KFO 214: Heavy Ion Therapy in Radiation Oncology
Final Report Abstract
Die erste Förderperiode der klinischen Forschergruppe begann direkt nach Aufnahme des klinischen Betriebes an der Heidelberger Ionenstrahl-Therapieanlage (HIT) im Oktober 2009. Vorrangiges Ziel war die Etablierung klinischer Studien für Hirntumoren und Tumoren der Schädelbasis, sowie zu Tumoren im Körperstammbereich (Lebertumore und sakrale Chordome). Die Studien wurden begleitet von grundlegenden Radiobiologischen Untersuchungen zur Normalgewebstoleranz im Tiermodell und Untersuchungen zur Radiochemotherapie in-vitro, sowie physikalischen Teilprojekten zur Strahlapplikation und Therapieplanung für bewegter Organe. In der zweiten Förderperiode, ab Anfang 2013, wurde der Fokus auf die Initiierung weiterer klinischer Studien für Tumoren der Lunge, Pankreas, Prostata und Hirntumore ausgeweitet. Die Studien der ersten Phase wurden weitergeführt. Den Studien wurden wiederum medizinphysikalische Themen zugeordnet, wobei auch der Aspekt des Monitorings während der Bestrahlung im Vordergrund stand. Daneben wurde eine radiobiologische Zentralplattform zur systematischen Untersuchung von Biomarkern etabliert und die Untersuchungen am Tiermodell in Hinblick auf die Tumorkontrolle insbesondere bei hypoxischen Tumoren ausgeweitet. Dazu wurde ein medizinphysikalisches Teilprojekt zum Thema der Therapieplanoptimierung und insbesondere der Adaption für bewegte Tumoren fortgeführt. Die Arbeit der Forschergruppe ist insgesamt als äußerst erfolgreich und die wissenschaftlichen Ergebnisse als sehr umfangreich zu bewerten, was auch durch die Vielzahl der Publikationen (mehr als 100 hochrangige Beiträge) belegt wird, sowie durch die insgesamt 17 klinischen Studien, welche zwischen 2009 und 2017 am HIT initiiert wurden, darunter neben Phase I/II Studien für neuartige Therapiekonzepte auch erstmals Phase III Studien in denen die Therapie mit Protonen und Kohlenstoff direkt verglichen wird. Die klinischen Ergebnisse zur Ionentherapie aus Heidelberg setzen weltweit Standards und finden viel internationale Beachtung. Im Bereich der Radiobiologie wurden sehr systematisch in-vivo Daten zur radiobiologischen Wirksamkeit von Kohlenstoffionen und Protonen bei unterschiedlichen Fraktionierungen, linearem Energietransfer (LET) und Gesamtdosen für Normalgewebe (Neuro- und Lungen Toxizität) und Tumoren (Schwerpunkt: Lungen, Prostata, Pankreas und Hirn-Tumoren) gewonnen. Diese Daten sind eine einzigartige Möglichkeit die der Therapieplanung zugrundeliegenden Modelle zu verbessern. Im Bereich Biomarker wurden Untersuchungen von zirkulierenden Tumor Zellen, peripherem Blut Transkriptom/Mikro-RNA Analysen, Methylom-basierte Classifier aus in Formalin archiviertem Gewebeproben (FFPE) etabliert und in laufende prospektive Studien integriert. Auf dem Gebiet der longitudinalen Studien der Tumorpathophysiologie konnte die Robustheit der entwickelten Modelle mittels Simulation und Outcome Vergleich in Patientenstudien validiert werden. Die Anwendung dieser Modelle auf dynamische MRT und PET Analysen erlaubten zusätzlich die Untersuchung intratumoraler Heterogenität (zB. Tumorperfusion, Metabolismus, Zellularität) im Verlauf der Therapie als Funktion der applizierten Dosis. Die Forschergruppe leistete damit einen wichtigen Beitrag zu räumlich und zeitlich aufgelösten multi-scale Untersuchung der Tumorbiologie nach Schwerionentherapie durch Integration verschiedener „Omics Ebenen“ mit weitreichenden Implikationen über die Partikeltherapie hinaus. In den Projekten zur Radiochemotherapie konnten erstmals das Zusammenspiel beider Therapien für hoch-LET Strahlung untersucht werden. Diese Ergebnisse mündeten in die Formulierung neuer Therapiekonzepte am HIT insbesondere für Tumoren im Kopf-Halsbereich als auch der Pankreas ein. Die Physikalischen Teilprojekte haben ebenfalls zur Etablierung einer Reihe neuartiger Konzepte geführt. So wurden in einer ganzen Reihe von Planungsstudien Wege aufgezeigt, wie die Behandlung bewegter Organe mit einem gescannten Strahl erfolgreich durchgeführt werden kann. Diese Konzepte wurden für Leber, Pankreas und teilweise für Lungentumore klinisch umgesetzt. Im Bereich des in-vivo Monitoring wurde einerseits die Möglichkeit der Reichweiteverifikation mit der PET-Bildgebung evaluiert, als auch neue Konzepte zum Monitoring sekundärer Protonen mithilfe neuartiger Detektorkonzepte umgesetzt. Für den Bereich des Bewegungsmonitoring wurden erste Schritte hin zu einer Verwendung von MR-Bilddaten zur Therapieplanung und Monitoring unternommen, die sehr vielversprechend sind. Auch zukunftsweisende Konzepte, wie die Einführung der Therapie mit Heliumionen wurde in der KFO untersucht. Durch die klinische Forschergruppe konnte auch der wissenschaftliche Nachwuchs in Heidelberg in allen beteiligten Disziplinen (Medizin, Physik, Biologie und Informatik) enorm gefördert werden. Der Schwerpunkt Ionentherapie wurde langfristig in Heidelberg etabliert.
Publications
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Ion beam therapy – Results from a clinical research group at the Heidelberg Ion Beam Therapy Center. Radiation Oncology, Special Issue. 2017
Oliver Jäkel, ed.
