DE19507980C2 - Vorrichtung zur therapeutischen Behandlung von Tumoren - Google Patents

Vorrichtung zur therapeutischen Behandlung von Tumoren

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur In- Vivo-Behandlung von Tumoren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung für eine wirksame photodynamische Therapie bei der In-Vivo-Behandlung von Tumoren.
Bekannterweise ist die photodynamische Therapie (auf die nachfolgend als PDT Bezug genommen wird) als hilfreiche Behandlung für bestimmte harte Tumore anerkannt, einschließlich Hautkrebs und demjenigen interner Organe, wie beispielsweise Dickdarm, Vagina, Harnblase und andere. Die PDT-Behandlung ba­ siert auf einer systematischen oder örtlichen Verabreichung ei­ nes tumorortenden Photosensibilisatorreagenz, wie beispiels­ weise Porphirin, Aminolevulinsäure (ALA), Phthalocyanin, Chlorine, usw., das nach der Bestrahlung und der Erregung mit sichtbarem Licht in Gegenwart von Sauerstoff einen hochreakti­ ven und zytotoxisch singletmolekularen Sauerstoff erzeugt, der zu einer Tumorregression führt (siehe Fig. 1). In unserem frü­ heren US-Patent Nr. 5 344 434 ist eine Vorrichtung für eine PDT-Behandlung beschrieben. Diese Vorrichtung umfaßt die folgenden Bestandteile:
  • - eine Xe-(Xenon)Lampe, die einen schmalen Lichtstrahl mit einer Halbwinkeldivergenz von bis zu 10° aufweist und eine Intensität von zumindest 2 mW/nm mit einem speziellen Be­ reich im Bereich von 610 bis 750 nm hat,
  • - eine Glaslinse zum Fokusieren des Lichtstrahls,
  • - ein Rotfilter zum Erzeugen eines Spektralbereichs jenseits oder oberhalb von 610 nm,
  • - einen dichroitischen 45°-Spiegel zum Ableiten der erzeugten Wärme, und
  • - eine Lichtführung oder einen Lichtleiter im 3 bis 12 mm Durchmesser-Bereich, der eine minimale Strahlungsintensität von 50 mW/cm2 erzeugt.
Die im vorstehenden Patent beschriebene Vorrichtung hat sich auf einem weiten Bereich von Photosensibilisatoren als nutzvoll erwiesen, im Gegensatz zu demjenigen, was in einigen anderen Veröffentlichungen, wie beispielsweise der DE 41 12 275 A1 und der WO 94/09850 beschrieben worden ist, daß nämlich ein Schmal­ bandfiltern lediglich die Erregung spezieller Photosensibilisa­ toren zuläßt.
Xe-Kurzbogen- und Metallhalogenkurzbogenlampen sind am stärksten bevorzugt dazu in der Lage, das Bogenabbild oder das Bogenbild mit der größten Strahlstärke zu erzeugen. Diese Lampen sind jedoch sehr unwirksame Erzeuger für spektrale Energie. Durch eine Xe-Lampe, der eine elektrische Leistung von 300 Watt zu­ geführt wird, werden lediglich etwa 50 Watt in Licht umgewan­ delt, d. h. vom ultravioletten bis in das nahe infrarote, wäh­ rend die übrigen 250 Watt in Wärme umgewandelt werden. Die ver­ fügbare Spektraleinheit in dem Spektralintervall mit einer Band­ breite von 100 nm beträgt lediglich 5 Watt. Um eine spektral gefilterte Intensität zu erzeugen, müssen deshalb 45 Watt un­ erwünschten Lichts ausgefiltert werden. Auf diese Weise ergibt die Gesamtbilanz, daß lediglich 2% der zugeführten elektrischen Energie in den erwünschten spektralen Ausgang umgewandelt wird, während die Bilanz von 250 und 45 Watt an Wärme und unerwünschtem Licht äußerst unerwünscht ist.
