Plataforma de rayos X de tasa de dosis ultraalta se alinea para la investigación radiobiológica FLASH – Physics World

Plataforma de rayos X de tasa de dosis ultraalta se alinea para la investigación radiobiológica FLASH – Physics World

Marca de tiempo: 23 de febrero de 2024 7:00 AM

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg" data-caption="Primeros experimentos con líneas de luz. El primer autor, Nolan Esplen, en la Estación de Investigación de Irradiación FLASH de TRIUMF. (Cortesía: Luca Egoriti)” title=”Haga clic para abrir la imagen en la ventana emergente” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- alineados para la investigación-flash-radiobiológica-física-mundial.jpg”>Nolan Esplen en la Estación de Investigación de Irradiación FLASH de TRIUMF
Primeros experimentos con líneas de luz. El primer autor, Nolan Esplen, en la Estación de Investigación de Irradiación FLASH de TRIUMF. (Cortesía: Luca Egoriti)

Investigadores de Canadá han caracterizado una plataforma de irradiación de rayos X para estudios radiobiológicos de radioterapia FLASH, una técnica emergente de tratamiento del cáncer que utiliza irradiación de tasa de dosis ultraalta (UHDR). La plataforma, denominada Estación de Investigación de Irradiación FLASH en TRIUMF, o “FIRST”, puede emitir haces de rayos X de 10 MV a tasas de dosis superiores a 100 Gy/s.

Ubicado en la línea de luz ARIEL en Triunfo, el centro acelerador de partículas de Canadá, FIRST es actualmente la única plataforma de irradiación de este tipo en América del Norte. A nivel mundial, existen dos líneas experimentales de rayos X de megavoltaje UHDR: la de TRIUMF en Vancouver y otra en Chengdu, en la Academia China de Ingeniería Física con láser de electrones libres de terahercios.

Los investigadores afirman que los rayos X de megavoltaje requieren especificaciones de acelerador modestas en comparación con otras modalidades utilizadas para tratar tumores profundos, y FIRST puede ofrecer irradiaciones de megavoltaje tanto UHDR como convencionales en una línea de luz común.

“Existe una brecha en la disponibilidad de fuentes de rayos X con tasas de dosis ultraaltas; Es una especie de necesidad insatisfecha en el campo y no existe una plataforma comercial disponible para administrar este tipo de radiación de manera rutinaria”, explica. Nolan Esplén, investigador postdoctoral en el MD Anderson Cancer Center. "Este proyecto de colaboración de varios años [con TRIUMF]... fue una oportunidad para aprovechar este laboratorio único con acceso a un linac electrónico superconductor de alta energía para producir el tipo de radiación que queremos analizar para la investigación radiobiológica FLASH".

Esplen realizó los PRIMEROS experimentos de caracterización mientras era estudiante de posgrado en la Universidad de Victoria trabajando en el Laboratorio XCITE. El último estudio del equipo de investigación, publicado en Informes científicos Naturaleza, presenta una caracterización completa de los PRIMEROS experimentos preclínicos iniciales. El trabajo de simulación se publicó en 2022 en Física en Medicina y Biología.

"Hemos estado involucrados en irradiaciones con tasas de dosis ultraaltas desde hace bastante tiempo", dice el director del laboratorio XCITE. Magdalena Bazalova-Carter. “Comenzamos a hablar con gente de TRIUMF sobre la línea de luz ARIEL y sobre cómo si construyéramos un objetivo para esta línea de luz, qué tipo de tasas de dosis de rayos X obtendríamos. Así empezó todo”.

Las primicias de FIRST

Los investigadores exploraron un subconjunto de parámetros de haz disponibles y clínicamente relevantes para caracterizar FIRST bajo UHDR y operación de tasa de dosis convencional. Fijaron la energía del haz de electrones en 10 MeV para maximizar las tasas de dosis y lograr la longevidad, y establecieron la corriente del haz (corriente máxima) entre 95 y 105 µA. Las tasas de dosis se calcularon utilizando dosimetría de película.

