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Mit beiden Therapieformen wird versucht, das Wachstum der Tumorzellen zu blockieren und sie letztendlich zu zerstören. Der entscheidende Unterschied liegt darin, dass bei der Chemotherapie die verabreichten Medikamente im ganzen Körper wirken, während bei der Radiotherapie die ionisierenden Strahlen nur dort wirken, wo sie direkt mit dem Gewebe in Kontakt kommen. Weiterhin ist die Wirkung der Strahlentherapie in den behandelten Bereichen viel stärker als im umliegenden Gewebe und kann dort deutlich mehr Tumorzellen zerstören. Darum werden die beiden Behandlungsmethoden in vielen Therapiekonzepten kombiniert eingesetzt.
Ziel der Chemotherapie ist häufig auch, allfällige noch nicht sichtbare Mikrometastasen im Körper zu eliminieren. Die Strahlentherapie hingegen kann dort eingesetzt werden, wo sich Tumorzellen in grösseren Knoten oder Strukturen sammeln und die Chemotherapie alleine in der Regel nicht ausreichen würde. Zusätzlich haben die Medikamente der Chemotherapie häufig die Eigenschaft, dass sie Tumorzellen, die sich schnell teilen, für ionisierende Strahlen sensibilisieren und damit die Wirkung der Bestrahlung verstärken.