Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapie (E050)

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Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Abteilung E050
Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapie
Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapie (E050)
Leiter: Prof. Dr. med. Dr. rer. nat Jürgen Debus
Wissenschaftliche Mitarbeiter
Dr. Amir Abdollahi
Dr. Klaus Braun
Dr. Oktay Celebi
Dr. Heike Corban-Wilhelm
Dr. Stephanie Combs (6/03-)
Dr. Bernd Didinger
Prof. Friedrich Eckhardt
PD Dr. Klaus Herfarth
Dr. Karin Henke-Wendt*
Peter Hipp (-12/02)
Dr. Holger Hof
PD. Dr. Dr. Peter Huber
Dr. Jürgen Jenne
Dr. Jesus Barranco Junco (8-9/03)
Dr. Phoebe Kaiser (-9/02)
Dr. Maria Kissel (-12/02)
Dr. Stefanie Milker-Zabel (-12/02)
Dr. Frank Lohr (-12/02)
Dr. Marc Münter
Dr. Anna Nikoghosyan
Dr. Stefanie Oertel (9/03-)
Dr. Peter Peschke*
Dr. Ralf Rastert (-4/03)
Gregor Remmert (-9/02)
PD Dr. Daniela Schulz-Ertner
Dr. Anke Strunz (-12/02)
PD Dr. Christoph Thilmann*
Dr. Angelika Zabel
Prof. Ivan Zuna*
Doktoranden
Leyla Cira (5/02-)
Kerstin Dohme* (8/03-)
Gu Xiaoyin (02/03-)
Michael Hlavac (-12/02)
Minglun Li (7/03-)
Daniel Poerschke (-12/03)
Mathias Schäfer
Leonie von Brasch
Gabriela Divkovic* (4/02-)
Ping Gong (6/02-)
Benjamin Hanebeck (4/03-)
Twan Lammers (9/02-)
Sylvia Münter (-12/02)
Alexandra Roth (-12/02)
Florian Sterzing
Heike Zieher
Das Ziel der Klinischen Kooperationseinheit Strahlentherapie ist die Entwicklung neuer radio-onkologischer Behandlungsmethoden. Dabei sollen diese neuen Bestrahlungsmethoden nicht nur verbesserte technische Ansätze verfolgen, sondern im Besonderen soll auch die Möglichkeiten einer biologisch basierten Optimierung der
Strahlenwirkung untersucht werden. Eine wesentliche
Aufgabe der klinischen Forschungseinheit ist die Durchführung von Phase I/II- und Phase II-Studien, welche
die Sicherheit und Zuverlässigkeit hier neu etablierter
Behandlungsverfahren und Therapieplanungsverfahren
überprüfen. Die Optimierung der computergestützten
Strahlentherapieplanung und Simulation kann hierzu
wesentliche Beiträge leisten. Es soll darüber hinaus untersucht werden, inwieweit durch molekularbiologische
Verfahren die Strahlensensibilität vorhergesagt und gezielt beeinflusst werden kann. Schwerionenstrahlen zeigen eine höhere biologische Effektivität und eine günstigere Dosisdeposition als Photonenstrahlen. Im Rahmen
einer Studie wird die Anwendung der Schwerionenstrahlentherapie am Patienten in Zusammenarbeit mit der GSI
Darmstadt klinisch geprüft. Weiterhin werden Untersuchungen zum Einsatz neuer nicht-invasiver Therapieverfahren, wie zum Beispiel der Einsatz der Ultraschalltherapie in der Tumorbehandlung durchgeführt.
Technische Mitarbeiter
Marion Bachmann*
Gabriele Becker*
Viola Göller (-6/02)
Dietmar Greulich*
Stefan Hauser (-5/02)
Annette Jödicke
Katja Kuhn* (5/02-)
Sabine Kuhn
Rainer Kühnlein*
Miriam Lenz (-3/02)
Johanna Meixner-Krempien (3-12/03)
Elisabeth Rittinghausen* (1/02-)
Alexandra Tietz
Doris Wipfler (-6/03)
Sekretariat
Renate Haselmann*
Ingrid Reinke (-10/02)
Zivildienstleistende
Michael Thiemer (-4/02)
Daniel Burns (-8/03)
Philipp Ratzek (10/03-)
Nicole Helker* (6/03-)
Heike Reutner*
Christoph Guggenberger (-5/02)
Pascal Büscher (8/03-)
* = DKFZ Haushalt
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
311
Konformierende Strahlentherapie
C. Thilmann, B. Didinger, M. Münter, A. Nikoghosian,
H. Hof, K. Herfarth, D. Schulz-Ertner, P. Huber, J. Debus
312
Das Ziel der Strahlentherapie ist die Zerstörung des Tumors, ohne dabei Nebenwirkungen hervorzurufen. Meist
wird jedoch die für eine sichere Tumorkontrolle erforderliche Dosis durch die Strahlenempfindlichkeit des umliegenden gesunden Gewebes begrenzt. Die moderne Konformationsstrahlentherapie versucht, die physikalische Dosisverteilung möglichst genau an die Form des Zielvolumens
anzupassen. Dies gelingt meist durch die Verwendung
mehrerer Photonenfelder, deren Form individuell an die
Kontur des Tumors angepasst ist. Bei der Bestrahlung komplex geformter Tumoren in unmittelbarer Nähe zu Risikoorganen stoßen konventionelle Techniken mit Bestrahlungsfeldern konstanter Dosis an ihre Grenzen. Besonders
problematisch sind Zielvolumina, die konkav geformte Einbuchtungen aufweisen, die ein Risikoorgan umschließen.
Eine Verbesserung der Dosisverteilung ist hier zu erreichen,
wenn Photonenfelder appliziert werden, deren Intensität
beliebig über den Strahlquerschnitt variiert werden kann.
Dies erlaubt in vielen Fällen eine Dosiseskalation unter Beachtung der dosislimitierenden benachbarten Strukturen
ohne Steigerung der Komplikationsrate oder eine Dosisreduktion an Risikostrukturen, ohne gleichzeitig Dosiseinbußen im Zielvolumen hinnehmen zu müssen. Diese stereotaktischen Techniken werden auf den ganzen Körper, besonders bei Lungen -und Lebertumoren sowie bei wirbelsäulennahen Tumoren angwandt.
Konformierende Strahlentherapie mit
intensitätsmodulierten Bestrahlungsfeldern
In den vergangenen Jahren lag der Schwerpunkt der Arbeiten darauf, Instrumente zur Planung, Umsetzung und
Verifikation intensitätsmodulierter Bestrahlungstechniken zu
schaffen. Am DKFZ wurde ein inverses Bestrahlungsplanungsmodul (KonRad) entwickelt, das in der jeweiligen Bestrahlungssituation für eine vorgegebene Solldosisverteilung die optimalen Intensitätsprofile berechnet. Mit
der step-and-shoot-Technik, also der Zerlegung der intensitätsmodulierten Felder in einzelne Bestrahlungsfelder mit
einem isointensen Dosisprofil, steht ein Instrument zur
Verfügung, mit dem die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) sicher am Patienten eingesetzt werden kann.
Ein automatisiertes Dosimetrieverfahren erlaubt die Verifikation eines jeden Bestrahlungsplanes, der zur Patientenbestrahlung eingesetzt werden/- soll, mit einem für die
klinische Routine vertretbaren Zeitaufwand von 90-120 min.
[10] Es ermöglicht, die Umsetzung der geplanten Solldosisverteilung zu überprüfen und Abweichungen gegebenenfalls zu korrigieren.
Es konnte von uns gezeigt werden, dass die von uns entwickelte Form der IMRT sowohl im Körperstammbereich
als auch im Bereich des Kopfes präzise und zuverlässig angewendet werden kann. Am DKFZ wurden bis zum
31.12.2003 insgesamt 540 Patienten mit der IMRT behandelt.
Der Schwerpunkt der Aktivitäten liegt derzeit in der Entwicklung neuer Therapiekonzepte (z.B. Pleuramesotheliom)
oder neue Dosierungskonzepte (z.B. integriertes
Boostkonzept) [3]. Darüber hinaus sollen anhand klinischer
Untersuchungen Vorteile der IMRT gegenüber einer konventionellen Strahlentherapie herausgearbeitet werden.
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1. IMRT des lokalisierten Prostatakarzinoms
Eine wichtige Indikation für die IMRT-Technik ist die primäre kurative Strahlenbehandlung des lokalisierten (nicht
metastasierten) Prostatakarzinoms. Für eine langfristige
Heilung ist in bestimmten Fällen die Verabreichung einer
sehr hohen Strahlendosis von über 70-72 Gy innerhalb der
Prostata notwendig. Gleichzeitig befinden sich jedoch relativ strahlenempfindliche Organe (Mastdarm, Harnblase)
in unmittelbarer Nähe des Zielvolumens. Die intensitätsmodulierte Strahlentherapie eröffnet die Möglichkeit der
Dosiseskalation ohne erhöhtes Risiko strahlenbedingter
Schäden.
