Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie
Refine
Has Fulltext
- yes (165)
Is part of the Bibliography
- yes (165)
Year of publication
Document Type
- Journal article (88)
- Doctoral Thesis (77)
Keywords
- Strahlentherapie (22)
- Palliativmedizin (16)
- radiotherapy (15)
- Bestrahlung (9)
- Medizin (8)
- DNA damage (7)
- Radiotherapy (6)
- prostate cancer (6)
- rectal cancer (6)
- Strahlensensibilität (5)
Institute
- Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie (165)
- Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften (15)
- Comprehensive Cancer Center Mainfranken (5)
- Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenkrankheiten, plastische und ästhetische Operationen (4)
- Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie (Institut für Röntgendiagnostik) (3)
- Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin (3)
- Medizinische Klinik und Poliklinik II (3)
- Pathologisches Institut (3)
- Institut für Psychologie (2)
- Medizinische Klinik und Poliklinik I (2)
Sonstige beteiligte Institutionen
Evaluation of set up error detection by a transperineal ultrasound in comparison with a cone beam CT (CBCT) based system in external beam radiation therapy (EBRT) of prostate cancer.
Methods: Setup verification was performed with transperineal ultrasound (TPUS) and CBCT for 10 patients treated with EBRT for prostate cancer. In total, 150 ultrasound and CBCT scans were acquired in rapid succession and analyzed for setup errors. The deviation between setup errors of the two modalities was evaluated separately for each dimension.
Results: A moderate correlation in lateral, vertical and longitudinal direction was observed comparing the setup errors. Mean differences between TPUS and CBCT were (−2.7 ± 2.3) mm, (3.0 ± 2.4) mm and (3.2 ± 2.7) mm in lateral, vertical and longitudinal direction, respectively. The mean Euclidean difference between TPUS and CBCT was (6.0 ± 3.1) mm. Differences up to 19.2 mm were observed between the two imaging modalities. Discrepancies between TPUS and CBCT of at least 5 mm occurred in 58 % of monitored treatment sessions.
Conclusion: Setup differences between TPUS and CBCT are 6 mm on average. Although the correlation of the setup errors determined by the two different image modalities is rather week, the combination of setup verification by CBCT and intrafraction motion monitoring by TPUS imaging can use the benefits of both imaging modalities.
Background
The aim of this study was to quantify the variability in spinal radiosurgery (SRS) planning practices between five international institutions, all member of the Elekta Spine Radiosurgery Research Consortium.
Methods
Four institutions provided one representative patient case each consisting of the medical history, CT and MR imaging. A step-wise planning approach was used where, after each planning step a consensus was generated that formed the basis for the next planning step. This allowed independent analysis of all planning steps of CT-MR image registration, GTV definition, CTV definition, PTV definition and SRS treatment planning. In addition, each institution generated one additional SRS plan for each case based on intra-institutional image registration and contouring, independent of consensus results.
Results
Averaged over the four cases, image registration variability ranged between translational 1.1 mm and 2.4 mm and rotational 1.1° and 2.0° in all three directions. GTV delineation variability was 1.5 mm in axial and 1.6 mm in longitudinal direction averaged for the four cases. CTV delineation variability was 0.8 mm in axial and 1.2 mm in longitudinal direction. CTV-to-PTV margins ranged between 0 mm and 2 mm according to institutional protocol. Delineation variability was 1 mm in axial directions for the spinal cord. Average PTV coverage for a single fraction18 Gy prescription was 87 ± 5 %; Dmin to the PTV was 7.5 ± 1.8 Gy averaged over all cases and institutions. Average Dmax to the PRV_SC (spinal cord + 1 mm) was 10.5 ± 1.6 Gy and the average Paddick conformity index was 0.69 ± 0.06.
Conclusions
Results of this study reflect the variability in current practice of spine radiosurgery in large and highly experienced academic centers. Despite close methodical agreement in the daily workflow, clinically significant variability in all steps of the treatment planning process was demonstrated. This may translate into differences in patient clinical outcome and highlights the need for consensus and established delineation and planning criteria.
Ergebnisse einer retrospektiven Studie an der Universität Würzburg:
Patienten und Methoden:
In einer retrospektiven Studie wurden Einflussfaktoren auf die Lokoregionäre Kontrolle, das Gesamtüberleben und das rezidivfreie Überleben von 106 Patienten, mit histologisch gesicherten Oropharynxkarzinomen (28 T1, 46 T2, 25 T3 und 7 T4 Tumore, mit lymphatischer Beteiligung in 78 Fällen), mit uni- und multivariaten Analysen untersucht.
