La piattaforma a raggi X ad altissimo dosaggio si allinea per la ricerca radiobiologica FLASH – Physics World

<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="Primi esperimenti sulla linea di luce Primo autore Nolan Esplen alla stazione di ricerca sull'irradiazione FLASH del TRIUMF. (Per gentile concessione: Luca Egoriti)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- line-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg”>

Alcuni ricercatori canadesi hanno caratterizzato una piattaforma di irradiazione a raggi X per studi radiobiologici sulla radioterapia FLASH, una tecnica emergente di trattamento del cancro che utilizza l’irradiazione a dose ultraelevata (UHDR). La piattaforma, denominata FLASH Irradiation Research Station presso TRIUMF, o “FIRST”, può erogare fasci di raggi X da 10 MV a velocità di dose superiori a 100 Gy/s.

Situato sulla linea di luce ARIEL in TRIONFO, il centro canadese di accelerazione delle particelle, FIRST è attualmente l'unica piattaforma di irradiazione del suo genere in Nord America. A livello globale, ci sono due linee di luce sperimentali a raggi X UHDR a megatensione: quella al TRIUMF di Vancouver e un’altra a Chengdu, presso il laser a elettroni liberi terahertz della China Academy of Engineering Physics.

I raggi X a megavoltaggio richiedono specifiche modeste dell’acceleratore rispetto ad altre modalità utilizzate per trattare i tumori profondi, affermano i ricercatori, e FIRST può offrire sia UHDR che irradiazioni a megavoltaggio convenzionali su una linea di luce comune.

“C'è una lacuna nella disponibilità di sorgenti di raggi X a dosaggio ultra elevato; è una sorta di esigenza insoddisfatta sul campo e non esiste una piattaforma commerciale disponibile per fornire questo tipo di radiazioni in modo sistematico", spiega Nolan Esplen, ricercatore post-dottorato presso l'MD Anderson Cancer Center. “Questo progetto di collaborazione pluriennale [con TRIUMF]… è stata un’opportunità per sfruttare questo laboratorio unico con accesso a un linac elettronico superconduttore ad alta energia per produrre il tipo di radiazione che vogliamo esaminare per la ricerca radiobiologica FLASH”.

Esplen ha condotto i PRIMI esperimenti di caratterizzazione mentre era uno studente laureato presso l' Università di Victoria lavorando in Laboratorio XCITE. L'ultimo studio del gruppo di ricerca, pubblicato in Natura Rapporti scientifici, presenta una caratterizzazione completa degli esperimenti FIRST e preclinici iniziali. Il lavoro di simulazione è stato pubblicato nel 2022 in Fisica in Medicina e Biologia.

"Siamo coinvolti nell'irradiazione a dosi ultra elevate ormai da parecchio tempo", afferma il direttore del laboratorio XCITE Magdalena Bazalova-Carter. “Abbiamo iniziato a parlare con le persone di TRIUMF della linea di luce ARIEL e di come, se avessimo costruito un bersaglio per questa linea di luce, che tipo di dosi di raggi X avremmo ottenuto. È così che è iniziato tutto.

Le prime volte di PRIMO

I ricercatori hanno esplorato un sottoinsieme di parametri del fascio disponibili e clinicamente rilevanti per caratterizzare FIRST in modalità UHDR e con funzionamento a dosaggio convenzionale. Hanno fissato l’energia del fascio di elettroni a 10 MeV per massimizzare i tassi di dose e la longevità del target, e hanno impostato la corrente del fascio (corrente di picco) tra 95 e 105 µA. I tassi di dose sono stati calcolati utilizzando la dosimetria su pellicola.

Velocità di dose superiori a 40 Gy/s sono state raggiunte fino a una profondità di 4.1 cm per una dimensione del campo di 1 cm. Rispetto a un fascio clinico da 10 MV, FIRST ha offerto un ridotto accumulo superficiale della dose. Rispetto alle fonti di elettroni a bassa energia, FIRST ha offerto una riduzione della dose più graduale oltre d_max (la profondità della dose massima). Il team osserva che la presenza di forti gradienti superficiali profondità-dose ha portato a problemi di eterogeneità della dose che attualmente limitano le applicazioni al lavoro preclinico. Le limitazioni della stabilità della sorgente hanno portato a variazioni nella corrente e nella dose.

Sulla base degli studi di caratterizzazione, i ricercatori hanno poi utilizzato FIRST per somministrare UHDR (superiore a 80 Gy/s) e irradiazione di raggi X convenzionale a basso dosaggio ai polmoni di topi sani. Hanno somministrato con successo dosi di 15 e 30 Gy entro il 10% della prescrizione a 1 cm di profondità. Gli effetti delle disomogeneità del tessuto polmonare non sono stati corretti (lo studio progettuale del gruppo ha evidenziato perturbazioni trascurabili alle energie del fascio di megavoltaggio). L'emissione della sorgente di elettroni e la varianza della dosimetria del film hanno dominato le incertezze nelle misurazioni della dose pre-trattamento.

Le lezioni apprese

Lo spazio fisico in cui si trova FIRST era originariamente concepito – e funge tuttora – da deposito di raggi (dove un raggio di particelle cariche può essere assorbito in sicurezza). Ciò ha portato ad alcune sfide progettuali uniche per FIRST.

“Non c’erano le basi per fare quello che stavamo facendo, ed era anche un’opportunità di sviluppo per TRIUMF. Molte persone hanno imparato a conoscere il sistema, nonché le sfumature di questo tipo di consegna, le cose che abbiamo fatto bene e cosa potremmo fare meglio in futuro", afferma Esplen. “Dato che si tratta di una struttura in fase di sviluppo, abbiamo rappresentato la prima opportunità scientifica: è un ambiente molto dinamico. Abbiamo alcuni collaboratori e fisici del fascio estremamente talentuosi che hanno lavorato per impostare tutti i parametri ottici delle linee di fascio in modo da poter fornire un fascio minimamente dispersivo di dimensioni corrette sul bersaglio”.

Al momento degli esperimenti dei ricercatori, solo una coppia fantasma o un singolo topo potevano essere irradiati ogni 45 minuti dopo aver tenuto conto della configurazione, della consegna e dell'arresto della piattaforma. E dopo ogni aggiustamento apportato alla linea del fascio e al fascio stesso, i ricercatori hanno dovuto risintonizzare il fascio per confermarne l’output e la dosimetria.

I tubi a raggi X convenzionali possono fornire dosi FLASH?

“È una storia diversa dalla fisica medica clinica. Quando si eseguono esperimenti su un linac in un ospedale, una persona può gestire l’intero esperimento… Questa è una situazione molto diversa”, afferma Bazalova-Carter. "Cinque persone hanno dovuto far funzionare la linea di luce [per questi esperimenti] per monitorare tutti gli schermi - e anche se non tutti sono stati utilizzati per i nostri esperimenti, penso di aver contato 113 schermi nella sala di controllo... È stato piuttosto interessante che noi potrebbe ottenere un accordo di dose molto decente tra le simulazioni e gli esperimenti Monte Carlo, data la complessità di questi esperimenti”.

Nonostante tali ostacoli, i vantaggi della piattaforma FIRST includono il controllo sui parametri chiave della sorgente, tra cui la frequenza di ripetizione degli impulsi, la corrente di picco, l’energia del fascio e la potenza media.

“Siamo stati i primi utilizzatori della linea di luce ARIEL”, riflette Bazalova-Carter. “È stato estremamente soddisfacente, dopo molti anni di lavoro su questo progetto, poter effettivamente eseguire esperimenti di irradiazione sui topi”.

È imminente uno studio di follow-up radiobiologico.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research/