Im Rahmen einer klinischen Phase I/II-Studie wurden seit
1998 bislang 60 Patienten mit Strahlendosen von 72 bis
76 Gy behandelt [1]. Mittels dreidimensionaler überlagerter hochauflösender CT- und MRT-Bildgebung war eine präzise Zielvolumen- und Organsegmentation möglich. Es entstanden Bestrahlungspläne mit 5 isozentrischen, koplanaren
intensitätsmodulierten Feldern. Die sichere Applikation der
Strahlung wurde durch individuelle dosimetrische Verifikation und regelmäßige CT-Lagerungskontrollen während der
Therapieserie gewährleistet. Alle Patienten zeigten eine
exzellente Verträglichkeit der hochdosierten Strahlentherapie ohne stärkergradige akute oder frühe chronische Nebenwirkungen. Die klinische und laborchemische Nachsorge ergab bisher bei keinem Patienten einen Hinweis auf
ein Tumorrezidiv.
Derzeit wird geprüft, ob eine Zielvolumendefinition, die die
individuelle Lagevariabilität der Prostata anhand von fünf
vor Beginn der Strahlentherapie durchgeführten PlanungsCT-Untersuchungen berücksichtigt, Vorteile gegenüber
einer konventionellen Zielvolumendefinition bietet.
2. IMRT bei Kopf-Hals-Tumoren
Die invers geplante und intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) bietet bei Tumoren des Kopf-Hals-Bereiches
gegenüber konventioneller Techniken Vorteile. Neben
neuartigen Dosierungskonzepten mit einer integrierten
Boostbestrahlung lässt sich eine gezielte Dosisreduktion der
Ohrspeicheldrüsen erreichen. Im DKFZ wurden bisher 60
Patienten mit Tumoren im Kopf- und Halsbereich in kurativer
Intention behandelt. Besonderes Augenmerk wurde der
Schonung mindestens einer Ohrspeicheldrüse gewidmet,
deren Funktion prospektiv erfaßt wurde. Die Behandlungszeit betrug zwischen 8 und 18 Minuten. Die Therapie wurde von allen Patienten gut toleriert. Gemäß RTOG/EORTC
wurde keine höhere Frühtoxizität als Grad 3 beobachtet.
Lediglich eine Grad 4 Spätkomplikation wurde bisher beobachtet. Die invers geplante und intensitätsmodulierte Strahlentherapie ist in der klinischen Routine zur Bestrahlung
von Kopf-Halstumoren einsetzbar. Es können hohe Dosen
im Zielvolumen bei gleichzeitiger Schonung der Risikostrukturen appliziert werden. Vielversprechend sind die bisherigen Ergebnisse bezüglich der posttherapeutischen Speicheldrüsenfunktion, die einen klinisch messbaren Vorteil gegenüber einer Strahlenbehandlung in konventioneller Technik vermuten lassen.
3. IMRT des Mammacarcinoms
Zur brusterhaltenden Therapie beim Mammacarcinom wurde
von uns ein Verfahren entwickelt, das die inverse Bestrahlungsplanung zur IMRT anwendbar macht [5]. Hierbei
wird rechnerisch zur Erzeugung der Strahlintensitäten mit
dem Softwaremodul KonRad (MRC, Heidelberg) ein gedachter Bolus aufgelegt. Die Dosis wird separat mit dem am
DKFZ entwickelte Bestrahlungsplanungssystem VIRTUOS
ohne Bolus berechnet. Damit kann eine IMRT in Viel-FelderTechnik generiert werden, die präzise und zuverlässig in
komplexen Bestrahlungssituationen wie zur Mitbestrahlung
des lokoregionären Lymphabflusses oder bei bilateralem
Befall klinisch einsetzbar ist [7].
Die Ergebnisse einer Planvergleichsstudie mit 20 Patientinnen zeigen, dass bei Mitbestrahlung der lokoregionären
Lymphknoten die IMRT Dosisverteilungen liefern kann, die
einen klinischen Vorteil gegenüber einer konventionellen
Bestrahlung erwarten lassen. Mit der IMRT konnte im Vergleich zu konventionellen Techniken eine deutlich verbesserte Konformität ans Zielvolumen und eine bessere Schonung der ipsilateralen Lunge erreicht werden. Bei Patientinnen mit linksseitigem Tumor war zusätzlich eine signifikante Herzschonung erreichbar. Bei alleiniger Brustbestrahlung ohne regionären Lymphabfluss steht einer verbesserten Konformität ans Zielvolumen eine höhere integrale Dosis im Normalgewebe entgegen.
Derzeit wird die IMRT bei Patientinnen eingesetzt, die sich
in der Radiologischen Klinik der Universität Heidelberg zur
Brustbestrahlung unter Einschluss der Mammaria-InternaLymphknoten vorstellen und bei denen mit der konventionellen Therapie keine befriedigende Dosisverteilung erreicht
werden kann. Voraussetzung für die Anwendung der IMRT
ist eine hinsichtlich Homogenität im Zielvolumen bzw. Dosisbelastung an Risikostrukturen verbesserte Dosisverteilung
im Vergleich zur geeignetsten konventionellen Therapieform [6-9]. Bei alleiniger Brustbestrahlung ohne regionären
Lymphabfluss steht einer verbesserten Konformität ans Zielvolumen eine höhere integrale Dosis im Normalgewebe
entgegen. Die entwickelte Technik erlaubt den klinischen
Einsatz der invers geplanten IMRT in der adjuvanten Situation des Mammacarcinoms. Aufgrund des großen Aufwandes hinsichtlich Planung und Lagerung und der Erhöhung
der integralen Dosis im Normalgewebe bleibt die Viel-Felder-Technik Patientinnen vorbehalten, bei denen konventionell keine befriedigende Dosisverteilung zu erzielen ist.
Bisher wurden 25 Patientinnen mit Brustkrebs mit der IMRT
bei hervorragender Verträglichkeit bestrahlt.
4. IMRT bei Schädelbasistumoren
Nachdem die konventionelle konformierende Strahlentherapie bei Schädelbasistumoren sehr erfolgreich eingesetzt
werden konnte, wurde bei besonders schwierig gelegenen Tumoren in enger Nachbarschaft zu mehreren Risikostrukturen die Methode der IMRT angewandt. Die ersten
klinischen Daten zeigen, dass hiermit eine weitere Verbesserung der Schonung von Risikoorganen wie den Sehnerven zu erreichen ist [10].
5. Ganzkörperstereotaxie
In Analogie zur stereotaktischen Bestrahlung von Hirnmetastasen, wurde bereits 1997 an der Radiologischen Klinik
in Heidelberg eine Phase I/II Studie zur Durchführung einer stereotaktischen Einzeitbestrahlung von singulären inoperablen Lebertumoren und Lungentumoren begonnen
[11-12]. Es konnte gezeigt werden, dass eine hohe Präzision in der Lagerung des Patienten und in der Repositionierung des zu behandelnden Tumors erreicht werden
kann, die eine Einzeittherapie erlaubt. Bis in das Jahr 2000
wurden die ersten Bestrahlungen von Lungentumoren
unter Vollnarkose in Jet-Ventilation durchgeführt. Dies geschah unter der Vorstellung, eine Minimierung der atmungsbedingten Lungenexkursionen zu erreichen, um eine genauere Erfassung des Zielvolumens zu erlauben. Diese
Methode ist allerdings aufwendig und erfordert eine enge
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Kooperation mit einer anästhesiologischen Klinik. Seit Herbst
2000 wurden daher die Bestrahlungen unter Spontanatmung des Patienten durchgeführt. Es zeigte sich, dass
auch im Bereich der Lunge die bereits bei der Lebereinzeitbestrahlung erfolgreich eingesetzte Abdominalkompression zur Minderung der Tumorverschieblichkeit erfolgreich verwendet werden konnte. Die bislang erzielten
Ergebnisse sind sehr vielversprechend, liegen sie doch deutlich über den veröffentlichten Daten nach konventionell
fraktionierter Bestrahlung. Insgesamt scheint die einzeitige
Hochdosisbestrahlung von lokalisierten Lungentumoren und
Lebertumoren eine wenig belastende, effektive und sichere
Therapiemodalität darzustellen, die mit verhältnismäßig
geringem Aufwand betrieben werden kann. Von besonderem Vorteil für den Patienten ist, dass im Vergleich zur
konventionellen Bestrahlung die Gesamttherapiedauer
deutlich verkürzt wird. Ebenso stellt die IMRT bei wirbelsäulennahen Tumoren einen wesentlichen Fortschritt der
Tumortherapie dar [13].
