title: Estimation of radiosensitivity of NSCLC for photon irradiation and resulting calculation of relative biological effectiveness for irradiation with carbon ions
title: Abschätzung der Radiosensibilität des NSCLC für die Photonenbestrahlung und darauf basierende Berechnung der Relativen Biologischen Wirksamkeit für die Bestrahlung mit Kohlenstoffionen
Creators: name: Barczyk, Steffen
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Medizin, Gesundheit
linear quadratic model , relative biological effectiveness
carbon ions
NSCLC
NSCLC , radiosensitivity
Strahlentherapie
RBW , linear-quadratisches Modell

description: Objectives: This study estimates
      the radiobiological parameters alpha, beta, the alpha/beta
      value and the threshold dose dt for photon radiotherapy of
      non small cell lung cancer (NSCLC). Based on these data the
      relative biological effectiveness (RBE) for carbon ion
      radiation was calculated. Methods: A mathematical tumor
      control probability (TCP) model was established, that allows
      for the estimation of radiobiological parameters based on the
      local tumor control after radiotherapy with photons. This
      model includes fractionation schemes and clinical follow-up
      data on local tumor control. The clinical data was obtained
      by a selective literature review. The estimation of
      radiobiological parameters based on the clinical data was
      performed by regression analysis. The analysis was performed
      time-dependent and time-independent, considering overall
      treatment duration. Normo-, hyper-, and hypo-fractionation
      were analyzed separately. For the calculation of RBE for
      carbon ions the local-effect-model (LEM) was used, based on
      the radiobiological parameters alpha, beta, the
      alpha/beta-ratio and the threshold dose dt for the photon
      radiotherapy of NSCLC. Results: 16 studies were available for
      analysis. The clinical data showed a clear dose-response
      relation, justifying the application of a mathematical TCP
      model. Evaluation of hyper- and normofractionated radiation
      revealed alpha/beta values of 18,4 +/- 11; 5 Gy without
      consideration of treatment duration and 23,6 +/- 21,7 Gy with
      inclusion of treatment duration. After hypofractionated
      irradiation a linear regression of the dose-response curve
      for local tumor control could be observed. By comparison of
      normo- and hyperfractionated data to hypofractionated data, a
      threshold dose dt of 9,3 +/- 2,5 Gy and 7,3 +/- 3,1 Gy
      (without and with inclusion of treatment time) was
      calculated. Based on these pooled clinical parameters a
      calculation of RBE was performed. By varying input parameters
      of the LEM their influence on the obtained RBE was
      characterized. Discussion: The presented method allows a
      clinical based alpha/beta value calculation for the
      estimation of radiosensitivity in NSCLC treated with normo-
      or hyperfractionated photon radiotherapy. The obtained
      radiobiological parameters confirm propagated alpha/beta
      values around 10 Gy for photon irradiation of NSCLC. The
      demonstration of a linear dose-response relation for
      hypofractionated radiotherapy endorsed the limitations of the
      TCP model and could be quantifyed by the calculation of the
      threshold dose dt. Error estimation identified the low number
      of clinical studies and radiobiological assumptions of tumor
      cell numbers and growth kinetics as error-prone influencing
      factors. The determined RBE is consistent with
      radiobiological findings and could be translated for clinical
      application by the LEM. The by this means generated RBE
      showed a specific dependence on assumed
      modeling-parameters.
