La fisica delle particelle offre nuove prospettive sulla terapia protonica FLASH – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-11.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-11.jpg" data-caption="Verso FLASH guidato dalle immagini Uno scanner PET sviluppato da Karol Lang e dai suoi colleghi può visualizzare e misurare gli effetti della terapia protonica mentre il raggio viene erogato. (Per gentile concessione di Marek Proga, Università del Texas ad Austin)”>

Tecnologie rivoluzionarie originariamente create per gli esperimenti più ambiziosi nel campo della fisica delle particelle hanno spesso innescato innovazioni nel trattamento medico e nella diagnosi. I progressi negli acceleratori e nell’ingegneria delle linee di luce hanno aiutato lo sviluppo di strategie altamente efficaci per il trattamento del cancro, mentre i rilevatori progettati per catturare le particelle più sfuggenti hanno offerto nuovi modi per visualizzare il funzionamento interno del corpo umano.

In uno sviluppo recente, un gruppo di ricerca con sede negli Stati Uniti guidato da Karol Lang, un fisico sperimentale delle particelle presso l’Università del Texas ad Austin, ha ottenuto per la prima volta imaging in tempo reale degli effetti della terapia protonica FLASH prima, durante e dopo la consegna della trave. Questi trattamenti FLASH emergenti somministrano dosi elevatissime in tempi estremamente brevi, che possono sradicare efficacemente le cellule tumorali causando meno danni ai tessuti sani. I trattamenti FLASH richiedono meno irradiazioni in cicli di trattamento più brevi, il che consentirebbe a più pazienti di beneficiare della terapia protonica e ridurre significativamente il rischio di effetti collaterali legati alle radiazioni.

Il gruppo di ricerca, che coinvolge anche fisici medici presso l’MD Anderson Proton Therapy Center di Houston, ha prodotto le immagini utilizzando uno scanner appositamente progettato per la tomografia a emissione di positroni (PET), una tecnica emersa a sua volta da esperimenti pionieristici al CERN negli anni ’1970. . Utilizzando cinque diversi fantasmi che fungono da surrogati di un paziente umano, il team ha sfruttato il proprio strumento PET personalizzato per visualizzare sia la rapida insorgenza del fascio di protoni sia i suoi effetti fino a 20 minuti dopo l'irradiazione.

"L'irradiazione dei protoni produce isotopi di breve durata nel corpo che in molti casi sono emettitori di positroni", spiega Lang. “Con la terapia protonica FLASH il fascio genera un’intensità di positroni più elevata, che aumenta la forza del segnale. Anche con piccoli array di rilevatori PET siamo stati in grado di produrre immagini e misurare sia l’abbondanza degli isotopi che la loro evoluzione nel tempo”.

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg" data-caption="Piccolo ma potente Gli array di rilevatori utilizzati nello scanner PET sono relativamente piccoli, ma l'intensità del fascio FLASH consente di produrre immagini e misurare l'abbondanza degli isotopi. (Per gentile concessione: Marek Proga, Università del Texas ad Austin)” title=”Fare clic per aprire l'immagine in popup” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg” >

Le misurazioni registrate durante questi esperimenti di prova di principio suggeriscono che uno scanner PET a raggio potrebbe fornire imaging e dosimetria in tempo reale per i trattamenti di terapia protonica. Il team è stato anche in grado di determinare l’intensità del fascio di protoni rilevando i gamma rapidi – così chiamati perché sono prodotti dal decadimento dei nuclei in tempi molto brevi – prodotti durante l’estrazione del fascio di protoni. Con una lieve modifica all'apparato, Lang ritiene che si potrebbero misurare i gamma immediati per ottenere un'istantanea del fascio di protoni, e poi usare la PET per seguire l'evoluzione degli isotopi dopo che il fascio è stato erogato.

"Questi risultati mostrano che sarebbe solo questione di migliorare l'impostazione sperimentale affinché la tecnica possa fornire misurazioni utili in un contesto clinico", afferma. "Naturalmente sappiamo che sarebbero necessari ancora molti test preclinici, ma in questa fase è chiaro che non ci sono ostacoli per la tecnica."

Lang e i suoi colleghi descrivono il loro approccio e i risultati in due articoli pubblicati in Fisica in Medicina e Biologia (PMB), entrambi ad accesso libero. I ricercatori hanno anche beneficiato di un modello editoriale emergente, chiamato accordo trasformativo, che ha permesso loro di pubblicare entrambi gli articoli ad accesso libero senza dover pagare le consuete spese di pubblicazione degli articoli.

In base a questi cosiddetti accordi trasformativi, in questo caso tra IOP Publishing e il Sistema dell’Università del Texas, i ricercatori di qualsiasi istituzione all’interno del gruppo accademico possono accedere ai contenuti di ricerca e pubblicare il proprio lavoro gratuitamente. Infatti, IOP Publishing – che pubblica PMB per conto dell’Istituto di Fisica e Ingegneria in Medicina – ora ha accordi trasformativi in ​​atto con più di 900 istituzioni in 33 paesi diversi, fornendo accesso gratuito e pubblicando la maggior parte se non tutto il suo portafoglio di riviste scientifiche.

