A radiobiologist looks at radiotherapy

Summary

The aim of radiotherapy is to destroy all tumor cells without causing lasting damage to the normal tissue. These seemingly contradictory tasks can now be fulfilled on only about 30% of all cases treated. Isoeffekt curves for different single doses and fractionation numbers calculated for destruction of tumorcells down to 10^-8 are remarkably close to clinical results (Strandquist) indicating that cell parameters chosen for this type of tumorcells (basal and squamous epithelioma) are realistic. The main problem of tumordestruction are the anoxic tumorcells. The reoxygenation process during treatment and also the efficiency of sensitizers for the anoxic cells therefore determines the best treatment scheme to be used. General guidelines are described.

The avoidance of late effects to normal tissue is a complex problem depending largely on the site of the tumor and the sensitivity of the adjacent normal tissue. L. Cohen has shown that we need at least 7 parameters for an analytical investigation. Here only clinical experience can clarify the situation but often the solution is indistinct and the parameters found are ambiguous. Normal cells in G₁ or G₀ phase and plateau condition are mainly less sensitive to radiation (perhaps 60%) than tumor cells and also potential lethal damage caused by the β-effect might partly be recoverable. Unfortunately we are very ignorant about the minimum cell survival numbers necessary for recovery and repopulation of normal tissue and this also holds true for repopulation kinetics. However, reasonable assumptions for the parameters lead to isoeffect curves for the normal tissue fairly close to tolerance doses evaluated in the clinics (Ellis's formula for fractionated treatment schemes).

For single doses below 600 rad the influence of interphase cell killing (α-effect) is prevailing and treatment with low LET radiation having low a values (high-energy electrons) will therefore give higher tolerance doses than treatment with conventional X-rays and also high LET radiations. This has been proved by extensive clinical trials.

To improve radiotherapy close cooperation between clinicians and radiobiologists is needed. Further investigations on cell survivals in vivo are badly needed for tumor cells (e. g. oat cell carcinoma and adenocarcinoma) and also for normal tissue. The processes of reoxygenation might be quite different in small animals from man and this might also be so for the cell kinetics of recovery and repopulation after irradiation.

Zusammenfassung

Nur in etwa 30% aller Fälle vermag die heutige Strahlentherapie die Tumorzellen effektiv zu zerstören, ohne daß dem Normalgewebe ein dauernder Schaden zugefügt wird. Berechnete Isoeffektkurven für eine gleichbleibende Zellzerstörung (bis auf 10⁻⁸) bei verschiedenen Fraktionierungszahlen N liegen ganz nahe bei klinischen Ergebnissen (Strandquist) und zeigen somit, daß die angenommenen Strahlenempfindlichkeiten der Tumorzellen realistisch sind. Die anoxischen Tumorzellen bilden eine schwierige Aufgabe der Tumorzerstörung; Reoxygenierungsvorgänge und die mögliche Anwendung von Sensibilatoren sind deshalb wichtig für die Strahlenbehandlung. Die Vermeidung von Spätschäden am Normalgewebe ist ein schwieriges Problem. Eine analytische Untersuchung erfordert mindestens 7 Parameter, und die Ergebnisse sind oft unbestimmt und vieldeutig. Normalzellen in G₁- oder G₀-Phasen (Plateau-Verhältnisse) zeigen oft eine geringere Strahlenempfindlichkeit als Tumorzellen, und potentiell letale Schäden (β-Effekte) können bei Normalzellen repariert werden. Die Repopulationskinetik der Normalzellen ist weitgehend unbekannt, aber plausible Annahmen ergeben Isoeffektkurven für Haut- und Bindegewebe im Einklang mit klinischen Toleranzdosen (Ellis).

Für Einzeldosen unterhalb etwa 600 rad ist der Einfluß des α-Effektes (interphasen Zellzerstörung) maßgebend. Eine Behandlung mit Strahlen niedriger α-Werte (hochenergetische Elektronen) ergeben deshalb höhere Toleranzdosen als konventionelle Röntgenstrahlen oder hoch-LET-Strahlen (Neutronen).

Um die Strahlentherapie zu verbessern, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Strahlenärzten und Strahlenbiologen notwendig. Wichtige Aufgaben der Strahlenbiologen sind es, die Strahlenempfindlichkeiten verschiedener Tumor- und Normalzellen in vivo zu ermitteln und die Reoxygenierungsvorgänge zu erforschen. Aber schon mit den heutigen Kenntnissen kann die Strahlenbiologie den Ärzten eine wertvolle Hilfe bei der Strahlenbehandlung leisten.