Publikationen (* = externer Koautor)
[1] Debus J, Zierhut D*, Didinger B, Schlegel W, Wannenmacher
M*. Inverse planning and intensity-modulated radiotherapy in
patients with prostate cancer. Front Radiat Ther Oncol. 36:25-34
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[2] Pirzkall A, Carol M*, Lohr F*, Hoess A, Wannenmacher M*,
Debus J. Comparison of intensity-modulated radiotherapy with
conventional conformal radiotherapy for complex-shaped
tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys 48:1371-80 (2000)
[3] Thilmann C, Zabel A, Grosser KH, Hoess A, Wannenmacher
M*, Debus J. Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) with an
Integrated Boost to the Macroscopic Tumor Volume in the Treatment of High Grade Gliomas. Int J Cancer 96,341-349 (2001)
[4] Thilmann C., Schulz-Ertner D, Zabel A, Herfarth KK,
Wannenmacher M*, Debus J. Short communication: Intensity
modulated radiotherapy of sacral chordoma: a case report and a
comparison to stereotactic conformal radiotherapy. Acta oncol
41, 395-99 (2002)
[5] Thilmann C, Grosser KH, Rhein B, Zabel A, Wannenmacher
M*, Debus J. Virtueller Bolus zur inversen Bestrahlungsplanung
bei intensitätsmodulierter Radiotherapie des Mammakarzinoms im
Rahmen der adjuvanten Therapie. Strahlenther Onkol 178:138146 (2002)
[6] Thilmann C, Zabel A, Kuhn S, Bendl R, Rhein B,
Wannenmacher M*, Debus J. Invers optimierte intensitätsmodulierte Strahlenbehandlung bei einer Patientin mit rechtsseitigem
Mammakarzinom und Trichterbrust. Strahlentherap Onkol 178,
637-43 (2002)
[7] Thilmann C, Zabel A, Milker-Zabel S, Schlegel W, Rhein B,
Wannenmacher M*, Debus J. Number and Orientation of Beams
in Inversely Optimised Intensity Modulated Radiotherapy of the
Female Breast and the Parasternal Lymph Nodes. Am J Clin Oncol
26 E136-E143 (2003)
[8] Thilmann C, Zabel A, Rhein B, Häring P, Hoess A, Milker-Zabel
S, Harms W*, Schlegel W, Wannenmacher M*, Debus J. Inversely Optimised Intensity Modulated Radiotherapy of the Female Breast. Med Dosim 27, 79-90 (2002)
[9] Thilmann C, Sroka-Perez G*, Krempien R*, Hoess A,
Wannenmacher M*, Debus J, Inveresly Planned Intensity Modulated Radiotherapy of the Breast Including the Internal Mammary
cain: a Plan Comparision Study. Technol Cancer Res Treat 2,
(2004).
[10] Zabel A, Thilmann C, Zuna I, Schlegel W, Wannenmacher
M*, Debus J. Comparison of forward planned conformal radiation
therapy and inverse planned intensity modulated radiation
therapy for esthesioneuroblastoma. British Journal of Radiology
75:356-361 (2002)
313
[11] Hof H, Herfarth KK, Munter M, Hoess A, Motsch J,
Wannenmacher M*, Debus J J. Stereotactic single-dose radiotherapy of stage I non-small-cell lung cancer (NSCLC). Int J
Radiat Oncol Biol Phys;56(2):335-41 (2003).
[12] Herfarth KK, Debus J, Lohr F, Bahner ML, Rhein B, Fritz P,
Hoess A, Schlegel W, Wannenmacher MF. Stereotactic singledose radiation therapy of liver tumors: results of a phase I/II
trial J Clin Oncol. 19(1):164-70 (2001).
[13] Milker-Zabel S, Zabel A, Thilmann C, Schlegel W,
Wannenmacher M, Debus J. Clinical results of retreatment of
vertebral bone metastases by stereotactic conformal radiotherapy and intensity-modulated radiotherapy. Int J Radiat
Oncol Biol Phys. 55(1):162-7. (2003)
Strahlentherapie mit schweren Ionen
D. Schulz-Ertner, J. Debus
In Zusammenarbeit mit: Abteilungen E010, E020, E040, DKFZ;
Prof. Dr. Dr. Wannenmacher, Radiologische Universitätsklinik
Heidelberg; Prof. Kraft, Dr. T. Haberer, GSI Darmstadt;
Dr. Enghardt, Forschungszentrum Rossendorf
Ziele der Arbeitsgruppe sind die Erarbeitung von klinischen
Indikationen, die Optimierung der Schwerionentherapie und
ihre Einführung in die klinische Routine.
314
Bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in
Darmstadt, Deutschland, wird die Kohlenstoffbehandlung
bei Patienten seit Dezember 1997 angewandt. Die GSI ist
ein weltweit durch Kooperationen vernetztes physikalisches
Institut. Das Schwerionen- Synchroton (SIS) bei der GSI
ist in der Lage, geladene Teilchen bis hin zum Uran zu beschleunigen. Die Schwerionenstrahlung wird derzeit für die
Strahlentherapie in drei Behandlungsblöcken realisiert, wobei
jeder Block aus 20 aufeinanderfolgenden Tagen besteht.
Die Zuständigkeit für die Patientenbehandlung liegt bei der
Universität in Heidelberg. Die Strahlapplikation erfolgt mittels Rasterscanntechnik [1]. Verglichen mit passiven Dosisapplikationstechniken ist die Dosis im Eingangskanal sowie
die im Austrittskanal reduziert, so dass eine bessere Schonung des umgebenden Normalgewebes möglich wird. Die
Rasterscanntechnik zusammen mit einer biologischen
Planungsoptimierung verspricht eine optimale Behandlung mit Schwerionen bei Tumoren der Schädelbasis sowie
bei spinalen Tumoren, die von strahlenempfindlichen Organen umgeben sind [2-5].
Eine klinische Phase I/II zur Kohlenstoffionentherapie bei
Schädelbasischordomen und low-grade Chondrosarkome
wurde bereits abgeschlossen. Eine Phase I/II zur kombinierten Photonen- und Schwerionentherapie bei extrakraniellen Chordome, Chondrosarkome und adenoidzystischen Karzinomen ist derzeit aktiv.
Von Dezember 1997 bis Dezember 2003 wurden196 Patienten bei der GSI mit Kohlenstoffionen behandelt. Die lokale Kontrollrate lag nach 3 Jahren für Schädelbasischordome bei 81%, für Chondrosarkome bei 100% und für lokal
fortgeschrittene adenoidzystische Karzinome bei 62%. 15
von 17 Patienten mit spinal (8/9) und sakralen (7/8) Chordomen oder Chondrosarkome und 11 von 15 Patienten
mit anderen Schädelbasistumoren konnten des weiteren
lokal kontrolliert werden. Sechs von 12 Patienten, die eine
Rebestrahlung erhielten, zeigten bisher keine Zeichen einer erneuten Tumorprogression. Toxizitäten CTC Grad 4
und 5 konnten bisher nicht beobachtet werden.
Unter dem Aspekt der Toxizität ist die Schwerionentherapie ein sicherer Therapieansatz bei gleichzeitig hohen
Kontrollraten bei Chordomen und low-grade Chondrosar-
Abteilung E050
kome der Schädelbasis sowie bei lokal fortgeschrittenen
adenoidzystischen Karzinomen.
Eine klinische Phase I/II Studie zur kombinierten Photonen- und Kohlenstoffionentherapie beim lokal fortgeschrittenen Prostatakarzinom wird derzeit vorbereitet.
[1] Haberer T*, Becher W*, Schardt D*, et al. Magnetic scanning system for heavy ion therapy. Nucl Instr Meth Phys Res
1993; 330: 296-304
[2] Krämer M*, Jäkel O, Haberer T*, et al. Treatment planning
for heavy ion radiotherapie: Physical beam model and dose optimization. Phys Med Biol 2002; 45: 3299-3317
[3] Krämer M*, Scholz M*. Treatment planning for heavy-ion radiotherapy: Calculation and optimization of biologically effective
dose. Phys Med Biol 2000; 45:3319-3330
[4] Jäkel O, Hartmann GH*, Karger CP*, et al. Quality assurance
for a treatment planning system in scanned ion beam therapy.
Med Phys 2000; 27: 1588-1600
[5] Scholz M*, Kellerer AM*, Kraft-Weyrather W*, et al. Computation of cell survival in heavy ion beams for therapy. The model
and its approximation. Radiat Environ Biophys 1997; 36: 59-66
Experimentelle Teilchentherapie in vitro und in
vivo
P. Peschke, A. Abdollahi, P. Huber, J. Debus
In Zusammenarbeit mit: C. Karger, DKFZ E040, R. SanchezBrandelik DKFZ V230, S. Heiland, Universität Heidelberg; M.
Scholz, GSI Darmstadt, B. Stierstorfer, Universität München
Die Bestrahlung von Krebspatienten mit schweren Ionen
ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Therapie
von inoperablen, örtlich begrenzt wachsenden Tumoren.
Die vorteilhaften Eigenschaften des Partikelstrahls in Kombination mit einem “intensitätsmodulierten Rasterscannverfahren” und einem biologisch-orientiertem Planungssystem erlauben eine effiziente und konforme Bestrahlung
des Zielvolumens. Die laufenden klinischen Studien zur
Behandlung von fortgeschrittenen Tumoren der Schädelbasis, die zur Zeit bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) erfolgen, werden durch ein biologisches
Forschungsprogramm zur Charakterisierung des therapeutischen Schwerionenstrahls begleitet. Dabei beschäftigt sich
ein Projekt mit der Bestimmung der relativen biologischen
Effektivität (RBW) von Kohlenstoffionen im Vergleich zu
Photonen. Im Mittelpunkt der tierexperimentellen Studien stehen strahlenbedingte Spätschäden des zentralen
Nervensystems (CNS).