Das mediane Alter bei Primärdiagnose betrug 55 Jahre. Es wurde eine mediane Nachbeobachtungszeit 36 Monaten erreicht (zwischen 5 bis 126 Monate). In 18 Fällen (17%) konnte der Primärtumor in sano entfernt werden (Sicherheitsabstand > 3mm). In 34 Fällen (32%) bestand ein knapper Sicherheitsabstand (definitionsgemäß < als 3mm) und in 54 Fällen (51%) waren die Resektatränder nicht frei von Tumorzellen (R1 Resektion). Patienten, welche eine Chemotherapie aufgrund des erhöhten Rezidivrisikos erhielten, machten 24% (25 Patienten) des Patientenkollektivs aus.
Behandlungskonzept
Das Tumorbett des Primärtumors und die zervikalen lymphatischen Abflussgebiete erhielten mediane Bestrahlungsdosen von 56 Gy (2 Gy/ Behandlung, 5 Fraktionen pro Woche). Patienten mit R0-Resektion erhielten Bestrahlungsdosen von 56-60Gy. Bei Patienten mit knappen Resektatrand wurde das Tumorbett mit einer höheren Dosis von 60-66Gy bestrahlt, R1 Resektionen wurden mit einer Boost-Aufsättigung bis zu einer Gesamtdosis von 66-70 Gy behandelt. Patienten im UICC-Stadium 4, mit erhöhtem Rezidivrisiko, machten 24% (25 Patienten) des Patientenkollektivs aus. Diese Patienten erhielten je nach Nierenfunktion und Blutbild eine zusätzliche Chemotherapie mit Cisplatin (40mg/m² wöchentlich) in 1-4 Zyklen, sowie eine Boost-Aufsättigung des Tumorbettes bis zu einer Gesamtdosis von 66-70 Gy.
Ergebnisse der univariaten Analysen mittels Kaplan-Maier Plot Verfahren:
lokoregionäre Kontrolle
Mit einer medianen Nachbeobachtungszeit von 36 Monaten wurde eine 5 Jahres Rezidivfreiheit bei 87% der Patienten erzielt. Davon wurden 80% der Rezidive innerhalb der ersten 24 Monate diagnostiziert. Bei Patienten mit R0 Status wurde in 16,7 % ein Rezidiv diagnostiziert, bei Patienten mit R1 Situation in 17% und bei Patienten mit knappen Resektatrand wurde nur in 6 % ein Rezidiv diagnostiziert. Als statistisch signifikanter Einflussfaktor des Rezidiv erwies sich nur das Gesamttumorvolumen.
Gesamtüberlebensrate
Es wurde eine 3- und 5- Jahresüberlebensrate von 75% und 66% erreicht.
Die 5JÜR bezüglich der Radikalität der Resektion erreichte bei R0 Resektion 61%, 71% bei Patienten mit knappen Resektatrand und 65% bei R1 Situation.
Bei Patienten mit einem T1 Tumorstadium ergab sich eine 5JÜR von 82%, bei T2 67%, bei T3 52% und für Patienten im T4 Stadium ergab sich eine 5JÜR von 43 %.
Patienten mit N0-Status verzeichneten eine 5JÜR von 68%, mit N1-Status 82%, N2a,b-Status 68%, N2c-Status 36% und N3-Status ergab 43%.
Patienten ohne adjuvante Chemotherapie erzielten eine 5JÜR von 69% und Patienten, die aufgrund des erhöhten Rezidivrisikos eine Chemotherapie erhielten, erreichten 56%.
Die Einflussgröße der Rezidiventwicklung erbrachte eine 5JÜR von 13%, wogegen sie bei Patienten ohne Rezidiv 75% betrug.
Patienten, welche einen 2. Tumor entwickelten, verzeichneten eine 5JÜR von 45% gegenüber 71% bei Patienten ohne 2.Tumor.
Der Vergleich der Bestrahlungsdosen im Tumorbett ergab, dass Patienten mit einer Gesamtdosis unter/gleich 66Gy eine 5JÜR von 71% erreichten und 62% bei Gesamtdosen über 66Gy.
Die 5JÜR bezüglich des Tumorvolumens des Primärtumors, inklusive der befallenen Lymphknoten, erbrachte in der ersten Gruppe von unter 10ml Tumorvolumen 77%, von 10 bis 20ml 83%, von 20 bis 50ml 52% und in der vierten Gruppe mit über 50ml Tumorvolumen 33%.
Mit einem Grading von 2 wurde 69% und mit einem Grading von 3 wurde bei Patienten eine 5JÜR von 61% berechnet.
In der univariaten Analyse mittels des Kaplan-Maier-Plot-Verfahrens, zeigte sich in der 5-Jahres Überlebenskurve eine Signifikanz der Einflussgrößen Tumorstadium (p-Wert 0,003), Rezidivereignis (p-Wert 0,000), 2.Tumor (p-Wert 0,001) und Tumorvolumen (p-Wert 0,000).
