एक बेस्ट-इन-भौतिकी प्रस्तुति में एएपीएम वार्षिक बैठक, एरिक डिफेंडरफर ने रेडियोफिजिकल, रेडियोकेमिकल और रेडियोबायोलॉजिकल परिप्रेक्ष्य से चार फ्लैश प्रोटॉन डिलीवरी तकनीकों की तुलना की
फ्लैश रेडियोथेरेपी - अल्ट्राहाई खुराक दरों पर चिकित्सीय विकिरण की डिलीवरी - ट्यूमर-विरोधी गतिविधि को बनाए रखते हुए सामान्य ऊतक विषाक्तता को काफी हद तक कम करने की क्षमता प्रदान करती है। जबकि आज तक के लगभग सभी अध्ययन प्री-क्लिनिकल रहे हैं प्रथम रोगी उपचार फ्लैश के साथ 2019 में लॉज़ेन यूनिवर्सिटी अस्पताल में प्रदर्शन किया गया था, और मनुष्यों में पहला नैदानिक परीक्षण पिछले वर्ष संचयन पूरा हुआ।
अधिकांश प्री-क्लिनिकल फ़्लैश अध्ययन, साथ ही रोगी उपचार में इलेक्ट्रॉनों का उपयोग किया गया। लेकिन प्रोटॉन थेरेपी सिस्टम फ्लैश खुराक दरें भी प्रदान कर सकते हैं, और नैदानिक उपयोग के लिए विशेष रूप से आशाजनक साबित हो सकते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक अनुरूप खुराक वितरण और गहरे ट्यूमर का इलाज करने की क्षमता प्रदान करते हैं। प्रोटॉन बीम को विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके वितरित किया जा सकता है जो विशिष्ट स्थानिक-लौकिक खुराक-दर संरचनाएं बनाते हैं। तो फ्लैश प्रोटॉन बीम वितरित करने के लिए सबसे इष्टतम तरीका कौन सा है?
के नेतृत्व में एक टीम एरिक डिफ़ेंडरफ़र पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय यह पता लगाने के लिए कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग का उपयोग कर रहा है। डिफ़ेंडरफ़र (पहले लेखक की ओर से प्रस्तुतीकरण)। रे यांग बीसी कैंसर से) ने मात्रात्मक रूप से यह निर्धारित करने के लिए समूह के काम का वर्णन किया कि प्रोटॉन खुराक-दर संरचना के कौन से पहलू फ्लैश प्रभाव को अधिकतम करते हैं।
शोधकर्ताओं ने प्रोटॉन फ्लैश डिलीवरी के चार तरीकों का अनुकरण किया: पेंसिल-बीम स्कैनिंग (पीबीएस), जो उच्चतम तात्कालिक फोकल खुराक दर प्रदान करता है; रिज फिल्टर का उपयोग करके डबल-स्कैटरिंग; एक घूर्णन मॉड्यूलेटर व्हील का उपयोग करके रेंज-मॉड्यूलेटेड डबल-स्कैटरिंग; और एक हाइब्रिड पीबीएस-आरएफ दृष्टिकोण जिसमें पेंसिल बीम को एक रिज फिल्टर के माध्यम से सभी गहराईयों को एक साथ विकिरणित करने के लिए वितरित किया जाता है।
फिर उन्होंने सामान्य टिश्यू स्पेयरिंग पर इन विभिन्न फ्लैश डिलीवरी मोड के प्रभाव की तुलना की। विशेष रूप से, उन्होंने ऊतक बख्शते के तीन सरोगेट मेट्रिक्स की जांच की: ऑक्सीजन की कमी का प्रभाव; कार्बनिक मूलक प्रजातियों के गठन की गतिकी; और परिसंचारी प्रतिरक्षा कोशिकाओं का अस्तित्व।
इन मेट्रिक्स को मॉडल करने के लिए, प्रत्येक तकनीक का उपयोग 11x5x5 सेमी लक्ष्य के लिए 5 ऊर्जा परतों के साथ स्थानिक रूप से समतुल्य स्प्रेड-आउट ब्रैग पीक योजना प्रदान करने के लिए किया गया था। FLASH के लिए साइक्लोट्रॉन आउटपुट को 500 nA के बीम करंट के रूप में परिभाषित किया गया था, जो ब्रैग शिखर पर लगभग 2 Gy/ms की खुराक दर देता है।
मॉडल पेन में आईबीए प्रोटॉन थेरेपी प्रणाली से मशीन डेटा का उपयोग करके स्थानिक खुराक वितरण की गणना करता है। इसके बाद टीम ने स्वर-दर-स्वर आधार पर उपर्युक्त रेडियोफिजिकल, रेडियोकेमिकल और रेडियोबायोलॉजिकल मापदंडों की मात्रा निर्धारित करने के लिए मॉडल आउटपुट का उपयोग किया। डिफ़ेंडरफ़र ने नोट किया कि मॉडल का लचीलापन नए प्रयोगात्मक साक्ष्य के साथ तुलना के लिए मापदंडों को परिष्कृत करने में सक्षम बनाता है।