Relative biologische Wirksamkeit (RBW) und
Charakterisierung von Strahlenspätschäden am
Rückenmark der Ratte nach Photonen- und
Schwerionenbestrahlung
In einer ersten Serie von Untersuchungen wurde der
craniale Anteil des cervicalen Rückenmarks von Ratten mit
ein bzw. zwei Fraktionen Kohlenstoffionen oder Photonen
bestrahlt. Das Zielvolumen (Feldgröße: 10 x 15 mm) war
entweder im Eingangsbereich (Plateau-Region) eines 270
MeV/u 12C-Strahls oder zentral im erweiterten Bragg-Peak
eines 140 MeV/u 12C-Strahls positioniert. Die Bestrahlungen mit Photonen wurden an einem Linearbeschleuniger
(Siemens MPX, 15 MeV) mit einer Dosisrate von 5 Gy/Min.
unter Referenzbedingungen durchgeführt. Die
Behandlungsfelder wurden über einen Multileaf-Kollimator
mit einer Blende von 10 x 15 mm definiert. Pro Behandlungsarm wurden 30 Tiere, unterteilt in 5 Gruppen (n = 6) mit
Abteilung E050
unterschiedlichen Dosen (Range: 12 Gy - 61 Gy) bestrahlt.
Als Kontrolle dienten zwei Gruppen mit jeweils 6 Tieren.
Die biologischen Endpunkte in der Nachbeobachtungsphase
waren: akute strahleninduzierte Reaktionen sowie Latenzzeit und Häufigkeit des Auftretens neurologischer Veränderungen. Aus den ermittelten Daten wurden DosisWirkungskurven erstellt. Die resultierenden ED50-Werte
(Dosis mit 50%iger Komplikationswahrscheinlichkeit) für das
Entstehen einer strahlenbedingten Myelopathie wurden
für RBE-Kalkulationen herangezogen [1, 2].
[3] Karger C.P., Münter M.W., Heiland S.*, Peschke P., Debus J.,
Hartmann G.H. Dose response curves and tolerance doses for
late functional changes in the normal rat brain after stereotactic
radiosurgery evaluated by magnetic resonance imaging: influence of endpoints and follow up time. Radiat Res, 157 (2002)
617-625.
Die Latenzzeit bis zum Auftreten neurologischer Veränderungen betrug im Mittel 167 Tage, wobei 80 % aller Symptome zwischen 136 und 212 Tagen auftraten. Die mediane Latenzzeit nach Schwerionen war bei dem im BraggPeak bestrahlten Tiere kürzer (T50 = 157 Tage) als bei Tieren, die mit Kohlenstoffionen aus der Plateau-Region behandelt wurden (T50 = 178 Tage). Die effektive Dosis, bei
der sich eine Schadenswahrscheinlichkeit von 50 % ergibt
(ED50) betrug für Bestrahlungen im Eingangsbereich des
Kohlenstoffstrahls 17.1±0.8 Gy für Einzeldosen und
24.9±0.7 Gy für 2 Fraktionen im zeitlichen Abstand von 24
Stunden. Bestrahlungen des Rückenmarks im Bragg-Peak
ergab ED50-Werte von 13.9±0.8, und 15.8±0.7 Gy für 1
bzw. 2 Fraktionen. Die hieraus resultierenden
Fraktionierungseffekte waren bei Bestrahlung im 12C Bragg
Maximum deutlich verringert. Die aus den Messungen kalkulierten RBE-Werte betrugen 1.43±0.08 und 1.37±0.12
(für 1 bzw. 2 Fraktionen im Eingangsbereich) und
1.76±0.05, bzw. 2.16±0.11 (für 1 und 2 Fraktionen im
Bragg-Peak).
[5] Harms W.*, Peschke P., Ehemann V.*, Weber K.*, Zuna I.,
Debus J., Wannenmacher M.* Differential effects of interstitial
PDR and CLDR brachytherapy on cell cycle progression in a syngeneic rat prostate tumor model. Int J Radiat Oncol Biol Phys,
57(2 Suppl) (2003) S142-143.
Die gefundenen Fraktionierungseffekte im Eingangsbereich
der Schwerionen bestätigen die erhoffte Schonung des
dort liegenden Normalgewebes. Der geringe Fraktionierungseffekt im Bragg-Peak unterstreicht die hohe Effizienz dieser Bestrahlungsform. Die gefundenen Daten zeigen auch ein gute Übereinstimmung mit Untersuchungen
zu Strahlenspätschäden des normalen Hirngewebes nach
Photonen- und Schwerionenbestrahlung [3].
Im Rahmen grundlegender Studien zur Strahlenwirkung
wurde an Modelltumoren geprüft, ob eine superfraktionierte Bestrahlung mit Einzelfraktionen hoher Dosisleistung
eine kontinuierliche Langzeitbestrahlung mit niedriger Dosisleistung isoeffektiv ersetzen kann [4,5]. Ein zweites Projekt beschäftigte sich auf Zellkulturebene mit dem Mechanismus der Strahlensensibilisierung bei einer Chemo-Radiotherapie mit Pentoxifylline [6].
Um die spezifische biologische Effektivität von C12 Strahlen gegenüber Photonen zu verstehen, untersuchen wir
in einem weiteren Projekt in vitro die grundlegende differentielle Reponse von Normalgewebs- und Tumorzellen
mittels genomweiten cDNA Arrays und Proteinanalysen.
Insbesondere wird die differentielle Gen- und Proteinexpression in humanen primären Endothelzellen und Fibroblasten, humanen Glioblastom und Prostatakarzinomzellen
nach physikalisch dosisäquivalenten Bestrahlungen mittels
Photonen und C12 Ionen verglichen.
[1] Debus J., Scholz M.*, Haberer T.*, Peschke P., Jäkel O.,
Karger C.P., Wannenmacher M.* Radiation tolerance of the rat
spinal cord after irradiation with high-dose photons and carbon
ions. Radiat Res, 160 (2003) 536-542.
[2] Peschke P., Karger C.P., Scholz M.*, Debus J. Radiation myelitis of the rat spinal cord after single and split doses of photons
and carbon ions. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 57(2 Suppl) (2003)
S348.
[4] Harms W.*, Peschke P., Weber K.J.*, Hensley F.W.*, Wolber
G., Debus J., Wannenmacher M. Dose-dependent differential effects of low and pulsed dose-rate brachytherapy in a radioresistant syngenic rat prostate tumour model. Int J Radiat Biol, 78
(2002) 617-623.
[6] Strunz A.M., Peschke P., Waldeck W., Ehemann V.*, Kissel M.,
Debus J. Preferential radiosensitization in p53-mutated human
tumour cell lines by pentoxifylline-mediated disruption of the G2/
M-checkpoint control. International Journal of Radiation Biology,
78, (2002) 721-732.
Wasserlösliche synthetische Polymere zur
Verbesserung des tumorgerichteten Transports
von Wirkstoffen.
T. Lammers, P. Peschke, M. Kissel, J. Debus
In Zusammenarbeit mit: J. Schuhmacher DKFZ E030, F. Kiessling
DKFZ E020, U. Haberkorn DKFZ E060, V. Ehemann, Universität
Heidelberg, E. Friedrich, Universität Koblenz-Landau, K. Ulbrich,
V. Subr, M. Pechar, Institut of Macromolecular Chemistry, Academy of Science, Prag, Tschechische Republik, S. Lavi, Tel Aviv
University, Israel, G. Storm, Utrecht University, Netherlands,
R.P. Mason UT Southwestern Medical Center Dallas TX, USA.
Zahlreiche tierexperimentelle und klinische Studien belegen, dass die Wirksamkeit vieler Chemotherapeutika, insbesondere in soliden Tumoren, eher begrenzt ist. Zurückführen lässt sich dies u. a. auf zelluläre Resistenzmechanismen aber auch auf das ungünstige pharmakologische Verhalten der meist niedermolekularen Substanzen, mit denen therapeutisch wirksame Konzentrationen in soliden
Tumoren bei tolerierbaren Nebenwirkungen derzeit nur
schwer erzielt werden können. Um die klinischen Wirkungen dieser Substanzen zu optimieren und um therapiebegrenzende Nebenwirkungen zu reduzieren, sind Verbesserungen im Bereich des tumorgerichteten Transportes,
der pharmakokinetischen Verteilung sowie der Anreicherung von aktiven zytotoxischen Substanzen in soliden Tumoren notwendig. Diesen Forderungen entsprechen Verfahren, mit deren Hilfe pharmakologische Wirkstoffe selektiv in gewünschte Zielstrukturen transportiert werden (Drug
Delivery). Klassische Beispiele sind zelluläre Carrier (z.B. Erythrozyten, Leukozyten), partikuläre Carrier (z.B. Liposomen,
Mikro/Nanosphären) sowie makromolekulare Carrier (z.B.
Antikörper, Polyzucker, Polypeptide und synthetische Polymere), die sich derzeit in präklinischen und klinischen Überprüfungen befinden. Die Konjugation oder Verpackung von
Wirkstoffen in Trägermoleküle hat grundsätzliche Auswirkungen auf das pharmakokinetische und pharmakodynamische Verhalten der Substanzen, und soll helfen tumorassoziierte Barrieren und körpereigene Mechanismen zur
Erhaltung der Homeostasis zu überwinden.
Ziel der vorliegenden Forschungsaktivität ist die Synthese
und die biologische Charakterisierung eines polymer-gestützten Trägersystems für den Einsatz in der kombinierten Radio-Chemotherapie. Wasserlösliche Polymere auf der Basis
von Poly(N-2-(hydroxypropyl)methacrylamid) (pHPMA) er-
315
höhen die Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen, einerseits durch
Verlängerung der Plasmahalbwertszeiten, andererseits
durch Schutz der Wirkstoffe vor enzymatischer Degradation. Zusätzlich zeigen diese Polymere eine bevorzugte Anreicherung in soliden Tumoren aufgrund des sog. „EPR“Effektes (enhanced permeability and retention effect).