Rezidivfreies Überleben
Das rezidivfreie Überleben betrug nach 3 Jahren 68% und nach 5 Jahren 64%.
Bezüglich der Radikalität der Resektion ermittelte man für Patienten mit R0 Resektion nach 5 Jahren ein rezidivfreies Überleben von 61%, 71% bei knappen Resektatrand und 61% bei R1 Situation.
Patienten mit einem T1 Stadium erreichten ein 5 jähriges rezidivfreies Überleben in 82%, mit T2 Stadium 67%, mit T3 Stadium 48% und Patienten im T4 Tumorstadium erzielten 43 %.
Patienten mit N0-Status verzeichneten ein 5 jähriges rezidivfreies Überleben von 64%, mit N1-Status 82%, N2a,b-Status 68%, N2c-Status 27% und ein N3-Status ergab 43%.
Patienten ohne adjuvante Chemotherapie erreichten in 68% und Patienten, welche eine Chemotherapie erhielten, erreichten ein 5 jähriges rezidivfreies Überleben in 52%.
Patienten, welche einen 2. Tumor entwickelten, verzeichneten eine 5 jähriges rezidivfreies Überleben von 45%, gegenüber 68% bei Patienten ohne 2.Tumor.
Die Gegenüberstellung der Bestrahlungsdosen im Tumorbett ergab, dass Patienten mit einer Gesamtdosis unter/gleich 66Gy ein rezidivfreies 5-jähriges Überleben von 69% erreichten, hingegen Patienten mit mehr als 66Gy Bestrahlungsdosis 60% erzielten.
Das 5 jährige rezidivfreie Überleben in Bezug auf das Tumorvolumen des Primärtumors, inklusive der befallenen Lymphknoten, erbrachte in der ersten Gruppe von unter 10ml Tumorvolumen 77%, von 10 bis 20ml 79%, in der dritten Gruppe von 20 bis 50ml 48% und in der vierten Gruppe mit über 50ml Tumorvolumen wurde nach 5 Jahren ein rezidivfreies Überleben von 33% verzeichnet.
Mit einem Grading von 2, wurde 66% und mit einem Grading von 3 ergaben sich für die Patienten ein 5 jähriges rezidivfreies Überleben von 61%.
In der univariaten Analyse mittels des Kaplan-Maier-Plot-Verfahren, zeigte sich in der Kurve für das 5-jährige rezidivfreie Überleben, eine Signifikanz der Einflussgrößen Tumorstadium (p-Wert 0,003), Lymphknotenstatus (p-Wert 0,048), Chemotherapie (p-Wert 0,047), 2.Tumor (p-Wert 0,003) und Tumorvolumen (p-Wert 0,000).
Ergebnisse der multivarianten Analysen
In einer multivariaten Cox-Regressions Analyse erwiesen sich die Einflussgrößen des Tumorstadiums und die Entwicklung eines 2. Tumors, bezüglich des Gesamt- und des rezidivfreien Überlebens, als statistisch signifikant.
Das Tumorstadium konnte, in Bezug auf das Gesamtüberleben, eine Signifikanz von 0,015 ermittelt werden. Im Hinblick auf das rezidivfreie Überleben konnte ihm eine Signifikanz von 0,03 zugeschreiben werden. Die Einflussgröße des 2.Tumors ergab für das Gesamtüberleben eine Signifikanz von ebenfalls 0,015 und eine Signifikanz von 0,025 bezüglich des rezidivfreien Überlebens.
Schlussfolgerung:
Mit dem Therapiekonzept konnte eine Verbesserung der 5JÜR und des 5-jährigen rezidivfreien Überlebens erzielt werden. Die Patienten mit knappen Resektatrand wiesen durchweg bessere Ergebnisse auf als Patienten mit R0-Resektion. Als Konsequenz dieser Ergebnisse müsste man eine Angleichung des bisherigen Therapiekonzeptes der R0 Patienten an das der knapp resezierten Patienten vornehmen.
Bei Patienten mit einem primär erhöhtem Rezidivrisiko, welche eine simultane Radiochemotherapie erhielten, erzielte man mit diesem Therapiekonzept eine Angleichung der 5JÜR an Patienten ohne dieses. Es zeigte sich hierbei in der multivariaten Analyse, sowohl beim Gesamtüberleben, als auch beim rezidivfreien Überleben kein statistisch signifikanter Unterschied (Gesamtüberleben p-Wert 0,064, rezidivfreies Überleben p-Wert 0,085).
Background
Spinal radiosurgery is a quickly evolving technique in the radiotherapy and neurosurgical communities. However, the methods of spine radiosurgery have not been standardized. This article describes the results of a survey about the methods of spine radiosurgery at five international institutions.