description: Ziel: In der vorliegenden Arbeit
      erfolgt die klinisch begründete Abschätzung der
      strahlenbiologischen Kenngrößen alpha, beta bzw. deren
      Verhältnis alpha/beta sowie der Schwellendosis dt des
      linear-quadratischen Modells für die Photonenbestrahlung des
      NSCLC und die darauf basierende Berechnung der Relativen
      Biologischen Wirksamkeit (RBW) für die
      Kohlenstoffionenbestrahlung des NSCLC als Grundlage einer
      biologisch optimierten Bestrahlungsplanung. Methodik: Es
      wurde ein mathematisches Tumorkontrollmodell erarbeitet,
      welches die Abschätzung der gesuchten Kenngrößen aus der
      lokalen Tumorkontrolle nach Photonenbestrahlung des NSCLC
      erlaubt. In dieses Modell gehen die Fraktionierungsparameter
      der Bestrahlung sowie die Angaben zur lokalen Tumorkontrolle
      des klinischen Patientenkollektives ein. Für die Erhebung der
      klinischen Daten wurde eine selektive Literaturrecherche
      durchgeführt. Die Abschätzung der Kenngrößen aus den
      klinischen Daten erfolgte durch Anwendung einer
      Regressionsanalyse. Diese wurde als zeitunabhängige Analyse
      sowie als zeitabhängige Analyse unter entsprechender
      Berücksichtigung der Bestrahlungsdauer durchgeführt. Die
      Auswertung erfolgte getrennt für die hyper- und
      normofraktionierte Bestrahlung sowie für die
      hypofraktionierte Bestrahlung. Die Berechnung der RBW für die
      Kohlenstoffionenbestrahlung des NSCLC erfolgte unter Annahme
      des local-effect-models (LEM) basierend auf den zuvor
      erhobenen Kenngrößen alpha, beta bzw. alpha/beta und der
      Schwellendosis dt für die Photonenbestrahlung des NSCLC.
      Ergebnisse: Es konnten 16 klinische Patientenkollektive in
      die Auswertung eingeschlossen werden. Die erhobenen
      klinischen Daten zeigen eine deutliche
      Dosis-Wirkungs-Beziehung, welche die Anwendung des
      mathematischen Tumorkontrollmodells rechtfertigt. Für die
      Auswertung der hyper- und normofraktionierten
      Bestrahlungsdaten konnten die strahlenbiologischen Kenngrößen
      für die zeitunabhängige Analyse mit alpha/beta = 18,4 +/-
      11,5 Gy und für die zeitabhängige Analyse mit alpha/beta =
      23,6 +/- 21,7 Gy bestimmt werden. Für die lokale Kontrolle
      nach hypofraktionierter Bestrahlung konnte eine lineare
      Abhängigkeit der Dosis-Wirkungs-Beziehung festgestellt
      werden. Durch den Vergleich der hyper- und
      normofraktionierten Daten mit den hypofraktionierten Daten
      konnte die Schwellendosis zu dt = 9,3 +/- 2,5 Gy für die
      zeitunabhängige Auswertung und dt = 7,3 +/- 3;1 Gy für die
      zeitabhängige Auswertung errechnet werden. Basierend auf
      diesen abgeschätzten Kenngrößen konnte eine klinisch
      begründete Berechnung der RBW durchgeführt werden. Durch
      Variation der einzelnen Eingangsparameter des LEM wurde deren
      Einfluss auf die RBW charakterisiert. Diskussion: Durch die
      vorgestellte Methodik ist die klinisch begründete Abschätzung
      der Radiosensibilität des NSCLC für die hyper- und
      normofraktionierte Photonenbestrahlung in Form des
      alpha/beta-Verhältnisses möglich. Die erhobenen Kenngrößen
      stehen in Einklang mit der etablierten Annahme von alpha/beta
      = 10 Gy für die Photonenbestrahlung des NSCLC. Der Nachweis
      der linearen Dosis-Wirkungs-Beziehung für die
      hypofraktionierte Bestrahlung bestätigt die Grenzen des
      Tumorkontrollmodells und lässt sich mit der Schwellendosis
      konkret quantifizieren. Die Fehleranalyse identifizierte die
      geringe Anzahl auswertbarer klinischer Studien sowie die
      strahlenbiologischen Annahmen zur Tumorzellzahl und
      Wachstumskinetik der Tumorzellen als fehlerbehaftete
      einflussnehmende Größen. Die ermittelte Relative Biologische
      Wirksamkeit ist konsistent gegenüber zellbiologischen
      Untersuchungen und konnte durch die Anwendung des LEM auf
      eine klinische Basis gestellt werden. Dabei zeigt die RBW
      eine spezifische Abhängigkeit gegenüber den angenommenen
      Modellparametern.