शोधकर्ताओं ने सबसे पहले ऑक्सीजन प्रभाव के माध्यम से रेडियोसेंसिटिविटी मॉड्यूलेशन की जांच की: यह परिकल्पना कि अल्ट्राहाई खुराक दरों पर ऑक्सीजन की कमी सामान्य ऊतकों में हाइपोक्सिया की नकल करती है, जिससे वे अधिक रेडियोप्रतिरोधी बन जाते हैं। डिफ़ेंडरफ़र ने दिखाया कि कैसे अल्ट्राहाई खुराक दरों पर, क्षणिक ऑक्सीजन की कमी स्थान और समय के साथ अलग-अलग होती है और प्रभावी खुराक जमाव को कम कर देती है।
टीम ने खुराक दर पर निर्भर ऑक्सीजन की कमी और रिकवरी की गणना की, और सभी चार वितरण मोड के लिए ऊर्जा जमाव बनाम ऑक्सीजन एकाग्रता निर्धारित की। हाइब्रिड पीबीएस-आरएफ तकनीक ने ऑक्सीजन सांद्रता में सबसे महत्वपूर्ण गिरावट का प्रदर्शन किया।
ऑक्सीजन कई खुराक दर-निर्भर प्रजातियों में से एक है जो कार्बनिक रेडिकल्स के गठन की सुविधा प्रदान करती है, जो डीएनए क्षति के लिए एक ज्ञात अग्रदूत है। तो इसके बाद, शोधकर्ताओं ने समय के साथ कार्बनिक रेडिकल्स की सांद्रता निर्धारित करने के लिए रेडियोकेमिकल दर समीकरणों का उपयोग किया, वक्र के नीचे संचयी क्षेत्र डीएनए क्षति के लिए एक सरोगेट मीट्रिक है। सभी चार वितरण विधियों के लिए, FLASH ने संबंधित पारंपरिक विकिरण की तुलना में क्षति के स्तर को कम कर दिया।
FLASH के ऊतक-बख्शते प्रभाव को समझाने के लिए प्रस्तावित एक अन्य संभावित तंत्र अल्ट्राहाई खुराक दरों पर परिसंचारी प्रतिरक्षा कोशिकाओं की विकिरण-प्रेरित मृत्यु में कमी है। इसकी जांच करने के लिए, टीम ने एक रेडियोबायोलॉजिकल मॉडल लागू किया जो इस बात पर विचार करता है कि प्रतिरक्षा कोशिकाओं के अस्तित्व को मापने के लिए विकिरण परिसंचारी रक्त पूल के साथ कैसे जुड़ता है।
चार तकनीकों के लिए खुराक दर के कार्य के रूप में मारे गए प्रतिरक्षा कोशिकाओं के अनुपात को प्लॉट करने से पता चला कि पीबीएस सबसे बड़ी कोशिका मृत्यु का कारण बनता है, संभवतः क्योंकि यह रक्त पूल के विभिन्न हिस्सों को विकिरण के संपर्क में आने के लिए सबसे अधिक समय देता है।
क्या प्रोटॉन फ्लैश नैदानिक अनुप्रयोग के लिए इष्टतम साबित हो सकता है?
कुल मिलाकर, सभी तीन यंत्रवत मॉडल अपनी रैंकिंग पर सहमत हुए, पीबीएस-आरएफ मॉडल के लिए सबसे अधिक ऊतक बख्शते देखी गई। सबसे कम प्रभावी वितरण तकनीक पीबीएस थी, संभवतः इसकी अंतर्निहित लंबी नींद के समय (विशेष रूप से ऊर्जा-परत स्विचिंग के लिए) के कारण महत्वपूर्ण ऑक्सीजन पुनःपूर्ति, रेडिकल्स की बढ़ी हुई अवधारण और प्रतिरक्षा कोशिका अस्तित्व में कमी आई थी।
डिफेंडरफर ने निष्कर्ष निकाला, "हमने अलग-अलग डिलीवरी तकनीकों के लिए स्थानिक-अस्थायी खुराक-दर संरचना में अंतर की पहचान की और यह कैसे अल्ट्राहाई खुराक दरों पर ऊतक बख्शते को प्रभावित करता है, केवल क्षेत्र-औसत खुराक दर को देखने की तुलना में अधिक सूक्ष्म तरीके से।" टीम के निष्कर्ष फ्लैश प्रभाव को अधिकतम करने के लिए प्रोटॉन उपचार योजनाओं की स्थानिक-लौकिक संरचना को बेहतर ढंग से समझने और अपनाने का मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं।