Se alcanzaron tasas de dosis superiores a 40 Gy/s a una profundidad de hasta 4.1 cm para un tamaño de campo de 1 cm. En comparación con un haz clínico de 10 MV, FIRST ofreció una acumulación de dosis superficial reducida. En comparación con las fuentes de electrones de baja energía, FIRST ofreció una caída de dosis más gradual más allá de dmax (la profundidad de la dosis máxima). El equipo señala que la presencia de gradientes pronunciados entre profundidad superficial y dosis generó problemas de heterogeneidad de dosis que actualmente restringen las aplicaciones al trabajo preclínico. Las limitaciones de estabilidad de la fuente provocaron variaciones en la corriente y la dosis.

Informados por los estudios de caracterización, los investigadores utilizaron FIRST para administrar UHDR (por encima de 80 Gy/s) e irradiación de rayos X convencional de baja dosis en los pulmones de ratones sanos. Administraron con éxito dosis de 15 y 30 Gy dentro del 10% de la prescripción a 1 cm de profundidad. No se corrigieron los efectos de las faltas de homogeneidad del tejido pulmonar (el estudio de diseño del grupo señaló perturbaciones insignificantes en las energías del haz de megavoltaje). La salida de la fuente de electrones y la variación de la dosimetría de la película dominaron las incertidumbres en las mediciones de dosis previas al tratamiento.

Lecciones aprendidas

El espacio físico en el que se encuentra FIRST fue originalmente diseñado (y todavía sirve como) un vertedero de rayos (donde un rayo de partículas cargadas puede ser absorbido de manera segura). Eso generó algunos desafíos de diseño únicos para FIRST.

“No había ninguna base para hacer lo que estábamos haciendo y también era una oportunidad de desarrollo para TRIUMF. Mucha gente aprendió sobre el sistema, así como los matices de este tipo de entrega y las cosas que hicimos bien y lo que podríamos hacer mejor en el futuro”, dice Esplen. “Dado que se trata de una instalación que se está desarrollando, tuvimos una primera oportunidad científica: es un entorno muy dinámico. Contamos con algunos colaboradores y físicos de haces extremadamente talentosos que trabajaron para establecer todos los parámetros ópticos de las líneas de haz para que podamos entregar un haz mínimamente dispersivo del tamaño correcto al objetivo”.

En el momento de los experimentos de los investigadores, solo se podía irradiar un par fantasma o un solo ratón cada 45 minutos después de tener en cuenta la configuración, entrega y apagado de la plataforma. Y después de cada ajuste realizado en la línea de luz y en el propio haz, los investigadores tuvieron que volver a sintonizar el haz para confirmar su salida y dosimetría.

“Es una historia diferente a la de la física médica clínica. Cuando se realizan experimentos con un linac en un hospital, una persona puede encargarse de todo el experimento... Esta es una situación muy diferente”, dice Bazalova-Carter. “Cinco personas tuvieron que ejecutar la línea de luz [para estos experimentos] para monitorear todas las pantallas, y aunque no todas se usaron para nuestros experimentos, creo que conté 113 pantallas en la sala de control... Fue bastante interesante que "Podríamos lograr una concordancia de dosis muy decente entre las simulaciones y los experimentos de Monte Carlo, dado lo desafiantes que son estos experimentos".

A pesar de estos obstáculos, las ventajas de la plataforma FIRST incluyen el control sobre los parámetros clave de la fuente, incluida la frecuencia de repetición del pulso, la corriente máxima, la energía del haz y la potencia promedio.

"Fuimos los primeros usuarios de la línea de luz ARIEL", reflexiona Bazalova-Carter. "Fue extremadamente satisfactorio, después de muchos años de trabajo en este proyecto, poder realizar experimentos de irradiación con ratones".

Próximamente se realizará un estudio de seguimiento radiobiológico.

Sello de tiempo:

Mas de Mundo de la física