Dieser basiert auf der höheren Durchlässigkeit von Tumorgefäße, auf dem in soliden Tumoren häufig erweiterten
interstitiellen Raum sowie auf dem Fehlen eines funktionellen lymphatischen Entsorgungssystems.
316
In der ersten Phase des Projektes galt es die Pharmakokinetik und die Bioverteilung des Trägermoleküls pHPMA
genauer zu untersuchen. Für die Untersuchungen standen zwei HPMA-Polymere mit einem Molekulargewicht von
30.500 Da (HE-21) und 64.500 Da (HE-41) aus dem Institut für Makromolekulare Chemie der Akademie der Wissenschaften (Leiter: Prof. Dr. K. Ulbrich) in Prag, Cz zur
Verfügung. Die Polymere wurden auf zwei unterschiedlichen Sublinien eines syngenen Tumormodells der Ratte
getestet. Die Tumoren des radio- und chemoresistenten
Prostata Karzinoms R3327 (Sublinie AT1) zeichnen sich durch
schnelles anaplastisches Wachstum eine gute kapillare
Vaskularisierung und geringe Metastasierungsneigung aus.
Um den möglichen Einfluss des Transplantationsortes in die
Studien mit einzubeziehen wurden die Tumoren sowohl
subkutan als auch intramuskulär in männliche Copenhagenratten transplantiert. Tumoren der Sublinie R3327-H wachsen deutlich langsamer, sind hormonabhängig und besitzen eine gut ausgebildete differenziertere Vaskularisierung.
Die vaskuläre und tumorphysiologische Eigenschaften dieses Tumormodells wurden mit verschiedenen Techniken
im Detail evaluiert [1, 2, 3].
Die in den Abbildungen 1 und 2 gezeigte Bioverteilung der
Polymere 7 Tage nach intravenöser Applikation von 131Jod-markiertem HPMA bestätigt die Hypothese einer passiven Anreicherung von Makromolekülen über permeable
Gefäßstrukturen. Tumoren der Sublinie R3327-H zeigen
eine geringere Polymeraufnahme, u.a. aufgrund ihres reiferen und dadurch weniger durchlässigen Gefäßsystems.
Wie erwartet, reichert HE-41 in allen übrigen Organen signifikant höher an als HE-21, was durch das Molekulargewicht des Polymers, das jenseits der renalen Eliminationsgrenze von 45 kD liegt begründet ist. Beide Substanzen
zeigen die höchste relative Anreicherung in der Milz, gefolgt von Tumor Lunge und Leber. Die Kurven in Abb. 3
repräsentieren die Menge der beiden
unterschiedlichen HPMA-Polymere in
der Zirkulation über einen Zeitraum
von 168 Stunden. Die unterschiedliche Zirkulationsverhalten in Abhängigkeit des Molekulargewichtes ist
deutlich sichtbar.
Abteilung E050
mit makromolekularen Trägersystemen wurde die Substanz
2´,2´ Difluorodeoxycytidin (Gemcitabine) ausgewählt. Inzwischen stehen uns mehrere Konjugate in unterschiedlichem Design bezüglich Molekulargewicht, Beladungsdichte
und chemischer Verknüpfung von Wirkstoff und Träger zur
Verfügung. Derzeit erfolgt die Wirksamkeitsprüfung der
Konjugate hinsichtlich Toxizität und Strahlensensibilisierung
in der Zellkultur sowie in einem syngenen Tumormodell.
Außerdem werden mit Hilfe der multiparametrischen
Durchflusszytometrie die zugrundeliegenden molekularen
Wirkmechanismen genauer analysiert.
[1] Bellemann M.E., Bruckner J.*, Peschke P, Brix G., Mason R.P.*
Quantification and visualization of oxygen partial pressure in vivo
by 19F NMR imaging of perfluorocarbons. Biomed Tech (Berl), 47
Suppl 1 Pt 1 (2002) 451-454.
[2] Fink C., Kiessling F., Bock M., Lichy M.P., Misselwitz B.,
Peschke P., Fusenig N.E., Grobholz R., Delorme S. High-resolution
three-dimensional MR angiography of rodent tumors: morphologic characterization of intratumoral vasculature. J Magn Reson
Imaging,18 (2003) 59-65.
[3] Mason R.P.*, Hunjan S.*, Constantinescu A.*, Song Y.*,
Zhao D.*, Hahn E.W., Antich P.P.*, Peschke P. Tumor oximetry:
comparison of 19F MR EPI and electrodes. Adv Exp Med Biol; 530
(2003) 19-27.
[4] Haberkorn U., Kinscherf R.*, Kissel M., Kubler W., Mahmut
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iodide transport after transfer of the human sodium iodide
symporter gene is associated with lack of retention and low absorbed dose. Gene Ther,10 (2003) 774-780.
[5] Altmann A., Kissel M., Zitzmann S., Kubler W., Mahmut M.*,
Peschke P., Haberkorn U. Increased MIBG Uptake After Transfer
of the Human Norepinephrine Transporter Gene in Rat
Hepatoma. J Nucl Med, 44 (2003) 973-980
[6] Kissel M., Peschke P., Subr V.*, Ulbrich K.*, Strunz A.M.,
Kühnlein R., Debus J., Friedrich E.*; Detection and cellular localization of the synthetic soluble macromolecular drug carrier
pHPMA. European Journal of Nuclear Medicine 29, (2002), 10551062.
[7] Kiessling F., Lichy M., Grobholz R., Heilmann M., Huber P.E.,
Meding J., Peschke P., Kauczor H.U., Schlemmer H.P.. Hemodynamic and metabolic characterization of orthotopic rat prostate
carcinomas using dynamic MRI and proton magnetic resonance
spectroscopy Radiologe, 43 (2003) 489-494.
Obwohl pharmakokinetische Untersuchungen mittels dynamischer
Szintigraphie vielseitig einsetzbar sind
[4, 5] haben wir als Ergänzung außerdem ein Verfahren zur zellulären
Lokalisation von synthetischen Polymeren entwickelt [6]. Darüber hinaus wurde im Rahmen einer Kooperation die Technik der orthotopen
Transplantation von Prostatatumoren
in unserem Labor etabliert [7].
Als Wirkstoff für den Einsatz in der
kombinierten Radio-Chemotherapie
Abb. 1: Organverteilung von 131-Jod-markiertem HPMA 7 Tage nach I.V. Applikation
Abteilung E050
Expression des Gens der Herpes-simplex-Virus Thymidinkinase (HSV TK) wird Ganciclovir (GCV) mit hoher Aktivität
monophosphoryliert. Zelluläre Enzyme phosphorylieren das
entstandene GCV-Monophosphat zum Triphosphat. Diese
Substanz wird bei Teilung der Zelle in die synthetisierte
DNA inkorporiert und führt dadurch zum Zelltod. Neben
der HSV TK findet ein weiteres Suizid-System Verwendung.
Hier verleiht das bakterielle Enzym Cytosindeaminase (CD)
den Tumorzellen die Fähigkeit, das nicht-toxische 5-Fluorocytosin (5-FC) in das Chemotherapeutikum 5-Fluorouracil
(5-FU) zu verwandeln. Die eingesetzten Medikamente GCV,
5-FC und 5-FU besitzen den Vorteil, dass umfangreiche pharmakologische Informationen zu Verfügung stehen, da diese antivirale, antimykotische und chemotherapeutische Substanzen schone lange Zeit klinisch erprobt sind.
Abb. 2: Szintigraphische Bildgebung der Körperverteilung von
131-Jod-markiertem HPMA
Für die folgenden Studien wurde eine stabil transduzierte
Prostatakarzinomzelllinie der Ratte (R3327 AT-1), die das
Fusionsgen CDglyTK enthält, verwendet. In-vitro Studien
zeigten, dass ein deutlicher synergistischer Effekt der beiden Enzyme zu beobachten ist. Dieses Ergebnis konnte
durch in-vivo Studien an Copenhagen Ratten bestätigt
werden. Bei einer Monotherapie trat eine vollständige
Tumorremission bei 83% der Tiere mit dem TK/GCV und
bei 57% mit dem CD/5-FC System auf. Nur bei der
Kombinationstherapie konnte über einen Zeitraum von 180
Tagen bei allen Tieren eine vollständige Tumorremission
erzielt werden.
Um den Erfolg einer Suizidgentherapie abschätzen zu können, kann die Berechnung des Grads und des Potentials
der Aktivierung verwendet werden. Der Grad der Aktivierung erhält man aus der Inhibitionskonzentration (IC50)
für die Prodrug in wildtyp-Zellen (R3327 AT-1) geteilt durch
die IC50 der Prodrug in transduzierten Zellen (R3327 AT1/CDglyTK). Die Berechnung für das Potential der Aktivierung benutzt die IC50 der Prodrug (5-FC) in wildtyp-Zellen
geteilt durch die IC50 der Drug (5-FU) in wildtyp-Zellen. In
unserem Fall besitzt das CD/5-FC System einen niedrigen
Grad der Aktivierung (Wert 40) was zur Folge hat, dass
auch in-vivo nur 57% der Tiere eine vollständige Tumorremission zeigten [1].
