Klinische Strahlenbiologie

Zusammenfassung

Die Strahlenbiologie untersucht die Wirkung ionisierender Strahlung auf lebende Systeme. Das gewonnene Wissen wird sowohl im Strahlenschutz als auch für strahlentherapeutische Anwendungen genutzt. Die Bezeichnung klinische Strahlenbiologie betont dabei die Anwendung in der Strahlentherapie, in der neben hochenergetischen Photonen- und Elektronen auch Ionen und Neutronen zum Einsatz kommen (vgl. Kap. 1).

Aufgaben

22.1

Eine Ganzkörperexposition mit 4,5 Gy hochenergetischer Photonenstrahlung führt mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % zum Tod. Wie groß ist die durch die Bestrahlung hervorgerufene Temperaturerhöhung, wenn man vereinfachend annimmt, dass der Mensch zu 100 % aus Wasser besteht (spezifische Wärmekapazität $c_{w}=4184\mathrm{J}/(\mathrm{kg}\,\mathrm{K})$). Was bedeutet dies für den Mechanismus der Strahlenwirkung?

22.2

Unter welchen drei Voraussetzungen besitzt die Grundversion des linear-quadratischen Modells Gültigkeit?

22.3

Gegeben sind zwei Fraktionierungsschemata: (1) $24\times 2{,}4\,\mathrm{Gy}$ und (2) $38\times 1{,}8\,\mathrm{Gy}$. Welches wirkt stärker im Normalgewebe, wenn man ein $\alpha/\beta$-Verhältnis von $3\,\mathrm{Gy}$ annimmt. Wie viele Fraktionen mit $1{,}8\,\mathrm{Gy}$ muss man applizieren, um isoeffektiv zu Fraktionierungsschema (1) zu behandeln?

22.4

Gegeben ist ein Fraktionierungsschema von $36\times 1{,}8\,\mathrm{Gy}$. Dieses soll auf eine Fraktionsdosis von $2\,\mathrm{Gy}$ umgestellt werden. Welche Gesamtdosis muss appliziert werden, wenn das neue Schema im Normalgewebe ($\alpha/\beta=2\,\mathrm{Gy})$ isoeffektiv sein soll. Was ist bei der Interpretation der neuen Fraktionszahl zu beachten? Wie verändert sich dadurch die Wirkung im Tumor ($\alpha/\beta=10\,\mathrm{Gy})$?

22.5

Gegeben sind zwei Fraktionierungsschemata, die die gleiche Wirkung im Normalgewebe haben: (i) $20\times 2{,}5\,\mathrm{Gy}$ und (ii) $38\times 1{,}6\,\mathrm{Gy}$. Welches $\alpha/\beta$-Verhältnis hat das Gewebe und welche Art von Wirkung wurde dabei betrachtet?

22.6

Experimentell wurde für die folgenden vier Fraktionierungsschemata die gleiche Effektivität im Tumor festgestellt: (i) $42\times 1{,}5\,\mathrm{Gy}$, (ii) $30\times 2{,}0\,\mathrm{Gy}$, (iii) $13\times 4{,}0\,\mathrm{Gy}$ und (iv) $5\times 8{,}0\,\mathrm{Gy}$. Schätze das $\alpha/\beta$-Verhältnis mittels linearer Regression. Was sind Vor- und Nachteile dieser Methode? Welche tumorspezifischen Faktoren können dazu führen, dass das intrinsische, für die Reparatur verantwortliche $\alpha/\beta$-Verhältnis tatsächlich einen anderen Wert hat?

22.7

Eine Bestrahlung von $35\times 1{,}8\,\mathrm{Gy}$ soll auf eine Bestrahlung mit 30 Fraktionen umgestellt werden, so dass die Wirkung im Normalgewebe ($\alpha/\beta=2{,}5\,\mathrm{Gy})$ gleich bleibt. Welche Dosis muss pro Fraktion verabreicht werden?

22.8

An einer Zelllinie wird nach Bestrahlung mit Photonen unter oxischen Bedingungen ein $\alpha/\beta$-Verhältnis von $3\,\mathrm{Gy}$ gemessen. Wie groß ist das $\alpha/\beta$-Verhältnis unter hypoxischen Bedingungen, wenn das linear-quadratische Modell und ein Sauerstoff-Verstärkungsfaktor (OER) von $3$ angenommen wird?

22.9

Ziel der Strahlentherapie ist es, den Tumor durch Bestrahlung zu inaktivieren und gleichzeitig das umliegende Normalgewebe zu schonen. Welche beiden grundlegenden strahlenbiologischen Erkenntnisse werden hierfür ausgenutzt?

22.10

Wie unterscheidet sich die Beschreibung des Volumeneffektes im Normalgewebe beim Lyman-Kutscher-Burman(LKM)-, beim Critical-Element(CE)- und beim Critical-Volume(CV)-Modell?

22.11

Nenne die wichtigsten physikalischen und biologischen Einflussfaktoren auf die relative biologische Wirksamkeit (RBW). Berechne mit dem linear-quadratischen Modell die RBW im Grenzfall sehr kleiner Dosen pro Fraktion.