Das Ziel der Strahlentherapie besteht darin, dem Tumorziel eine vorgeschriebene Strahlendosis zuzuführen und gleichzeitig die Schädigung des umgebenden normalen Gewebes zu begrenzen. Dies wird derzeit durch eine bevölkerungsbasierte Behandlungsplanoptimierung erreicht, die auf vordefinierten dosisbasierten Zielen und Organ-at-Risk-Einschränkungen (OAR) basiert, die aus der aggregierten Reaktion einer breiten Patientenpopulation auf Strahlung entwickelt wurden. Leider variieren Wirksamkeit und Toxizität solcher standardisierten Behandlungspläne, da Patienten und ihre Tumoren individuelle biologische Eigenschaften aufweisen.
Mit dem Ziel, einen personalisierteren Ansatz für die Strahlentherapieplanung zu bieten, haben Forscher am University of Michigan haben eine neuartige Optimierungsstrategie für die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) entwickelt, die patientenspezifische Dosis-Wirkungs-Modelle direkt in den Planungsprozess einbezieht. Ihre Technik, beschrieben in Medizinische Physikbasiert auf der Maximierung des vorhergesagten Werts des gesamten Behandlungsnutzens – definiert als die Wahrscheinlichkeit der lokalen Kontrolle abzüglich der gewichteten Summe der Toxizitätswahrscheinlichkeiten.
Die neue Planungsmethode mit der Bezeichnung „Priorisierte Nutzenoptimierung“ (PUO) erweitert Standardansätze durch die Einbeziehung personalisierter Faktoren im Zusammenhang mit der Strahlenempfindlichkeit von Tumoren und OARs. Die OAR-Radiotoxizität kann beispielsweise durch Alter, Raucherstatus, Genexpression, molekulare Marker und Vorerkrankungen wie Herzerkrankungen beeinflusst werden. Auch andere gleichzeitige Behandlungen können die Wirksamkeit der Strahlentherapie beeinträchtigen.
Um ihre Strategie zu validieren, Hauptermittler Martha Matuszak und Kollegen verwendeten die PUO-Methode, um IMRT-Pläne für fünf Patienten mit nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) zu erstellen. Sie berichten, dass die PUO-Planung im Vergleich zu den herkömmlichen Plänen, die für ihre Behandlungen verwendet wurden, die lokale Kontrolle für alle Patienten verbesserte.
„NSCLC-Patienten stellen eine äußerst heterogene Gruppe mit unterschiedlichem Ausmaß und Lokalisation der Erkrankung dar“, erklärt der Hauptautor Daniel Polan. „In Kombination mit anderen anatomischen Variabilitäten können diese Faktoren die Behandlungsplanung drastisch beeinflussen, einschließlich aller erwarteten Vorteile aus unterschiedlichen Optimierungsmethoden. Daher haben wir für die erste Machbarkeitsprüfung unserer Methode fünf Fälle ausgewählt, um die Diversität in der Patientengröße, Tumorgröße, Lage und Lateralität sowie die Diversität in den Dosiskovariaten darzustellen, die die vorhergesagten Ergebnisse beeinflussen.“
Um patientenspezifische IMRT-Pläne zu erstellen, verwendeten die Forscher zunächst ein kommerzielles Behandlungsplanungssystem, um die Dosis auf der Grundlage einer Einflussmatrix von Beamlet-Dosisbeiträgen zu interessierenden Regionen zu berechnen. Anschließend lösen sie zwei Optimierungsprobleme, um optimale Beamlet-Gewichte zu generieren, die wieder in das TPS importiert werden können.
Das erste Optimierungsproblem maximiert den Gesamtnutzen des Plans vorbehaltlich typischer klinischer Dosisbeschränkungen, indem der Kompromiss zwischen Wirksamkeit und Toxizität auf der Grundlage individueller Dosis-Wirkungs-Modelle optimiert wird. Die zweite Methode minimiert herkömmliche dosisbasierte Ziele, unterliegt denselben Dosisbeschränkungen wie die erste, behält jedoch den optimalen Nutzen bei, der aus der ersten Optimierung ermittelt wurde.
Für alle fünf Patienten gelang es dem PUO-Ansatz, optimale Beamlet-Gewichte zu generieren, die den Nutzen maximierten und gleichzeitig die dosisbasierten Einschränkungen einhielten. Für die Studie verglichen die Forscher diese PUO-IMRT-Pläne mit den klinisch durchgeführten 3D-konformen Strahlentherapieplänen (CRT) sowie mit retrospektiv generierten DOO-IMRT-Plänen (Dose-Only Optimization) und volumetrisch-modulierten Lichtbogentherapieplänen (VMAT).
Im Vergleich zu den 3DCRT-, VMAT- und DOO-IMRT-Plänen verbesserte die PUO-Methode den Plannutzen um durchschnittlich 40 %, 32 % bzw. 31 %. Die PUO-Pläne zeigten eine durchschnittliche Verbesserung der lokalen Kontrolle um 17 % bei ähnlicher Toxizität wie die herkömmliche Planung.
Wie erwartet war das Ausmaß der Vorteile der PUO-IMRT-Pläne bei den Patienten unterschiedlich. Polan berichtet, dass PUO bei einem Patienten zu einer Nutzenverbesserung von 70 % gegenüber herkömmlichem DOO führte. „Dies entspricht einer absoluten Verbesserung der vorhergesagten Wahrscheinlichkeit eines progressionsfreien Überlebens um 32 %, während die vorhergesagte Wahrscheinlichkeit einer strahleninduzierten Lungentoxizität nur um 2 % steigt“, sagt er. „Dieser erhebliche Kompromiss hat das Potenzial, die Überlebensfähigkeit der Krankheit erheblich zu verbessern und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Lebensqualität eines Patienten nach der Behandlung zu minimieren.“
Bei einem anderen Patienten mit einem großen Tumor waren die Verbesserungen jedoch minimal. Polan erklärt, dass die Behandlungsplanung bei größeren Tumoren aufgrund der erhöhten Anforderungen an die Integraldosis und der geringeren Fähigkeit, angrenzendes normales Gewebe zu vermeiden, in der Regel eingeschränkter wird.
Das KI-Framework verwendet medizinische Bilder, um die Strahlentherapiedosis zu individualisieren
Das Team betont, dass die PUO-Methode eine quantitative Möglichkeit bietet, anhand patientenspezifischer klinischer Faktoren und Biomarker zu bestimmen, welche Patienten von einer Dosiserhöhung oder -umverteilung profitieren könnten, und dabei auch die Patientengeometrie und OAR-Dosisgrenzen zu berücksichtigen.
Die Forscher führen derzeit groß angelegte retrospektive Studien mit dem Ziel durch, eine prospektive klinische Studie zu entwickeln, bei der die PUO-Behandlungsplanungsstrategie zum Einsatz kommt. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Integration von Patientendaten und personalisierten Ergebnisvorhersagen direkt in die Strahlentherapieplanung, mit einem aktuellen Schwerpunkt auf Leber-, Lungen- und Kopf-Hals-Krebserkrankungen, bei denen die Abwägung der positiven und negativen Auswirkungen der Strahlentherapie die Gesamtqualität eines Patienten erheblich beeinflussen könnte -Leben.