Abb. 3: Pharmakokinetik (% der applizierten Menge in Blut) für
HE-21 (30,5 kD) und HE-41 (64,5 kD)
Gentherapeutische Strategien in der
Strahlentherapie
K. Braun, H. Corban-Wilhelm, S. Münter,
L. von Brasch, J. Debus
In Zusammenarbeit mit: W.E. Hull (B090), J. Jenne (E050), R.
Pipkorn (V270), H. Spring (V209), C.W. Von der Lieth (B090), W.
Waldeck (B045) alle DKFZ, V. Ehemann Pathologie, Universität
Heidelberg, U. Nehrbass Institut Louis Pasteur, Paris, Frankreich
Cytosindeaminase versus Thymidinkinase: Ein
Vergleich der antitumoralen Wirkung
Suizidgene kodieren für Enzyme, die lokal in der gentherapeutisch veränderten Zelle ein Pharmakon (Prodrug)
in eine hoch-toxische Substanz (Drug) verwandeln, so dass
die transduzierte Zelle Suizid begeht. Durch intrazelluläre
Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Umsetzung
von 5-FC zu 5-FU nicht nur eine Störung auf DNA-Ebene
hervorruft, sondern auch wahrscheinlich eine auf RNA-Ebene. Was zur Folge hat, dass die Zellen sich wieder erholen
und nicht absterben. Aus diesem Grund ist es notwendig
unterschiedliche Toxizitätstests durchzuführen, um vergleichbare Daten zu erhalten. Dieses Phänomen konnte
nicht bei der Behandlung der AT-1/CDglyTK Zellen mit GCV
beobachtet werden [2].
Ebenso das nicht vorhanden sein eines „Bystander-Effektes“ in dem verwendeten Modell wird auf einen kombinatorischen Effekt zurückgeführt. Zum einen konnten nur
geringe Mengen an Connexin (Gap-junctions) nachgewiesen werden, zum anderen die schnelle intrazellulär Konversion von 5-FU zu Fluoronukleotiden, welche die Zelle nicht
verlassen können [3].
Molekulares Modulares Transportsystem
Gentherapeutische Ansätze gelten allgemein als mögliche
Strategien bei einer Vielzahl von Erkrankungen. Das größte Hindernis bei der Gentherapie stellt der gezielte Transfer der therapeutisch relevanten Substanzen dar. Aus diesem Grund ist es bis heute noch nicht gelungen eine erfolgreiche Gentherapie zu etablieren, die als effektiv im
Hinblick auf die Behandlung des Menschen gelten könnte.
317
Fortschritte in der Festphasen-Peptidsynthese ermöglichen
eine facettenreiche Produktion von Molekülen, die als
potenzielle Therapeutika Einsatz finden könnten [4]. Hierzu zählen die protease- und nukleaseresistenten Peptidnukleinsäuren (PNA), bei denen das Zucker-Phosphat-Rückgrat durch Ethylen-Amin verbundene α-Amino-Ethyl-GlycinEinheiten substituiert ist. PNAs sind in der Lage mit Komplementärsequenzen in höherer Affinität zu hybridisieren (Ausbildung einer Hoogsteen Bindung) verglichen mit analogen DNA- oder RNA-Oligomeren. Allein der unzureichende
zelluläre Import von PNAs ist der zentrale limitierende Faktor und erfordert ein effizientes Carrierystem.
Der Transfer durch die Zellmembran und Kernhülle wird
durch eines von uns entwickelten nicht-viralen modular
aufgebauten Transport-Systems erzielt. Dieser sog. „BioShuttle“ besteht aus einem modularen Transport- und
Adresspeptide mit „Sollbruchstellen“, das den effizienten
zytoplasmatischen Transport plus der präzisen Adressierung
in Zellkompartimente gewährleistet. Das Adressproteinmodul (Nuclear Localisation Site (NLS)) ermöglicht den
Transport von Wirksubstanzen in den Zellkern, wie PNA
oder DNA, in geringeren Konzentrationen als bisher. Von
Bedeutung ist das Vorhandensein einer im Zytoplasma
spaltbaren Redox-Kopplung zwischen Transport- und
Adressmodul.
318
Mittels Konfocaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) und
Fluoreszenz Korrelation Spektroskopie (FCS) konnte der
zellkerngerichtete Transport gezeigt werden. Hierzu wurden DU-145 Zellen mit dem BioShuttle, das zum einen eine
spaltbare und zum anderen eine nicht-spaltbare DisulfidKopplung besitzt, inkubiert. Wir konnten zeigen, dass eine
grüne Fluoreszenz im Zellkernbereich auftritt, wenn eine
spaltbare Disulfid-Kopplung eingesetzt wird. Bei Applikation des BioShuttle-Konjugates ohne spaltbare Disulfid-Kopplung konnte kein Fluoreszenzsignal im Zellkern detektiert
werden, es ist lediglich eine Mischfluoreszenz im Zytoplasma sichtbar, weil dann die NLS-Sequenz nicht erreichbar ist
[5].
Unsere Ergebnisse zeigen einen effektiven, kompartimentgerichteten Transport in lebende Zellen mit Hilfe eines synthetisch hergestellten, modularen, nicht toxischen
Oligopeptid-Transporters.
Abteilung E050
lichen diagnostischen Bildgebungsverfahren werden nicht
anatomische Ausprägungen oder Effekte einer bestimmten Krankheit detektiert, sondern biologische Prozesse, die
der Krankheit zugrunde liegen, auf zellulärer Ebene nachgewiesen. Dadurch lassen sich Krankheiten bereits im Frühstadium erkennen und im Idealfall noch vor Erscheinen des
eigentlichen Krankheitsbildes therapieren.
Fortschritte in der Magnet Resonanz Bildgebung (MRI) mit
dem Kontrastmittel Gadolinium (Gd) konnten die Präzision
in der Diagnostik deutlich verbessern. Dennoch ist eine
zelluläre Darstellung nicht möglich im Gegensatz zur
extrazellulären, intravasalen Darstellung mit dem handelsüblichen Gd-Kontrastmittel. Vorraussetzung für eine MIMethode in der MRI ist das eindringen des Gd-Kontrastmittels in die Zelle. Aus diesem Grund haben wir das weit
verbreitete, interstitielle Gd-Kontrastmittel durch Design
eines Antisense-Conjugated-Gadolinium-Transporter (ACGT)
so weit verändert, dass eine zellspezifische intrazelluläre
Aufnahme möglich ist.
Dieses modulare Konstrukt besteht aus einem Gd3+-Komplexmodul, das an ein Transmembran-Transportmodul gebunden ist, welches wiederum mit einem Addressmodul
(hier eine c-myc mRNA gerichtete Antisense-Sequenz)
verbunden ist.
Mit Hilfe der MRI, konnten wir das Element Gadolinium sowohl in Zervix Karzinomzellen (Hela) als auch in Nicht-Tumorzellen (Lymphozyten) nachweisen. Unser ACGT-Konstrukt wurde im Experiment rasch aus den Nicht-Tumorzellen wieder heraustransportiert im Gegensatz zu den Tumorzellen, bei denen das Konstrukt aufgrund der Antisense
c-myc mRNA weitgehend intrazellulär gebunden wurde.
Der dadurch erzeugte Unterschied im Kontrast erlaubt
Tumor- von Nicht-Tumorzellen zu unterscheiden [6-9].
Publikationen (* = externe Koautoren)
[1] Corban-Wilhelm,H., Becker,G., Bauder-Wust,U., Greulich,D.,
Debus,J., Cytosine deaminase versus thymidine kinase: a comparison of the antitumor activity, Clin. Exp. Med., 3 (2003) 150156
[2] Corban-Wilhelm,H., Ehemann, V., Becker,G., Greulich,D.,
Braun, K., Debus,J., Comparison of different methods to assess
the cytotoxic effects of cytosine deaminase and thymidine kinase
gene therapy, Cancer Gene Therapy, Epub ahead of print (2003)
[3] Corban-Wilhelm,H., Hull,W.E., Becker,G., Bauder-Wust,U.,
Greulich,D., Debus,J., Cytosine deaminase and thymidine kinase
gene therapy in a Dunning rat prostate tumour model: absence
of bystander effects and characterisation of 5-fluorocytosine
metabolism with (19)F-NMR spectroscopy, Gene Ther., 9 (2002)
1564-1575
[4] Pipkorn R., Waldeck W., Braun K. Synthesis and Application of
functional Peptides in the Treatment of malignant Diseases. Review Article. J Mol Recognit, 16 (2003) 240-247
Penetratin-S-S-NLS-KK-PNA
Penetratin-NLS-KK-PNA
¦
¦
¦
¦
Alexa-Labelling FITC-Labelling Alexa-Labelling FITC-Labelling
Abb. 1: DU-145 Zellen inkubiert mit dem BioShuttle, mit und ohne
Disulfid-Kopplung, welche zusätzlich zwei Fluorenzfarbstoffe
(Alexa und FITC) einmal vor und einmal nach der Disulfid-Kopplung besitzen.