Methods
All institutions are members of the Elekta Spine Radiosurgery Research Consortium and have a dedicated research and clinical focus on image-guided radiosurgery. The questionnaire consisted of 75 items covering all major steps of spine radiosurgery.
Results
Strong agreement in the methods of spine radiosurgery was observed. In particular, similarities were observed with safety and quality assurance playing an important role in the methods of all institutions, cooperation between neurosurgeons and radiation oncologists in case selection, dedicated imaging for target- and organ-at-risk delineation, application of proper safety margins for the target volume and organs-at-risk, conformal planning and precise image-guided treatment delivery, and close clinical and radiological follow-up. In contrast, three major areas of uncertainty and disagreement were identified: 1) Indications and contra-indications for spine radiosurgery; 2) treatment dose and fractionation and 3) tolerance dose of the spinal cord.
Conclusions
Results of this study reflect the current practice of spine radiosurgery in large academic centers. Despite close agreement was observed in many steps of spine radiosurgery, further research in form of retrospective and especially prospective studies is required to refine the details of spinal radiosurgery in terms of safety and efficacy.
Purpose
The purpose of this work is to develop fast deliverable step and shoot IMRT technique. A reduction in the number of segments should theoretically be possible, whilst simultaneously maintaining plan quality, provided that the reduction is accompanied by an increased number of gantry angles. A benefit of this method is that the segment shaping could be performed during gantry motion, thereby reducing the delivery time. The aim was to find classes of such solutions whose plan quality can compete with conventional IMRT.
Materials/Methods
A planning study was performed. Step and shoot IMRT plans were created using direct machine parameter optimization (DMPO) as a reference. DMPO plans were compared to an IMRT variant having only one segment per angle ("2-Step Fast"). 2-Step Fast is based on a geometrical analysis of the topology of the planning target volume (PTV) and the organs at risk (OAR). A prostate/rectum case, spine metastasis/spinal cord, breast/lung and an artificial PTV/OAR combination of the ESTRO-Quasimodo phantom were used for the study. The composite objective value (COV), a quality score, and plan delivery time were compared. The delivery time for the DMPO reference plan and the 2-Step Fast IMRT technique was measured and calculated for two different linacs, a twelve year old Siemens Primus™ ("old" linac) and two Elekta Synergy™ "S" linacs ("new" linacs).
Results
2-Step Fast had comparable or better quality than the reference DMPO plan. The number of segments was smaller than for the reference plan, the number of gantry angles was between 23 and 34. For the modern linac the delivery time was always smaller than that for the reference plan. The calculated (measured) values showed a mean delivery time reduction of 21% (21%) for the new linac, and of 7% (3%) for the old linac compared to the respective DMPO reference plans. For the old linac, the data handling time per beam was the limiting factor for the treatment time reduction.
Conclusions
2-Step Fast plans are suited to reduce the delivery time, especially if the data handling time per beam is short. The plan quality can be retained or even increased for fewer segments provided more gantry angles are used.
Auswirkungen palliativmedizinischer Interventionen auf den Lebenssinn, gemessen mit dem SMiLE
(2015)
Seit dem Ende des 19.Jahrhunderts hat sich die Lebenserwartung, hauptsächlich in der westlichen Welt, rasant verbessert (Weiland et al 2006). Moderne Behandlungstechniken und neu entwickelte Wirkstoffe haben es ermöglicht, die Überlebensdauer unheilbar Kranker, die ihren Leiden früher rasch erlegen wären, deutlich zu erhöhen (Stolberg 2011) .Allerdings leiden Palliativpatienten nach wie vor sehr oft unter der starken psychologischen Belastung ihrer Situation (Seeger 2011), darum soll, wo die Lebensquantität nicht weiter beinflussbar ist, wenigstens die Lebensqualität optimiert werden (Wasner 2002). Dieser Fokus auf Lebensqualität ist auch in der WHO-Definition von Palliativmedizin, hier in der Übersetzung der deutschen Gesellschaft für Palliativmedizin, zu finden:
„Palliativmedizin/Palliative Care ist ein Ansatz zur Verbesserung der Lebensqualität von Patienten und ihren Familien, die mit Problemen konfrontiert sind, welche mit einer lebensbedrohlichen Erkrankung einhergehen. Dies geschieht durch Vorbeugen und Lindern von Leiden durch frühzeitige Erkennung, sorgfältige Einschätzung und Behandlung von Schmerzen sowie anderen Problemen körperlicher, psychosozialer und spiritueller Art.“
Im Unterschied zu den anderen medizinischen Disziplinen liegt der Fokus der Palliativmedizin nicht auf Heilung oder Lebenszeitverlängerung, weshalb bei der Beurteilung des Patientennutzens palliativmedizinischer Interventionen der Behandlungserfolg aus Patientensicht anstatt mittels klassischer klinischer Parameter evaluiert werden muss. Hierfür hat sich in entsprechenden Studien die Erhebung patientenbezogener Endpunkte (PRO = Patient Reported Outcomes) etabliert, welche den individuellen Gesundheitszustand eines Patienten aus dessen Sicht erfassen. Da der Begriff „Gesundheitszustand“ hier als gesamtumfassender Terminus zu verstehen ist, und neben dem physischen Wohl auch psychische und soziale Komponenten beinhaltet, wird als Endpunkt in palliativmedizinischen Untersuchungen häufig Lebensqualität gewählt (Stiel et al. 2012).
Zur Untersuchung von Lebensqualität bei Palliativpatienten wurden folge dem schon eine breite Anzahl an Studien durchgeführt. Hierbei ist die physische Komponente, respektive die Linderung körperlicher Symptome, durch das Verwenden von Symptomchecklisten vergleichsweise einfach zu erfassen. Der Einfluss psychosozialer und spiritueller Bereiche der Lebensqualität muss durch kompliziertere, individuelle Konstrukte wie den Lebenssinn erfasst werden. Verschiedene Studien mit Krebspatienten konnten bereits zeigen, dass Lebenssinn trotz ungünstiger gesundheitlicher Umstände stark ausgeprägt sein kann (Fegg et al. 2008a). Lebenssinn kann aber auch eine starke Ressource für die Fertigkeit kritische Lebenssituationen zu bewältigen darstellen. So kann ein sinnerfülltes Leben bei Tumorpatienten Depressionen und sogar dem Wunsch nach einem beschleunigten Tod präventiv entgegenwirken (Chochinov 2002, Chochinov et al. 2005c). Umgekehrt konnten Morita und Kollegen (2004) zeigen, dass ein subjektiv geringes Maß an Sinn positiv mit dem Wunsch nach aktiver Sterbehilfe korreliert.
Das Konstrukt Lebenssinn erhielt also in den letzten Jahren in der Forschung immer mehr Aufmerksamkeit, bis jetzt beschränkt sich die Sinnforschung im palliativen Bereich jedoch auf Befragungen zu einem Zeitpunkt. Von Interesse ist jedoch auch die dynamische Entwicklung der Sinnerfahrung im letzen Lebensabschnitt. Der Fokus dieser Studie liegt aus diesem Grunde auf den Veränderungen des Lebenssinns von Palliativpatienten im Verlauf des stationären Aufenthaltes auf einer Palliativstation. Dies wurde hier mit Hilfe des validierten Fragebogens SMiLE untersucht.
Background: Stereotactic body radiotherapy and radiosurgery are rapidly emerging treatment options for both malignant and benign spine tumors. Proper institutional credentialing by physicians and medical physicists as well as other personnel is important for the safe and effective adoption of spine radiosurgery. This article describes the methods for institutional credentialing for spine radiosurgery at seven highly experienced international institutions.
Methods: All institutions (n = 7) are members of the Elekta Spine Radiosurgery Research Consortium and have a dedicated research and clinical focus on image-guided spine radiosurgery. A questionnaire consisting of 24 items covering various aspects of institutional credentialing for spine radiosurgery was completed by all seven institutions.
Results: Close agreement was observed in most aspects of spine radiosurgery credentialing at each institution. A formal credentialing process was believed to be important for the implementation of a new spine radiosurgery program, for patient safety and clinical outcomes. One institution has a written policy specific for spine radiosurgery credentialing, but all have an undocumented credentialing system in place. All institutions rely upon an in-house proctoring system for the training of both physicians and medical physicists. Four institutions require physicians and medical physicists to attend corporate sponsored training. Two of these 4 institutions also require attendance at a non-corporate sponsored academic society radiosurgery course. Corporate as well as non-corporate sponsored training were believed to be complimentary and both important for training. In 5 centers, all cases must be reviewed at a multidisciplinary conference prior to radiosurgery treatment. At 3 centers, neurosurgeons are not required to be involved in all cases if there is no evidence for instability or spinal cord compression. Backup physicians and physicists are required at only 1 institution, but all institutions have more than one specialist trained to perform spine radiosurgery. All centers believed that credentialing should also be device specific, and all believed that professional societies should formulate guidelines for institutions on the requirements for spine radiosurgery credentialing. Finally, in 4 institutions radiation therapists were required to attend corporate-sponsored device specific training for credentialing, and in only 1 institution were radiation therapists required to also attend academic society training for credentialing.
Conclusions: This study represents the first multi-national report of the current practice of institutional credentialing for spine radiosurgery. Key methodologies for safe implementation and credentialing of spine radiosurgery have been identified. There is strong agreement among experienced centers that credentialing is an important component of the safe and effective implementation of a spine radiosurgery program.
Eine wichtige Standardtherapie in der modernen Behandlung von Krebserkrankungen ist die Strahlentherapie, in welcher Tumorzellen mittels ionisierender Strahlung geschädigt und abgetötet werden. Dabei soll die Schädigung des umgebenden Normalgewebes möglichst gering gehalten und trotzdem eine maximale Schädigung des Tumorgewebes erreicht werden. Deshalb sind neue Strategien zur Steigerung der Radiosensitivität des Tumorgewebes sehr wichtig, die es erlauben, bei gleicher Dosis eine verstärkte Strahlenantwort im Tumorgewebe zu erreichen. Hier kommen zunehmend sog. Radiosensibilisatoren zum Einsatz, die unter anderem onkogene Signalwege in den Tumorzellen inhibieren. Der PI3K/Akt/mTOR Signalweg stellt hierbei einen wichtigen Ansatzpunkt dar, da er in vielen Tumorentitäten dereguliert vorliegt und diese Signalkaskade bekanntermaßen einen Einfluss auf die zelluläre Strahlensensitivität hat. Obwohl es für diesen Signalweg schon eine Reihe von Inhibitoren gibt, für die bereits neben einer anti-proliferativen Wirkung auch ein radiosensibilisierender Effekt nachgewiesen wurde (z.B. Wortmannin und Rapamycin), machten eine geringe Spezifität, starke Nebenwirkungen und negative Rückkopplungsmechanismen im Signalweg, die die Wirkung des Inhibitors kompensieren, die Entwicklung neuer Inhibitoren notwendig. Das Imidazoquinolinderivat NVP-BEZ235 inhibiert den PI3K/Akt/mTOR Signalweg an mehreren Stellen gleichzeitig, indem es kompetitiv zu ATP das katalytische Zentrum von PI3K und mTOR blockiert. Für diesen kleinmolekularen, dualen Inhibitor gibt es bereits erste vielversprechende Forschungsergebnisse hinsichtlich einer radiosensibilisierenden Wirkung, allerdings sind die zugrunde liegenden molekularbiologischen Mechanismen noch nicht vollständig geklärt. Deshalb war das Ziel der vorliegenden Dissertation, in drei Teilprojekten mehrere Aspekte der NVP-BEZ235-induzierten Radiosensibilisierung aufzuklären: a) Einfluss des Behandlungsschemas für NVP-BEZ235 in vier Glioblastomzelllinien mit unterschiedlichem PTEN und TP53 Mutationsstatus, b) Einfluss der Sauerstoffversorgung (Hypoxie, Normoxie, reoxygeniert nach Bestrahlung) auf die strahlensensibilisierende Wirkung von NVP-BEZ235 in zwei Mammakarzinomzelllinien, c) gleichzeitige Inhibierung des MAPK Signalwegs durch AZD6244 und der PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade durch NVP-BEZ235 in zwei Zelllinien mit unter-schiedlichem Mutationsstatus aus verschiedenen Tumorentitäten, um synergistische Effekte zu untersuchen. Um diese Fragestellungen zu beantworten, wurde im Rahmen - 142 -
der Dissertation eine Auswahl an humanen Tumorzelllinien mit unterschiedlich deregulierten Signalwegen bearbeitet. Dabei wurde die Expression von Schlüsselproteinen der MAPK/Erk und der PI3K/Akt/mTOR Signalwege analysiert und mit zellbiologischen Daten verschiedener phänotypischer Endpunkte nach Inhibitor Behandlung und Bestrahlung integriert (Proliferationsrate, klonogenes Überleben, Zellzyklusaberrationen, DNS-Schäden und -Reparatur, Zelltod und Autophagie).
Im Teilprojekt zum Behandlungsschema der NVP-BEZ235 Inhibierung und Bestrahlung konnte in vier Glioblastomzelllinien mit Behandlungsschema I (NVP-BEZ235 Behandlung 24 Stunden vor Bestrahlung) kein radiosensibilisierender Effekt hinsichtlich klonogenem Überleben nachgewiesen werden, wohingegen Behandlungsschema II (NVP-BEZ235 Behandlung 1 h vor und im Anschluss an die Bestrahlung) unabhängig vom Mutationsstatus in allen vier Zelllinien eine starke Radiosensibilisierung bewirkte. Auf molekularer Ebene war zwischen beiden Behandlungsschemata für das antiapoptotische Protein Akt ein großer Unterschied zu beobachten, welches bei Behandlung nach Schema I zum Zeitpunkt der Bestrahlung überaktiviert, nach Behandlung mit Schema II hingegen inhibiert war. Weiterhin resultierte Behandlungsschema I in einem erhöhten Anteil der Zellen in der radioresistenteren G1-Phase des Zellzyklus zum Zeit-punkt der Bestrahlung. Behandlungsschema II führte hingegen nach Bestrahlung zu einer verminderten Expression des Reparaturproteins Rad51 und damit zu verminderter DNS-Schadensreparatur und schließlich zu einem stabilen Arrest in der G2/M-Phase des Zellzyklus sowie zu verstärkter Apoptose (erhöhte Spaltung von PARP, erhöhter Anteil hypodiploider Zellen). Somit zeigen diese Ergebnisse, dass unabhängig vom PTEN und TP53 Mutationsstatus eine Radiosensibilisierung nur durch das Behandlungsschema II erreicht werden konnte. Ferner deuten die Ergebnisse der Proteinexpression darauf hin, dass durch NVP-BEZ235 ein negativer Rückkopplungsmechanismus ausgelöst wird, wodurch die PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade 24h nach Zugabe des Inhibitors aktiviert und synergistische Effekte mit ionisierender Bestrahlung aufgehoben wurden.
Im Teilprojekt zur Abhängigkeit der NVP-BEZ235 Inhibition vom Sauerstoffgehalt wurden in den beiden Brustkrebszelllinien MCF-7 (ER-positiv) und TN MDA-MB-231 (TP53 mutiert) normoxische, hypoxische und nach Bestrahlung reoxygenierte Kulturbedingungen im Hinblick auf die Koloniebildungsfähigkeit nach NVP-BEZ235 Behandlung und Bestrahlung untersucht. Die beobachtete Radiosensibilisierung war unter allen getesteten Bedingungen auf gleichem Niveau. In beiden Zelllinien bewirkte NVP-BEZ235 eine Inhibition des antiapoptotischen HIF-1α Proteins, eine stabile Inaktivierung des PI3K/Akt/mTOR Signalweges und eine Aktivierung der Autophagie. Nach Bestrahlung waren zudem erhöhte residuale DNS-Schäden und ein stabiler Arrest in der G2/M-Phase des Zellzyklus unter allen Oxygenierungsbedingungen in beiden Zelllinien zu beobachten. Eine Apoptose Induktion (Spaltung von PARP, hypodiploide Zellen) trat nur in der TP53 wildtypischen MCF-7 Zelllinie nach NVP-BEZ235 Behandlung auf. Somit konnte in beiden Zelllinien in allen pathophysiologisch relevanten Oxygenierungszuständen eine sauerstoffunabhängige Radiosensibilisierung durch NVP-BEZ235 gezeigt werden.
Der bisher nicht erforschte Aspekt zur synergistischen Wirkung des MEK Inhibitors AZD6244 und des dualen PI3K/Akt/mTOR Inhibitors NVP-BEZ235 nach Bestrahlung wurde an der Glioblastomzelllinie SNB19 und der Lungenkarzinomzelllinie A549 anhand der Koloniebildungsfähigkeit der behandelten Zellen untersucht. Eine Behandlung mit dem MEK Inhibitor bewirkte lediglich eine moderate Radiosensibilisierung, wohin-gegen der duale PI3K/Akt/mTOR Inhibitor beide Zelllinien in stärkerem Maße sensibilisierte. Eine Kombination beider Inhibitoren resultierte bei keiner Zelllinie in einer Verstärkung der durch NVP-BEZ235 induzierten Radiosensibilisierung. Eine mögliche Erklärung für die fehlende Synergie im Bezug auf die Radiosensibilisierung können die gegensätzlichen Effekte der beiden Inhibitoren auf den Zellzyklus sein. Auf Proteinebene führte eine simultane Behandlung mit beiden Substanzen zur Inhibition beider Signalwege. Darüber hinaus war in SNB19 Zellen eine verstärkte Dephosphorylierung von Rb und ein erhöhter Anteil an G1-Phase Zellen bei kombinierter Gabe der Inhibitoren zu beobachten.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte somit die radiosensibilisierende Wirkung von NVP-BEZ235 in Abhängigkeit vom Behandlungsschema gezeigt werden. Ferner wurde nachgewiesen, dass die Radiosensibilisierung unabhängig von der Sauerstoffversorgung sowie von den PTEN und TP53 Mutationsstatus der Tumorzellen ist. Die kombinierte Inhibition der MAPK und PI3K/Akt/mTOR Signalwege resultierte zwar in einem verstärkten zytostatischen, aber nicht in einem verstärkten radiosensibilisierenden Effekt. Da allerdings eine große Anzahl verschiedener Inhibitoren der MAPK/Erk und der PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade verfügbar sind, sollte die kombinatorische Inhibition dieser Signalwege systematisch weiter verfolgt werden. Die vorliegende Arbeit liefert auch weitere grundlegende Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen der Radiosensibilisierung durch NVP-BEZ235, die auch auf Verknüpfungen und Wechselwirkungen mit anderen als den bisher bekannten Proteinen hindeuten, die für jeden Inhibitor aufgeklärt werden müssen, um eine effektive radiosensibilisierende Wirkung vorher-sagen zu können.
Background
The mitogen-activated protein kinases (MAPK) and the phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)/mammalian target of rapamycin (mTOR) pathways are intertwined on various levels and simultaneous inhibition reduces tumorsize and prolonges survival synergistically. Furthermore, inhibiting these pathways radiosensitized cancer cells in various studies. To assess, if phenotypic changes after perturbations of this signaling network depend on the genetic background, we integrated a time series of the signaling data with phenotypic data after simultaneous MAPK/ERK kinase (MEK) and PI3K/mTOR inhibition and ionizing radiation (IR).
Methods
The MEK inhibitor AZD6244 and the dual PI3K/mTOR inhibitor NVP-BEZ235 were tested in glioblastoma and lung carcinoma cells, which differ in their mutational status in the MAPK and the PI3K/mTOR pathways. Effects of AZD6244 and NVP-BEZ235 on the proliferation were assessed using an ATP assay. Drug treatment and IR effects on the signaling network were analyzed in a time-dependent manner along with measurements of phenotypic changes in the colony forming ability, apoptosis, autophagy or cell cycle.
Results
Both inhibitors reduced the tumor cell proliferation in a dose-dependent manner, with NVP-BEZ235 revealing the higher anti-proliferative potential. Our Western blot data indicated that AZD6244 and NVP-BEZ235 perturbed the MAPK and PI3K/mTOR signaling cascades, respectively. Additionally, we confirmed crosstalks and feedback loops in the pathways. As shown by colony forming assay, the AZD6244 moderately radiosensitized cancer cells, whereas NVP-BEZ235 caused a stronger radiosensitization. Combining both drugs did not enhance the NVP-BEZ235-mediated radiosensitization. Both inhibitors caused a cell cycle arrest in the G1-phase, whereas concomitant IR and treatment with the inhibitors resulted in cell line- and drug-specific cell cycle alterations. Furthermore, combining both inhibitors synergistically enhanced a G1-phase arrest in sham-irradiated glioblastoma cells and induced apoptosis and autophagy in both cell lines.
Conclusion
Perturbations of the MEK and the PI3K pathway radiosensitized tumor cells of different origins and the combination of AZD6244 and NVP-BEZ235 yielded cytostatic effects in several tumor entities. However, this is the first study assessing, if the combination of both drugs also results in synergistic effects in terms of radiosensitivity. Our study demonstrates that simultaneous treatment with both pathway inhibitors does not lead to synergistic radiosensitization but causes cell line-specific effects.
Background
Tumor hypoxia is a known risk factor for reduced response to radiotherapy. The evaluation of noninvasive methods for the detection of hypoxia is therefore of interest. Osteopontin (OPN) has been discussed as an endogenous hypoxia biomarker. It is overexpressed in many cancers and is involved in tumor progression and metastasis.
Methods
To examine the influence of hypoxia and irradiation on osteopontin expression we used different cell lines (head and neck cancer (Cal27 and FaDu) and glioblastoma multiforme (U251 and U87)). Cells were treated with hypoxia for 24 h and were then irradiated with doses of 2 and 8 Gy. Osteopontin expression was analyzed on mRNA level by quantitative real-time RT-PCR (qPCR) and on protein level by western blot. Cell culture supernatants were evaluated for secreted OPN by ELISA.
Results
Hypoxia caused an increase in osteopontin protein expression in all cell lines. In Cal27 a corresponding increase in OPN mRNA expression was observed. In contrast the other cell lines showed a reduced mRNA expression under hypoxic conditions. After irradiation OPN mRNA expression raised slightly in FaDu and U87 cells while it was reduced in U251 and stable in Cal27 cells under normoxia. The combined treatment (hypoxia and irradiation) led to a slight increase of OPN mRNA after 2 Gy in U251 (24 h) and in U87 (24 and 48 h) cell lines falling back to base line after 8 Gy. This effect was not seen in Cal27 or in FaDu cells. Secreted OPN was detected only in the two glioblastoma cell lines with reduced protein levels under hypoxic conditions. Again the combined treatment resulted in a minor increase in OPN secretion 48 hours after irradiation with 8 Gy.
Conclusion
Osteopontin expression is strongly modulated by hypoxia and only to a minor extent by irradiation. Intracellular OPN homeostasis seems to vary considerably between cell lines. This may explain the partly conflicting results concerning response prediction and prognosis in the clinical setting.