Es ist außerdem bekannt, daß die PDT-Behandlung eine Schädigung des vaskulären Tumorbetts verursacht, wodurch wiederum eine Unterbrechung des Tumorblutstroms und letztendlich eine Gewebenekrose verursacht wird. Die vaskuläre Schädi­ gung, die durch die PDT-Behandlung im Tumor erzeugt wird, vermindert deren Wirksamkeit aufgrund der Abkühlung des Tumors.
Hyperthermie oder Erwärmung des Tumors auf eine mäßige Temperatur von hin bis zu 46° hat sich von klinischem Wert erwiesen. Es ist veröffentlicht worden (S. Kemmel et al., Lasers in Surgery and Medicine, 12: S. 432-440, 1992), daß eine Kombination der PDT- mit der Hyperthermie-Behandlung (auf die nachfolgend als HPT-Bezug genommen wird) zu einer 40%-igen Abnahme der Bestrahlungsdosis führt, die zur Erzeugung einer vaskulären Schädigung erforderlich ist.
Zur Durchführung der Hyperthermie-Behandlung schlägt diese Druckschrift außerdem vor, entweder einen CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm oder einen Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1060 nm für die Erwärmung des Gewebes zu verwenden. Sowohl beim CO2-Laser als auch beim Nd:YAG-Laser handelt es sich um Lichtquellen, die monochromatisches Licht aussenden.
Nachteilig bei diesen vorgeschlagenen Behandlungswellenlängen sind ihre Absorptions- und Eindringeigenschaften in biologi­ sches Gewebe. Da biologisches Gewebe im allgemeinen und Tumor im speziellen meist aus Wasser bestehen, sind folgende Verhält­ nisse bezüglich der Eindringtiefe verschiedener Wellen­ längen und ihrem damit verbundenen Heizvermögen des bei der Hyperthermie-Behandlung aufzuheizenden Objekts relevant:
Die Eindringtiefe bei Wellenlängen von größer als 1700 nm be­ trägt weniger als 0,1 cm. Um bei der Verwendung dieser Wellen­ längen tiefer als 0,1 cm liegendes Gewebe auf eine thera­ peutisch wirksame Temperatur zu erhöhen, muß an der Ober­ fläche befindliches Gewebe auf eine gefährlich hohe Temperatur aufgeheizt werden. Daher ist die Wellenlänge von 10,6 µm eines CO2-Lasers für eine Hyperthermie-Behandlung weniger geeignet. Weiterhin sind farbtragende Massen, wie im einzelnen Melanin, Hämoglobin und Oxyhämoglobin, im Oberflächengewebe vorherrschend. Diese farbtragenden Massen absorbieren Wellen mit Wellenlängen, die kürzer als 1200 nm sind, wodurch ein Eindringen dieser Wellen an ein unterhalb dem Oberflächengewebe liegendes HPT-Objekt verhindert wird. Somit ist auch die Wellenlänge 1060 nm eines Nd:YAG-Lasers für eine HPT-Behandlung weniger geeignet.
Verschiedene Mechanismen für die synergistische Wirkung von PDT und HPT wurden vorgeschlagen und können wie folgt zusammengefaßt werden:
  • - Die PDT-Behandlung erhöht die Wärmeempfindlichkeit der Tumorzellen aufgrund einer Abnahme des pH-Werts.
  • - Die HPT-Behandlung erhöht die Photosensibilisierung aufgrund eines erhöhten Blutflusses oder -stroms.
Unter weiteren Nachteilen der oben genannten Wärme­ erzeugung der Lampe und des unerwünschten Lichts ist ein Ausfall der Lampe zu erwähnen, ein Ausfall der optischen und elektronischen Elemente ebenso wie die Gefahren, denen das Bedienungspersonal der Vorrichtung ausgesetzt ist.
Einige frühere Patente befassen sich mit dem Problem der Kühleinrichtung, wie beispielsweise für Xenon-Lampen, um die durch ihren Einsatz auftretenden Nachteile zu vermindern. Gemäß dem US-Patent 4 298 005 wird demnach vorgeschlagen, einen Ventilator zum Kühlen des Vorrichtungsgehäuses zu verwenden.