Auf Grundlage des entwickelten BioShuttles haben wir ein
auf antisense-basierendes Molekül für die molekulare Bildgebung (Molecular Imaging) entwickelt. Mit Hilfe des Molecular Imaging (MI) können biologische Prozesse auf zellulärer
und molekularer Ebene im lebenden Organismus gemessen und charakterisiert werden. Im Gegensatz zu herkömm-
[5] Braun,K., Peschke,P., Pipkorn,R., Lampel,S., Wachsmuth,M.,
Waldeck,W., Friedrich,E., Debus,J., A biological transporter for
the delivery of peptide nucleic acids (PNAs) to the nuclear compartment of living cells, J. Mol. Biol., 318 (2002) 237-243
[6] Heckl,S., Debus,J., Jenne,J., Pipkorn,R., Waldeck,W.,
Spring,H., Rastert,R., von der Lieth,C.W., Braun,K., CNN-Gd3+
enables Cell Nucleus Molecular Imaging of Prostate Cancer Cells the last 600 nm-, Cancer Res., 62 (2002) 7018-7024
[7] Heckl S, Debus J, Pipkorn R, Rastert R, Waldeck W, van Kaick
G, Braun K, Novel Transporter for Gadolinium enables fast and
specific cellular uptake into tumor cells. Mol Imag; 1(2) (2002)
125
[8] Heckl S., Braun K., Debus J.. Molekular Imaging – A Future
Diagnostic Method in Neurooncology? Tumor Diagnostik und
Therapie, 23 (2002) 209-218
[9] Heckl S, Pipkorn R, Waldeck W, Spring H, Jenne J, von der
Lieth CW., Corban-Wilhelm H, Debus J, Braun K. Intracellular Visualization of Prostate Cancer using Magnetic Resonance Imaging. Cancer Research, 63 (2003) 4766-4772
[10] Heckl,S., Braun,K., van Kaick,G., Kunze,S., Debus,J., Successful long-term treatment of multiple metastases from renal cell
carcinoma: combination of stereotactically guided percutaneous
singledose convergent beam irradiation and surgery,
Nervenarzt, 73 (2002) 967-971
[11] Westphal,G., Berg-Stein,S., Braun,K., Knoch,T.A.,
Dummerling,M., Langowski,J., Debus,J., Friedrich,E., Detection
of NGF-receptors TrkA and p75NTR in human tumor cell lines and
effect of NGF on the growth characteristic of the UT-7/EPO cell
line, J. Exp. Clin. Cancer Res., 21 (2002) 255-267
[12] Westphal,G., Braun,K., Debus,J., Detection and quantification of the soluble form of the human erythropoietin receptor
(sEpoR) in the growth medium of tumor cell lines and in the
plasma of blood samples, Clin. Exp. Med., 2 (2002) 45-52
[13] Braun,K., Wolber,G., Waldeck,W., Pipkorn,R., Jenne,J.,
Rastert,R., Ehemann,V.*, Eisenmenger,A., Corban-Wilhelm,H.,
Braun,I., Heckl,S., Debus,J., The enhancement of neutron irradiation of HeLa-S cervix carcinoma cells by cell-nucleus-addressed deca-p-boronophenylalanine, Eur. J. Med. Chem., 38
(2003) 587-595
[14] Heckl,S., Braun,K., Debus,J., Kunze,S., Cerebral metastasis
after primary renal cell carcinoma, J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry, 74 (2003) 141
[15] Pipkorn R., Braun K., Waldeck W., Koch M., Debus J. Synthesis and Application of functional Peptides for Therapy of
HPV18 positive Cervix Carcinoma Cells. Biopolymers 71(3): 73;
2003
Neue bildgestützte minimalinvasive
Tumortherapieverfahren
J. Jenne, R. Rastert, G. Divkovic, A. Abdollahi,
S. Hauser, P. Huber
In Zusammenarbeit mit: G. Rademaker, L. Schad (E020, DKFZ), K
Hynynen, F Jolesz (Harvard Medical School, Boston, USA)
R. Riedlinger (TH Karlsruhe)
Therapie mit hochenergetischem fokussiertem
Ultraschall
Die Wirkung von hochenergetischem Ultraschall auf biologisches Gewebe wird in thermische und nicht thermische,
bzw. mechanische Effekte aufgeteilt, wobei die nicht thermischen Effekte hauptsächlich von der Kavitation hervorgerufen werden. Diese beiden grundlegend verschiedenen Wirkungsweisen des Ultraschalls können in der lokalen
Tumortherapie angewandt werden.
Als besonders erfolgversprechend gilt die Therapie mit
hochenergetischem fokussiertem Ultraschall (HIFU, engl.
High Intensity Focused Ultrasound). Mit ihr ist es möglich
Gewebe nichtinvasiv, zielgenau im Körperinnern thermisch
zu zerstören. Die Präzision ist dabei so hoch, dass die
Grenzschicht zwischen induzierter Koagulationsnekrose und
nicht behandeltem Gewebe nur einige Zellschichten beträgt. Dieses Verfahren wird daher auch als Ultraschall-Chirurgie (FUS, engl. Focused Ultrasound Surgery) bezeichnet
[4,5].
Notwendige Voraussetzung einer erfolgreichen Therapie
mit HIFU ist ein effektives Therapiemonitoring, welches
sowohl die Zielvolumendefinition, als auch die Beurteilung
des Therapiefortschrittes und des Behandlungsergebnisses erlaubt. Hierfür hat sich die Magnetresonanztomographie (MRT), aufgrund ihrer hohen Temperatursensitivität
und ihrer guten morphologischen Abbildungsqualität als besonders geeignet erwiesen [6].
Abteilung E050
Primäres Ziel war die MRT gesteuerte FUS des Mammakarzinoms. Hierzu wurde eine Behandlungseinheit entwikkelt, die speziell für die Therapie von Tumoren der Mamma
konzipiert wurde. Das Herzstück der Therapieeinheit bildet der Therapieapplikator, der auf der Liege des Magnetresonanz-Tomographen installiert wird. Dieser beinhaltet die
Ultraschallquelle und ein Positioniersystem, welches ein
ferngesteuertes Abscannen des Tumorvolumens ermöglicht. Während der Ultraschalltherapie liegt die Patientin
auf der MRT-Liege, wobei die betroffene Brust in eine Vertiefung des US-Applikators vor die positionierbaren
Ultraschallquelle fixiert wird [1].
Nach Umfangreichen Tests an verschiedenen Tiermodellen wurde mit einer prospektiven Phase I/II Studie zur
Therapie des Mammakarzinoms begonnen. Wir konnten
zeigen, dass eine nicht invasive Behandlung mittels hochenergetischen fokussierten Ultraschalls unter MRT online
Kontrolle möglich und sicher ist. Neben der effektiven Darstellung des Temperaturfokus im geplanten Zielgebiet mittels spezieller thermosensitiver MRT-Sequenzen, war es
möglich die durch die Behandlung induzierte Gewebeveränderungen darzustellen und so den Behandlungserfolg
zu verfolgen (Abb. 1) [2].
Ein für diese neue Art von Therapie kritischer Faktor ist die
relativ lange Therapiezeit. Ursache hierfür ist, dass der kleine Ultraschallfokus mit einem Volumen von einigen mm³
zwar eine sehr präzise Destruktion des Gewebe ermöglicht, sich hieraus bei großen Tumorvolumina aber eine lange Therapiezeit ergibt. Daher wurden von uns mehrere
Methoden zur Verkürzung der Therapiezeit entwickelt und
getestet. Durch eine geschickt gewählte Applikationsfolge
der einzelnen Ultraschallpulse und durch die Variation der
Schallfeldgeometrie ist es uns gelungen die Therapiezeit
auf die Hälfte zu reduzieren.
Durch ein verbessertes Design der therapeutischen Ultraschallwandler soll in Zukunft die Therapiezeit weiter verkürzt werden. Darüber hinaus soll die Flexibilität der Beschallungsanlage erhöht werden, so dass auch andere Organe einer FUS-Therapie zugänglich gemacht werden können [3].
Die Magnet Resonanz-gesteuerte fokussierte Ultraschalltherapie (MRgFUS: Magnetic Resonance guided Focused
Ultrasound Surgery) ist somit ein bildgestütztes, nichtinvasives interventionelles Tumortherapie-Verfahren, welches
aufgrund der Therapieplanung in der Zielgenauigkeit der
stereotaktischen Bestrahlung mit ionisierenden Strahlen
gleicht. Klinisch kann sich die MRgFUS zu einer effektiven
und nebenwirkungsarmen Option in der adjuvanten, neoadjuvanten, palliativen oder auch kurativen Situation beim
Mammakarzinom, Prostatakarzinom, Nierenzellkarzinom, und
bei Tumoren im Gehirn entwickeln.
Zelluläre Mechanismen von therapeutischen
Ultraschallwellen
Wir konnten sowohl in vitro als auch in vivo am Dunning
Prostata Tumor R3327-AT1 auf Copenhagen Ratten und
am Gefäßsystem von Kaninchen zeigen, dass durch Ultraschallwellen der Gentransfer und die Transfektionsraten von
Plasmid DNA erhöhen werden kann [7]. Klinisch könnte
diese nebenwirkungsarme lokale Transfektionserhöhung
durch Ultraschall bei gentherapeutischen Ansätzen der
Onkologie und cardiovaskulärer Erkrankungen nützlich sein,
die gegenwärtig noch mit erheblichen Problemen bei der
Suche nach geeigneten in vivo Vektoren behaftet sind.
