Zellabtötung als eine vergleichbare CLDR-Bestrahlung. Der inverse Fraktionierungseffekt bei log-Phase-V79-Zellen konnte durch dosis-leistungsabhängige Zellzyklusblockaden unter gepulster Bestrahlung erklärt werden. HeLa-Zellen verhielten sich auf Änderungen der Fraktionierung unempfindlich. Sowohl hyper- als auch hypofraktionierte Bestrahlungen waren CLDR-äquivalent.

Schlußfolgerung en

Die aus der PDr-Theorie abgeleitete Fraktionierungsvorschrift zur Erzielung CLDR-äquivalenter Wirkungen gilt wohl für viele, aber nicht für alle Zellinien. Proliferationskinetik und dosisleistungsabhägige Zellzykluseffekte modifizieren die aus dem „Sublethal-damage-recovery”-Modell ableitbaren Dosis-Wirkungs-Beziehungen und können die akute Strahlenwirkung signifikant beeinflussen. Dosisleistungsempfindlichkeit und rasch Proliferation begünstigen Zellzykluseffekte und begründen, übertragen auf die klinische Situation, die Möglichkeit der höheren Effektivität der gepulsten Bestrahlung bei rasch wachsenden Tumoren.

Schlüsselwörter

PDR-Brachytherapy Dosisleistungs- und Fraktionierungseffekte V79-und HeLa-Zellen In-vitro-Experimente 

In vitro experiments on PDR brachytherapy

Abstract

Background

Calculations on the basis on the LQ-model have been focussed on the possible radiobiological equivalence between common continuous low dose rate irradiation (CLDR) and a superfractionated irradiation (PDR=pulsed dose rate) provided that the same total dose will be prescribed in the same overall time as with the low doserate. A clinically usable fractionation scheme for brachytherapy was recommended by Brenner and Hall and should replace the classical CLDR brachytherapy with line sources with an afterloading technique using a stepping source. The hypothesis that LDR equivalency can be achieved by superfractionation was tested by means of in vitro experiments on V79 cells in monolayer and spheroid cultures as well as on HeLa monolayers.

Materials and Methods

Simulating the clinical situation in PDR brachytherapy, fractionation experiments were carried out in the dose rate gradient of afterloading sources. Different dose levels were produced with the same number of fractions in the same overall incubation time. The fractionation schedules which were to be compared with a CLDR reference curve were: 40×0.47 Gy, 20×0.94 Gy, 10×1.88 Gy, 5×3.76 Gy, 2×9.4 Gy given in a period of 20 h and 1×18.8 Gy as a “single dose” exposition. As measured by flow cytometry, the influence of the dose rate in the pulse on cell survival and on cell cycle distribution under superfractionation was examined on V79 cells.

Results

V79 spheroids as a model for a slowly growing tumor, reacted according to the radiobiological calculations, as a CLDR equivalency was achieved with increasing fractionation. Rapidly growing V79 monolayer cells showed an inverse fractionation effect. A superfractionated irradiation with pulses of 0.94 Gy/h respectively 0.47 Gy/0.5 h was significantly more effective than the CLDR irradiation. This inverse fractionation effect in log-phase V79 cells could be attributed to the accumulation of cycling cells in the radiosensitive G2/M phase (G2 block) during protected exposure which was drastically more pronounced for the pulsed scheme. HeLa cells were rather insensitive to changes of fractionation. Superfractionation as well as hypofractionation yielded CLDR equivalent survival curves.

Conclusions

The fractionation scheme, derived from the PDR theory to achieve CLDR equivalent effects, is valid for many cell lines, however not for all. Proliferation and dose rate dependend cell cycle effects modify predictions derived from the sublethal damage recovery model and can influence acute irradiation effects significantly. Dose rate sensitivity and rapid proliferation favour cell cycle effects and substantiate, applied to the clinical situation, the possibility of a higher effectiveness of the pulsed irradiation on rapidly growing tumors.

Key Words

Pulsed brachytherapy Dose rate and fractionation effects V79 and HeLa cells In-vitro experiments 

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Copyright information

© Urban & Vogel 1998

Authors and Affiliations

  • Peter Fritz
    • 1
  • Claudia Frank
    • 1
  • Klaus J. Weber
    • 1
  1. 1.Abteilung StrahlentherapieRadiologische Klimik der Universität HeidelbergHeidelbergDeutschland

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