Die vorstehend angeführte Übersicht über den Stand der Technik zeigt klar, daß seit langem ein Bedarf für eine verbesserte Vorrichtung der in Rede stehenden Art besteht, auf die die Erfindung gerichtet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung für eine wirksame Behandlung von Tumoren zu schaffen, die einerseits eine wirkungsvolle Behandlung unter verbesserter Ausnützung der Synergieeffekte und andererseits eine möglichst schonende Behandlung ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; Es zeigen
Fig. 1 ein typisches Absorptionsspektrum eines Photosensibili­ sators,
Fig. 2 ein typisches Absorptionsspektrum von Gewebebestandtei­ len,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der verbesserten Vorrich­ tung gemäß der Erfindung, die PDT- und HPT-Behandlungen für einen harten Tumor kombiniert, und
Fig. 4 eine Spektralverteilung einer bevorzugten Ausführungs­ form.
Hyperthermie hat sich für verschiedene bösartige Zellen im Be­ reich von 41° bis 46°C als selektiv letal oder tödlich erwiesen und wird deshalb als klinisch wertvoll erachtet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist gefunden worden, daß die Kombination von PDT und HPT bei gleichzeitiger Anwendung effektiver ist und bessere Ergebnisse erbringt als die beiden getrennten individuellen Behandlungen. Neben der Abnahme von etwa 40% der Bestrahlungsdosis, die erforderlich ist, um eine vaskuläre Schädigung zu erzeugen, besteht der Nutzen aus dieser Kombination zusätzlich in einem besseren Eindringen oder einer besseren Penetration.
Die photochemische Reaktionserweiterung oder -anreicherung bei erhöhten Temperaturen, die aus der PDT resultiert, erzeugt ei­ nen starken zytotoxischen Effekt und vermindert die erforderliche Behandlungsdosierung. Andererseits ist die thermische Penetrationstiefe in dem Gewebe, die üblicherweise im Bereich von 3 bis 7 mm liegt, höher als die optische Penetration zwischen 1 bis 3 mm bei 630 nm. Deshalb können flache oder oberflächliche Tumore durch PDT allein behandelt werden; eine effiziente oder wirksame Behandlung konnte jedoch im Fall tieferer Tumore nicht erhalten werden.
Es wurde gefunden, daß die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine moderate Erwärmung des Tumors auf eine Tempera­ tur im Bereich zwischen 41 bis 46°C und insbesondere auf etwa 45°C erzeugt. Dieser Hyperthermie genannte Effekt hat einen synergistischen Effekt zur Folge, wenn er mit der PDT-Behand­ lung kombiniert wird. Der Gesamtwirkungsgrad bei der Behandlung tiefer Tumore wird dadurch stark verbessert.
Gemäß der am stärksten bevorzugten Ausführungsform besteht die Behandlung in der Verabreichung einer roten Strahlung zwischen 100 bis 150 mW/cm2 im Bandbereich zwischen 600 und 750 nm gleichzeitig mit dem Erwärmen des Tumors auf eine Temperatur bis hin zu 46°C. Die gesamte Behandlungszeit beläuft sich bei einer gleichzeitigen HPT-Behandlung auf etwa 15 Minuten.
Die Hyperthermiebehandlung erfolgt erfindungsgemäß durch eine gleichzeitige Bestrahlung bei 1,2 bis 1,7 µm. So kann die erforderliche Erwärmung eines Tumors mit einer Strahlungsintensität oder -dichte von lediglich 30 bis 70 mw/cm2 für eine Zeitdauer von etwa 20 Minu­ ten erzeugt werden. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch gleichzeitiges Bestrahlen im Bereich von 600 bis 750 nm, also im roten Bereich, und im Bereich von 1.200 bis 1.700 nm, also im nahen Infrarot. Das Verhältnis zwischen der im "roten Bereich" ausgestrahlten Leistung zur Leistung, die im nahen Infrarot ausgestrahlt wird, beträgt bevorzugt zwischen 2 : 1 und 5 : 1 und besonders bevorzugt 3 : 1. Das resultierende Spektrum der bevorzugten Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt.