319
Abteilung E050
An humanen Lymphoblastenzellinien mit unterschiedlichem
p53 Status wurde gezeigt, dass Ultraschall Apoptose in
Korrelation mit dem p53 Status induzieren kann. Ferner
wurde auch gezeigt, dass Zellzyklusänderungen wie G1 Block
und G2 Block zellspezifisch durch Beschallung ausgelöst
werden können. Das könnte klinisch in der lokalen Tumortherapie besonders bei Lymphomen in der Kombination mit
etablierten Methoden wie ionisierender Strahlung eingesetzt werden.
Klinisch-Experimentelle Radioonkologie
Publikationen (* = externe Koautoren)
Die Untersuchungen zur vaskulären Biologie und Angiogenese beinhaltet Grundlagenuntersuchungen zur Tumorangiogenese im Zusammenhang mit Mechanismen der
Strahlentherapie als etablierter Krebstherapie. Gleichzeitig gehen wir von der Möglichkeit aus, dass künftig eine
medikamentöse Hemmung der Tumorangioneogenese in
multimodalen Tumor-Therapieschemata eingesetzt werden
wird. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Untersuchung der Kombinationseffekte von Strahlentherapie mit
medikamentösen Inhibitoren der Angiogenese. Die Wirkungen ionisierender Strahlung auf Gefäße und Endothelien sind wesentliche Komponenten strahlentherapeutischer
Effekte [1]. Im Bereich Strahlentherapie und Angiogenese
sind unsere Ziele die Analyse der molekularen und funktionellen Eigenschaften angiogener Endothelzellen sowie die
Charakterisierung molekularer Signale und Mechanismen bei
der Gefäßbildung. Besonderer Schwerpunkt ist hier die
strahleninduzierte Wechselwirkung von Tumor mit seiner
Vaskulatur und allgemein dem Nicht-Tumorzellkompartment.
Ein Ziel ist hierbei die Erforschung und Beeinflussung der
Normalgewebstoleranz gegenüber ionisierender Strahlung
und die Untersuchung unterschiedlicher biologischen Wirkungen verschiedener Strahlqualitäten. Dabei analysieren
wir die infolge der Aktivierung von endothelialen Zellen
auftretende veränderte Phänomenologie sowie die geänderte Gen/Protein-expression in Reaktion auf relevante
Stimuli wie Strahlung, Hypoxie und angiogene bzw.
antiangiogene Faktoren.
[1] Jenne J, Rastert R, Oppelt A*, Huber PE, Debus J. The
„Heidelberg“ MRgFUS system for the treatment of breast cancer.
44-47. 2002. ISMRM Workshop on „MRI-Guided Focused Ultrasound Surgery“.
[2] Jenne J, Rastert R, Simiantonakis I, Debus J, Huber P. MRI
guided focused ultrasound surgery for the treatment of breast
cancer. Yuhas, D. E. and Schneider, S. C. 2, 1377-1380. 2002.
New York, IEEE. IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings.
[3] Divkovic G, Jenne J, Rastert R. Linsendesign für HIFU
Therapie in Medizinische Physik 2003, Ed. Semmler W, Schad L
162-163, 2003
[4] Jenne JW, Divkovic G, Rastret R, Debus J, Huber PE.
Fokussierte Ultraschallchirurgie. Radiologe 43: 805-812 (2003)
[5] Jenne JW, Rastert R, Rademaker G, Divkovic G, Debus J,
Huber PE. MRI-guided focused ultrasound technology for breast
cancer therapy Z Med Phys. 2003; 13(3): 193-7.
320
[6] Rademaker G, Jenne JW, Rastert R, Röder D, Schad LR.
Vergleich nichtinvasiver MRT-Verfahren zur Temperaturmessung
für den Einsatz bei medizinischen Thermotherapien. Z Med Phys
2003;13:183-187.
[7] Huber PE, Mann MJ*, Melo LG*, Ehsan A*, Peschke P, Jolesz
F*, Dzau VJ*, Hynynen K*. Focused Ultrasound Induces Localized Enhancement of Reporter Gene Expression in Rabbit Carotid
Artery. Gene Therapy, 10:1600-1607, 2003.
A. Abdollahi, P. Huber
In Kooperation mit: St Wiemann, Chr Maercker, B Korn (RZPD),
H-J Gröne (DKFZ), F. Kiessling, M Krix (DKFZ); W Ansorge, A
Richter, Chr Schwager, A Gerlhof (EMBL Heidelberg); KJ Weber,
M Bischof, R Krempien (Radiologische Universitätsklinik Heidelberg); A Sckell (Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg-Schlierbach); L Hlatky, J. Folkman (Dana Farber Cancer Institute, Harvard Medical School, Boston, USA).
Hypoxie in Endothelzellen
Hypoxie spielt bei der Progression von Tumoren und besonders bei der Tumorangiogenese eine wichtige Rolle.
Wir haben humane primäre Endothelzellen in vitro einer
Hypoxie ausgesetzt und die Änderungen auf RNA- und
Proteinniveau untersucht [2]. Mittels eines cDNA-Chips und
Proteinarrays konnten wir Expressionsprofile des kompletten humanen Unigene clusters (Stand 2002) mit ca.
76,000 Elementen erstellen sowie Proteinregulationen
untersuchen.
Abb. 1: (A) T1 gewichtete MRT-Mammographie in der standard
MRT-Brust-Spule zwei Tage vor der Ultraschall-Therapie. Deutlich
ist ein invasives Mammakarzinom zu erkennen. Nach Kontrastmittelgabe zeigt sich eine starke Kontrastmittelanreicherung im Tumor (unten). (B) T1w MRT-Bilder akquiriert mit der Ultraschall
Behandlungseinheit: kurz vor der Ultraschalltherapie (oben) und
nach Therapieende mit Kontrastmittelgabe (unten). Nach der
FUS Therapie wird im behandelten Gewebe kein Kontrastmittel
mehr angereichert. Dies deutet auf einen kompletten Ausfall der
Durchblutung hin. (C) T2w MRT-Planungsaufnahme vor der USTherapie (oben). MRT-Thermometrie während der Ultraschallapplikation (unten). Die Farbkarte zeigt die punktuelle Temperaturerhöhung an.
Modulation der Effekte ionisierender Strahlung
In der Vergangenheit hat sich die Strahlenbiologie hauptsächlich mit dem Tumorzellkompartment beschäftigt. Die
Interaktion von Strahlung, Tumor und Nicht-Tumorzellkompartment mit seiner extrazellulären Matrix, Zytokinen, Integrinen und Endothelzellen ist im wesentlichen unbekannt.
Wir haben in klassischen Angiogenese-Assays gefunden,
dass ionisierende Strahlung einen potenten antiangiogenen Effekt aufweist, und dabei die Proliferation, das Überleben, Invasion, Migration und Tubeformation von Endothelzellen hemmt. Dabei scheinen Endothelzellen strahlensensibler zu sein als z.B. PC3 Prostata-Tumorzellen. Die
Zytokine VEGF and bFGF beschützen hingegen Endothelien vor Strahlenschäden. Wir haben zusätzlich gefunden,
dass Endothelzellen radiosensitiver werden, indem man die
VEGF und bFGF Kaskaden mit Inhibitoren ihrer Rezeptor
Tyrosin Kinasen blockiert. Gleichzeitig führt Strahlung zur
Hochregulation von VEGF and bFGF z.B. in PC3 Tumorzellen und ebenfalls zur Hochregulation von VEGFR2 und dem
Integrin αVβ3 in Endothelzellen. Diese Resultate fügen sich
zu einem Modell, welches erklärt, wie Tumoren ihre eigene Vaskulatur vor Strahlenschäden schützen können.
Gleichzeitig weist es darauf hin, dass der kombinierte Einsatz medikamentöser Inhibitoren der Tumorangiogenese
und Strahlentherapie in der Therapie von Tumoren sinnvoll sein kann. Diese in vitro Erkenntnisse werden zur Therapie von Tumoren auf das Nacktmausmodell in vivo übertragen. Tiere mit humanen Tumor-Xenotransplantaten
werden mit verschiedenen Substanzen, darunter Inhibitoren der Rezeptoren für VEGF, PDGF, bFGF, sowie Inhibitoren
von COX-2 und αVβ3 behandelt. Die Resultate zeigen, dass
eine kombinierte Behandlung mit ionisierenden Strahlen
sinnvoll erscheint, um die Antitumorwirkung zu verstärken
[3-6]. Ausserdem wurden Erkenntnisse hinsichtlich der
Rolle von PDGF bei der strahleninduzierten Fibrose gewonnen, was dazu beitragen kann, dass künftig die Fibroseentstehung als schwerwiegende Nebenwirkung der Bestrahlung deutlich reduziert werden könnte.
Abteilung E050
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Antiangiogene Regulation in Endothelzellen
Mittels cDNA chips (nach Unigene /NCBI) konnten wir Expressionsprofile von humanen Endothelzellen nach Behandlung mit recombinant hergestelltem humanen Endostatin
erstellen. Weiterhin wurde durch einen 400 Antikörper
umfassenden Protein Chip der Phosphorylierungsstatus
verschiedener wichtiger Komponenten der Signaltransduktion analysiert und dabei die auf DNA-Niveau prädiktierten Pathways konfirmiert. Auf diese Weise wurden bislang unbekannte Signalkaskaden der Angiogenese in
Endothelzellen aufgedeckt [8-10].
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321

Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapie (E050)

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