English Title: Computer simulation of tumour response to irradiation under consideration of the oxygen supply

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Abstract

In der Strahlentherapie werden Bestrahlungspläne auf Grundlage der physikalischen Dosisverteilung optimiert. Obwohl die Tumoroxygenierung einen entscheidenden Einfluss auf das Therapieergebnis haben kann, wird sie bisher nicht berücksichtigt. Grund hierfür ist, dass die mit der Zeit variierende Sauerstoffversorgung des Tumors mit den gegenwärtigen biologischen Modellen nicht hinreichend genau beschrieben wird. Ziel der Arbeit ist die Weiterentwicklung eines dreidimensionalen, zellbasierten Modells, welches Wachstum und Bestrahlungsreaktion von Tumoren mit Hilfe von Monte-Carlo Methoden simuliert. Schwerpunkt ist dabei die quantitative Beschreibung der Sauerstoffverteilung im Tumor und die Untersuchung ihres Einflusses auf die Toleranzdosis D50 (Dosis mit 50% Tumorkontrollwahrscheinlichkeit). Durch das Wechselspiel zwischen Entstehung von sauerstoffarmen Tumorbereichen und der Bildung von neuen, sauerstoffemittierenden Kapillarzellen erlaubt das Modell, unterschiedlich gut oxygenierte Tumore zu simulieren. Schlecht oxygenierte Tumore weisen eine hohe Toleranzdosis auf. Gut oxygenierte Tumore haben eine hohe Proliferationskapazität, die mit steigender Fraktionszahl eine Erhöhung der Toleranzdosis bewirkt. Die intertumorale Variation der Strahlenempfindlichkeit resultiert in einer fraktionszahlabhängigen Abflachung der Dosiswirkungkurve. Mit dem Modell können Tumore mit realistischen Sauerstoffverteilungen simuliert werden. Der Einfluss der Sauerstoffversorgung auf die Tumorkontrolle unter Berücksichtigung des zeitlichen Bestrahlungsmusters und der Teilungsrate der Tumorzellen sowie der Einfluss der intertumoralen Variation der Strahlenempfindlichlichkeit werden von dem Simulationsmodell wiedergegeben.

Translation of abstract (English)

Optimization of treatment plans in radiotherapy is done on the basis of the physical dose distribution. Even though tumour oxygenation may have an important influence on the outcome of a treatment, it is not considered yet. This is due to the fact that the temporal variations of the oxygen supply is not described sufficiently by current biological models. Aim of the present work are the enhancements of a three-dimensional cell based model, which simulates tumour growth and radiation response by Monte-Carlo methods. Emphasis is put on the quantitative description of the oxygen distribution in the tumour as well as on the analysis of its influence on the tolerance dose D50 (dose at 50% tumour control probability). Due to the interplay between development of poorly oxygenated tumour regions and the proliferation of oxygen emitting capillaries, the model allows to simulate tumours with different degrees of oxygenation. Poorly oxygenated tumours exhibit high tolerance doses. Well oxygenated tumours have a high proliferating capacity which increases the tolerance dose with increasing fraction number. Intertumoural variation in radiosensitivity results in a fractionation number dependent decrease of the slope of the dose-response curve. The model allows to simulate tumours with realistic oxygen distributions. The impact of oxygenation on the tumour control probability incorporating the temporal irradiation pattern and the proliferation rate of the tumour cells as well as the impact of the intertumoural variation of the radiosensitivity are reflected by the simulation model.