Lo scopo di questi accordi di lettura e pubblicazione è quello di accelerare la transizione verso la pubblicazione ad accesso aperto, poiché evita la necessità per i ricercatori di procurarsi i propri finanziamenti per le spese di pubblicazione. Per Lang, qualsiasi mossa che apra la strada alla scienza e consenta a diverse comunità di collaborare aiuterà a innescare nuove idee da altre discipline che guideranno l’innovazione futura. "Se mi imbatto in un documento interessante a cui non posso accedere, soprattutto se riguarda un campo diverso, mi mancano alcune informazioni che potrebbero aiutarmi nel mio lavoro", afferma. “Un’informazione aperta e libera è essenziale per fare progressi.”

Dalle sue esperienze nel campo della fisica delle particelle, Lang ha visto i vantaggi che possono emergere da una cultura della ricerca aperta e collaborativa. "Nella fisica delle particelle tutti condividono i propri pensieri e risultati migliori e le persone vogliono essere coinvolte nella ricerca di modi diversi per sviluppare e sfruttare nuove idee", afferma. “Senza questa mentalità collaborativa le scoperte che abbiamo visto al CERN, al Fermilab e altrove semplicemente non sarebbero avvenute”.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-9.jpg" data-caption="Design personalizzato Karol Lang (al centro) con l'ingegnere Marek Proga (a sinistra) e il ricercatore post-doc John Cesar e lo scanner PET appositamente sviluppato dal team. La configurazione dello scanner fornisce misurazioni nel raggio mentre il paziente viene trattato. (Per gentile concessione: Michael Gajda, Università del Texas ad Austin)” title=”Fare clic per aprire l'immagine in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers- new-views-on-flash-proton-therapy-physical-world-9.jpg”>

Tuttavia, è chiaro che Lang è frustrato dal fatto che alcune persone nella comunità medica sembrano essere meno aperte alle nuove idee, in particolare da parte di un fisico che non ha alcuna esperienza clinica precedente. "Sappiamo che molte delle migliori tecnologie nel campo della fisica medica e dell'imaging nucleare derivano dai progressi della fisica delle particelle e del nucleare, ma è difficile portare le ultime nuove idee in medicina", afferma. “Ora capisco meglio perché ciò accade – cambiare procedure mediche collaudate e protocolli di trattamento formale è molto più complicato che semplicemente sostituire un rilevatore migliore – ma sono ancora deluso da quanto sia difficile penetrare nel settore e impegnarsi nella ricerca collaborativa”.

Sebbene Lang abbia già tentato di costruire rilevatori medici, riconosce che lui e altri fisici delle particelle possono essere colpevoli di ingenuità o addirittura arroganza quando si tratta di introdurre nuove tecnologie nell'ambiente ospedaliero strettamente controllato. Per questo nuovo lavoro, tuttavia, un gruppo di fisici medici gli ha chiesto di assumere la guida di un progetto di ricerca che richiedeva la sua esperienza nella costruzione di rilevatori di particelle. "Sto ancora continuando la mia ricerca sulla fisica dei neutrini, ma credo che ciò che possiamo offrire sia così unico e utile che ho voluto essere coinvolto", dice Lang. "Man mano che ho imparato di più, sono diventato sempre più incuriosito e sono rimasto davvero affascinato dall'idea dei trattamenti FLASH."

Anche se sarà necessario ulteriore lavoro per ottimizzare la tecnica di imaging in-beam per uso clinico, Lang ritiene che a breve termine potrebbe offrire un prezioso strumento di ricerca per aiutare a comprendere l’effetto FLASH. "Nessuno sa veramente perché FLASH funziona o esattamente quali parametri del fascio dovrebbero essere utilizzati per ottenere i migliori risultati", afferma. "Ciò mi suggerisce profondamente che non comprendiamo appieno come le radiazioni interagiscono con i tessuti sani o cancerosi."

Con questo nuovo strumento, sostiene Lang, sarebbe possibile esplorare i meccanismi fisici in gioco durante un trattamento FLASH. "Questa tecnica potrebbe aiutarci a capire come reagisce il corpo umano dopo essere stato irradiato con esplosioni di energia così intense", dice. "Offre un modo per esplorare gli effetti dipendenti dal tempo dell'irradiazione, cosa che mi sembra non sia stata fatta sistematicamente prima."

A lungo termine, tuttavia, l’obiettivo è creare una modalità di trattamento guidata dalle immagini in grado di misurare gli effetti di ciascuna irradiazione per informare e aggiornare i trattamenti successivi. Tali approcci adattativi sono poco pratici con i protocolli di trattamento convenzionali, in cui dosi più piccole vengono somministrate in circa 30 sessioni giornaliere, ma potrebbero essere più praticabili con i trattamenti FLASH che potrebbero richiedere solo poche dosi per fornire energia sufficiente per sradicare il cancro.

"Controllare gli effetti di ciascuna irradiazione trasformerebbe completamente la dinamica, la logistica e i risultati del trattamento", afferma Lang. “In combinazione con una migliore comprensione delle interazioni tra i protoni energetici e il corpo umano, tali protocolli FLASH adattivi potrebbero avere un impatto rivoluzionario sui risultati dei pazienti”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy/