Strahlentherapie ist eines der bedeutendsten Behandlungskonzepte gegen Krebs. Diese gut zu planen, ist jedoch eine hochkomplexe Aufgabe. Fraunhofer-Mathematiker haben gemeinsam im Verbund mit Medizinphysikern und Ärzten den Planungsprozess verbessert. Damit tragen sie zu höheren Heilungschancen für Patienten bei.
Als Professor Karl-Heinz Küfer zum ersten Mal miterlebte, wie die Bestrahlung von Krebspatienten geplant wird, war er überrascht: »Die Prozesse, mit denen Ärzte und Physiker gemeinsam Strahlentherapiepläne erstellten, erinnerten an das Suchen von Gegenständen im Dunkeln, an ein Herantasten und wieder Verwerfen«, beschreibt Küfer, Mathematiker am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern. Er erkannte das Verbesserungspotenzial und machte sich mit Medizinern, Physikern und Informatikern daran, eine Alternativlösung zu entwickeln. Das Ergebnis war eine interaktive und leicht zu bedienende Software. Sie verkürzt die Dauer der Strahlentherapieplanung, macht das Finden einer guten Balance zwischen Therapiechance und eventuellen Nebenwirkungen leichter und trägt letztlich zu verbesserten Heilungschancen bei.
In Deutschland erkranken jährlich rund 483 000 Menschen an Krebs. Gleichzeitig ist die Krankheit mit 222 000 Todesfällen die zweithäufigste Todesursache. Strahlentherapie kommt in über der Hälfte aller Krankheitsfälle zur Anwendung. Die Bestrahlung schädigt die Zell-DNA und beeinträchtigt so deren Teilung oder führt direkt zum Zelltod.
Das Ziel der Therapie ist es, Tumorzellen abzutöten, gesundes Gewebe aber zu schonen. Bisher hat der Mediziner seine Wünsche geäußert, der Strahlenphysiker überführte diese in einen Therapieplan. War der Arzt nicht zufrieden, arbeitete der Physiker nach. Man näherte sich dem Optimum an. »Das Neue des mathematischen Ansatzes ist, dass man von Anfang an eine Lösungsvielfalt berechnet, aus der der Arzt eine für den Patienten bestmögliche auswählen kann«, erläutert Professor Jürgen Debus, Radioonkologe am Universitätsklinikum Heidelberg. Er testete die entwickelte Software in der Klinik.
Um den Prozess zu verbessern, betrachteten die Fraunhofer-Forscher Karl-Heinz Küfer, Dr. Michael Bortz, Dr. Alexander Scherrer, Dr. Philipp Süss und Dr. Katrin Teichert die Therapieplanung als mehrkriterielle Optimierungsaufgabe. Dabei muss ein ausgewogener Kompromiss zwischen etwa zehn bis fünfzehn teilweise gegenläufigen Planungszielen gefunden werden. »Hierfür gibt es ein besseres Konzept als die bisherige Versuche-und-Verwerfe-Strategie, nämlich das Prinzip der Paretolösung«, betont Karl-Heinz Küfer. Dies ist eine Lösung, die nicht gleichzeitig für alle Kriterien besser werden kann. Wenn man ein Kriterium verbessert, muss sich ein anderes verschlechtern. Im Fall der Bestrahlung bedeutet dies etwa: Wird der Tumor mit höherer Dosis bestrahlt, wird auch das umliegende Gewebe stärker geschädigt.
Entwickelt wurde die Software unter Leitung des ITWM gemeinsam mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum, dem Universitätsklinikum Heidelberg sowie dem Massachusetts General Hospital im Forschungsverbund der Harvard Medical School. »Die Tumorkontrolle funktioniert durch die neue Planungssystematik besser, da wir den Tumor mit einer höheren Dosis bestrahlen können. Die Wahrscheinlichkeit, dass er dauerhaft vernichtet wird, ist damit höher. Zudem schonen wir Normalgewebe, das wir früher unter Umständen gar nicht schonen konnten«, bestätigt Professor Thomas Bortfeld, der die mehrkriterielle Optimierung 2011 gemeinsam mit dem Unternehmen RaySearch Laboratories im Massachusetts General Hospital in Boston erstmals klinisch zum Einsatz brachte.
Durch zusätzliche Lizensierung durch den Weltmarktführers Varian Medical Systems ab 2016 wird die Technologie künftig an über 20 000 Therapieplanungsplätzen weltweit verfügbar sein.
Für die Entwicklung der interaktiven mehrkriteriellen Strahlentherapieplanung erhalten die Fraunhofer-Forscher Karl-Heinz Küfer, Michael Bortz, Alexander Scherrer, Philipp Süss und Katrin Teichert mit den Forschungspartnern Thomas Bortfeld, Jürgen Debus, Wolfgang Schlegel und Christian Thieke den Preis des Stifterverbands 2016. Die Jury betonte zudem »die breite Einsetzbarkeit des Verfahrens zur Behandlung der Volkskrankheit Krebs sowie den internationalen Marktbezug«.
Strahlentherapie ist eines der bedeutendsten Behandlungskonzepte gegen Krebs. Diese gut zu planen, ist jedoch eine hochkomplexe Aufgabe. Fraunhofer-Mathematiker haben gemeinsam im Verbund mit Medizinphysikern und Ärzten den Planungsprozess verbessert. Damit tragen sie zu höheren Heilungschancen für Patienten bei.
Fraunhofer-Wissenschaftler Prof. Dr. Karl-Heinz Küfer beschreibt, warum er als Mathamatiker mit der konventionallen Methode der Strahlentherapieplanung nicht zufrieden sein konnte. Er erklärt wie es ihm und seinem Team gelang, mit Hilfe des mathematischen Ansatzes der mehrkriteriellen Optimierungsaufgabe die Heilungschancen für Krebspatienten zu verbessern.
Im Stifterverband haben sich rund 3.000 Unternehmen, Unternehmensverbände, Stiftungen und Privatpersonen zusammengeschlossen, um Wissenschaft und Bildung gemeinsam voranzubringen. Mit Förderprogrammen, Analysen und Handlungsempfehlungen sichert der Stifterverband die Infrastruktur der Innovation: leistungsfähige Hochschulen, starke Forschungseinrichtungen und einen fruchtbaren Austausch zwischen Wirtschaft und Wissenschaft. Der Stifterverband ist Vordenker und Initiator für Reformen - die von ihm geförderten Modellprojekte treiben Veränderungen des Innovationssystems voran. Der Stifterverband ist eine renommierte Stimme der Wirtschaft in der Wissenschaft und ein wichtiger Partner der Politik, wenn es um Wissenschaft und Bildung geht.
Seit mehr als zehn Jahren verleiht der Stifterverband der Fraunhofer-Gesellschaft einen mit 50 000 Euro dotierten Preis. Dieser zeichnet wissenschaftlich exzellente Verbundprojekte der angewandten Forschung aus, die Fraunhofer-Institute gemeinsam mit der Wirtschaft und/oder anderen Forschungsorganisationen bearbeiten.
Das Verfahren ist ein ausgezeichnetes Anwendungsbeispiel für individualisierte Medizin in der Onkologie, das vielen Menschen zu Gute kommen wird. Die Strahlungsplanung ist eine hochkomplexe Aufgabe, die ein interaktives Zusammenspiel von Arzt und Technik erfordert. Die zugrundeliegenden Algorithmen müssen besonders zuverlässig sein, da mit der Therapie am Menschen eine hohe Verantwortung verbunden ist. Mit der »Interaktiven mehrkriteriellen Strahlentherapieplanung«, einem hochwertigen mathematischen Optimierungsverfahren, wird diese sensible Aufgabe der Strahlungsplanung verbessert.
Des weiteren hob die Jury die breite Einsetzbarkeit des Verfahrens (Volkskrankheit Krebs) sowie den internationalen Marktbezug lobend hervor. Zum einen konnte der Weltmarktführer Varian Medical Systems (Palo Alto) als Lizenznehmer gewonnen werden, zum anderen ist bereits die Zusammensetzung der Verbundpartner international und breit aufgestellt. Weiterer Pluspunkt des ausgezeichneten Projekts ist die klar definierte, strategische Patentportfolioentwicklung.
Paten für die Abstimmung: Dr. Monika Kursawe, Merck KGaA, und Prof. Dr. Horst Hahn, Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS
Fraunhofer-Gesellschaft