Principi base della terapia con adroni

L’adroterapia consiste nell’impiego di protoni, ioni (carbonio, ossigeno, neon) ed anche neutroni nella terapia delle patologie neoplastiche, sfruttando le loro particolari proprietà fisiche e radiobiologiche. I primi trattamenti sono stati effettuati a Berkeley nel 1954 con i protoni e nel 1957 con gli ioni. Successivamente numerosi centri, hanno iniziato a trattare pazienti con adroni (Loma Linda, California; Chiba, Giappone). Per la protonterapia si usano o "ciclotroni" di 3-4 metri di diametro [In un ciclotrone gli adroni percorrono un'orbita a spirale], oppure "sincrotroni" di 6-8 metri di diametro [In un sincrotrone gli adroni percorrono una stessa orbita circolare un milione di volte]. Invece per la terapia con ioni carbonio si impiegano "sincrotroni" di 20-25 metri [Il sincrotrone del Centro Nazionale di Adroterapia].

Terapia con fotoni, elettroni, neutroni e protoni Fotoni: Diffusione laterale e distribuzione della dose in profondità non è selettiva a causa della decrescita esponenziale della deposizione di energia; (30 MeV) Elettroni: migliore distribuzione di dose in profondità ma la considerevole diffusione laterale ne limita l'utilizzo tumori localizzati in profondità; (30 MeV) Neutroni: trattamento di tumori radioresistenti a causa della grande deposizione di energia anche se, come i fotoni, presentano assorbimento di tipo esponenziale; (30 MeV) Protoni: ottima accuratezza balistica rispetto ai precedenti (trattamento di organi critici) ma stessa efficacia dei fotoni e degli elettroni nel trattamento dei tumori radioresistenti; (200 MeV) "... si stima che circa il 20% dei tumori sia radioresistente a terapia con elettroni e fotoni"

LET (Linear Energy Transfer) = E / x L'effetto della irradiazione dipende sia dal tipo di radiazione utilizzata che dalle caratteristiche del tessuto irradiato: Dose assorbita (E/m) LET Ossigenazione LET (Linear Energy Transfer) = E / x EBR (Efficacia Biologica Relativa) = D / Drad OER (Oxigen Enhancement Ratio) = Dreale / Doss (Doss è la dose in aria per il tessuto completamente ossigenato in aria a pressione normale) Deq = D  EBR

Curve Dose-Effetto L’obiettivo della radioterapia è il controllo locale del tumore con max risparmio tessuti sani. Rapporto Terapeutico R: rapporto tra la dose D2 corrispondente al 50% di probabilità di fare danni e la dose D1 corrispondente al 50% di probabilità di ottenere il controllo locale del tumore:  R se  “selettività balistica”,  LET ( EBR  OER)

Valori di LET (Linear Energy Transfer) per varie particelle Gli ioni carbonio hanno un LET 100 volte maggiore del LET dei fasci convenzionali di fotoni (rad. densamente ionizzanti):  fenomeni di riparazione cellulare (prod. diretta radicali liberi-doppia rottura elica DNA)  differenze di radio-sensitività (tutte le pop. di cellule in tutte le condizioni rispondono allo stesso modo)

dose of reference radiation dose of test radiation RBE=

EBR con valore di sopravvivenza > 10% Ad  LET  l’EBR, dunque gli ioni C ed Ne sono più efficaci dei fotoni (e dei protoni) nel danneggiamento delle cellule anche di un fattore 3. E' necessario determinare l‘EBR di un fascio terapeutico nei vari punti del tessuto attraversato in quanto il fascio varia il suo LET nel percorso attraversato. (metodi montecarlo)

dose in N2 for surviving fraction, S/S0 OER = dose in O2 for surviving fraction, S/S0 Survival curves for culturaed mammalian cells exposed to x-rays under oxic or hypoxic conditions, illustrated the radiation dose-modifying effect of oxygen. Note that the broken line extrapolate back to the same point on the survival axis (n=5.5).

OER (Oxigen Enhauncement Ratio) Ad  LET  l'OER, dunque gli ioni C ed Ne sembrano efficaci nella terapia di tumori poco ossigenati (cellule ipossiche)

Adroterapia In generale quali vantaggi per l’Adroterapia: Per protoni o ioni più pesanti la qualità della radiazione varia durante l’attraversamento dei tessuti: In generale quali vantaggi per l’Adroterapia:  “Accuratezza Balistica” (Picco di Bragg)  “Diffusione laterale” e (ioni carbonio)  LET (EBR; OER)

Dose assorbita in acqua per fasci di elettroni prodotti da un acceleratore lineare Percorso massimo nel tessuto, espresso in centimetri, circa uguale alla metà dell'energia iniziale del fascio espressa in MeV. Gli elettroni sono usati per trattamenti profondi fino a qualche centimetro dalla superficie cutanea.

Dose assorbita in acqua per fasci di fotoni prodotti da un acceleratore lineare Andamento esponenziale decrescente dopo un massimo a pochi centimetri. I fotoni sono usati per trattamenti profondi anche a molti centimetri dalla superficie della cute.

Dose assorbita in acqua (fotoni, neutroni, elettroni, protoni) Le curve dose-profondità di fasci di protoni danno luogo al "picco di Bragg". Per i protoni dunque la dose superficiale è bassa se confrontata con la dose assorbita nella regione del picco.

Dipendenza della posizione del picco di Bragg dall'energia iniziale del fascio Per raggiungere profondità superiori a 25 cm, i fasci di protoni devono avere energia iniziale non inferiore ai 200 MeV

Picco di Bragg allargato (Spread-Out Bragg Peak = SOBP) Variando l'energia (oppure con assorbitori) è possibile sovrapporre molti picchi di Bragg ed ottenere un SOBP

SOBP, PLATEAU e TAIL I protoni e gli ioni possono essere utilizzati per realizzare terapie conformi molto accurate. Per gli ioni esiste una "coda" (TAIL) dovuta alla frammentazione dei nuclei incidenti. I frammenti più leggeri hanno un percorso nella materia maggiore, rispetto ai progenitori e determinano una dose oltre il picco. (Il Neon è pesante...al massimo l'ossigeno se si vuole terapia conformazionale)

Curva isodose con fotoni e protoni (trattamento di un liposarcoma retroperitonale adiacente al midollo spinale) L'irradiazione conformazionale è migliore nei protoni

Ciclotrone IBA 235 MeV room temperature cyclotron

Sincrotrone Layout of the TERA synchrotron

Scansione del fascio Scansione passiva Schema di un sistema a scansione passiva: double scatter range modulator collimatore specifico + bolus

Scansione del fascio Scansione attiva

Modalità di scansione attiva Raster scanning e voxel scanning