Nachfolgend werden die Figuren im einzelnen erläutert; es zeigen
Fig. 1 ein typisches Absorptionsspektrum von monomeren Porphyrin, Chlorinen und Phthalocyaninen,
Fig. 2 ein typisches Absorptionsspektrum von Melanin, Hämoglobin, Oxyhämoglobin und Wasser; das den Mechanismus für den synergistischen Effekt darstellt, der mehrere Beiträge einschließen kann,
Fig. 3 die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die folgenden Hauptbestandteile umfaßt:
  • a) eine Lampe, die einen schmalen Lichtstrahl mit einer halben Winkeldivergenz bis hin zu 10° aufweist und eine Intensität von zumindest 20 mW/nm in einem Spektralbe­ reich im Bereich von 600 bis 75 nm und einer Intensi­ tät von zumindest 2 mW/nm im Spektralbereich von 1.200 bis 1.700 nm hat.
  • b) Einen Filterspiegel, der ein hartes durchgehend die­ lektrisches Filter umfaßt, das auf einem Glas als Überzug niedergeschlagen ist und eine Lichtdurchlässig­ keit von zumindest 60% im Bereich von 600 bis 750 nm und von zumindest 5% im Bereich von 1.200 bis 1.700 nm hat, während er die Strahlung im Bereich zwischen 750 bis 1.200 nm reflektiert. Gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform kann der Winkel des Spiegels relativ zu der Achse verändert werden, um das Verhältnis der Lichtdurchlässigkeit in diesen beiden Bändern zu verän­ dern.
    Das Verhältnis zwischen der Lichtdurchlässigkeit bei 600 bis 750 nm und 1.200 bis 1.700 nm kann durch Drehen des Spiegels aus seiner Achse zwischen 0° und 45° rela­ tiv zur optischen Achse geändert werden.
  • c) Ein optisches Glaslinsen- oder Ojektivsystem zum Foku­ sieren des Lichtstrahls, bevorzugt mit einer Beschich­ tung für eine Breitbandantireflexion für das sichtbare Spektrum, die eine harte durchgehend dielektrische Be­ schichtung umfaßt.
  • d) Ein dichroitisches Filter, das eine harte durchgehend dielektrische Beschichtung umfaßt, die eine Lichtdurch­ lässigkeit von zumindest 60% jenseits von 600 nm hat.
  • e) Ein optisches Glasfaserbündel, das einen Eingangsdurch­ messer im Bereich von 1 bis 12 mm, bevorzugt 6 mm, und eine Länge von 0,5 m bis 2,5 m, und besonders bevorzugt 1,5 m, hat, als getrennte Einheit oder als Teil eines Endoskops.
  • f) Ein wirksames Luftkühlsystem zum Abführen der erzeugten Wärme, so daß die Innentemperatur der Vorrichtung 50°C nicht übersteigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Kühlen durch zwei oder mehr Gebläse er­ reicht, die eine Innentemperatur in der Vorrichtung von nicht mehr als 46°C einhalten. Die am stärksten bevor­ zugte Ausführungsform umfaßt 4 Gebläse zum Abführen heißer Luft und ein Einlaßsystem für Umgebungsluft.
  • g) Eine Leistungsversorgung.
  • h) Einen Zeitgeber zum Steuern der Länge der Bestrahlung.
  • i) Eine elektronische Steuerkarte.
Fig. 4 die "rote" Spektraldoppelbandverteilung, die das normalisierte Spektrum als Funktion der Wellenlänge (in Nanometer) korreliert.
Aus Fig. 2 geht hervor, daß die folgenden Schlüsse gezogen wer­ den können:
  • - Die Absorption von Oxyhämoglobin im Bereich von 600 bis 750 nm führt zu einem Temperaturanstieg, der eine Erhöhung oder Zunahme der Konzentration an molekularem Sauerstoff aufgrund der Dissoziation verursacht. Diese Effekte wirken dem Effekt oder der Wirkung der Sauerstoffabreicherung während der PDT- Behandlung entgegen.
  • - Die Absorption von Hämoglobin in den Blutgefäßen liegt im Bereich von 600 bis 750 nm und erzeugt eine Temperaturerhö­ hung und eine erhöhte PDT-Reaktionsrate oder -geschwindig­ keit. Die klinischen Ergebnisse in drei unterschiedlichen Krankenhäusern unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung für Hautkrebsbehandlungen von 150 Patienten zeigen einen Erfolg von 85% selbst nach lediglich einer einzigen Behandlung.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch in andere Systeme eingebaut oder integriert werden, wodurch zusätzliche zweckmäßige Funktionen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, geschaffen werden. So kann beispielsweise durch den zusätzlichen Einsatz eines Violettfilters im Bereich von 400 bis 450 nm unter Verwendung der Filterradeinrichtung die Vorrichtung zum Erregen von Photosensibilisatoren bei der photodynamischen Diagnose eingesetzt werden. Andererseits kann der Einbau eines Grünfilters im Spektralbereich von 505 bis 590 nm unter Verwendung der Filterradeinrichtung für die künstliche PDT-Behandlung oder für verschiedene dermatologische Anwendun­ gen oder Behandlungen, wie beispielsweise die Entfernung von Tätowierungen und Portweinverfärbungen, eingesetzt werden.
Das zusätzliche Anbringen eines distalen Handstücks an das Fa­ seroptikbündel für die dermatologische Anwendung ermöglicht ei­ ne im wesentlichen gleichmäßige Bestrahlung von Tumoren mit ei­ nem Durchmesser bis hin zu 3 cm.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur wirksamen gleichzeitigen photodynamischen und hyperthermischen Behandlung, mit:
einer Lampe, die einen schmalen Lichtstrahl mit einer Halbwinkeldivergenz bis zu 10° aufweist und eine Intensität von zumindest 20 mW/nm im Spektralbereich von 600 bis 750 nm zur photodynamischen Behandlung und zumindest 2 mW/nm im Spektralbereich von 1.200 bis 1.700 nm zur hyperthermischen Behandlung hat,
einem Filterspiegel, der eine harte durchgehend die­ lektrische Filterbeschichtung hat, die auf Glas nieder­ geschlagen ist und eine Lichtdurchlässigkeit von zumindest 60% im Bereich von 600 bis 750 nm und zumindest 5% im Bereich von 1.200 bis 1.700 nm hat, während die Strahlung im Bereich von 750 bis 1.200 nm reflektiert wird,
einem Glaslinsensystem mit einer Antireflexionsbeschich­ tung,
einem dichroitischen Filter, das aus einer harten durch­ gehend dielektrischen Beschichtung besteht, die auf Glas niedergeschlagen ist, die eine Lichtdurchlässigkeit von zumindest 60% oberhalb von 600 nm und eine vernachlässig­ bare Lichtdurchlässigkeit unterhalb von 600 nm hat,
einer Glasfaseroptik mit einem Durchmesser im Bereich von zwischen 1 bis 12 mm, getrennt von oder als Teil eines Endoskops, und
einem wirksamen Luftkühlsystem zum Abführen der erzeugten Wärme, um in der Vorrichtung eine Innentemperatur von maximal 50°C einzuhalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des Filterspiegels relativ zur optischen Achse verändert werden kann, um das Lichtdurchlässigkeits­ verhältnis in den beiden Bereichen zu ändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftkühlsystem zumindest zwei Gebläse umfaßt, um eine Innentemperatur in der Vorrichtung von nicht mehr als 45°C einzuhalten.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der im Bereich von 600 bis 750 nm ausgestrahlten Energie und der im Bereich von 1.200 bis 1.700 nm ausgestrahlten Energie zwischen 2 : 1 und 5 : 1 beträgt.
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