I filtri di cresta specifici per il paziente consentono la terapia protonica FLASH conforme

La radioterapia stereotassica corporea (SBRT) è un trattamento antitumorale di precisione che eroga meno frazioni di radiazioni a dosaggio più elevato rispetto alla radioterapia tradizionale. La SBRT può fornire un eccellente controllo locale del tumore, ma per alcune localizzazioni tumorali rischia di esporre gli organi vicini a rischio (OAR) a livelli di irradiazione inaccettabili. La SBRT basata su protoni garantisce un migliore risparmio di OAR, ma richiede comunque alcuni margini di trattamento che potrebbero limitarne l'applicabilità clinica.

La radioterapia FLASH, in cui la radiazione viene erogata a dosi ultra elevate, potrebbe consentire un ulteriore risparmio degli OAR. Per studiarne il potenziale, un gruppo di ricerca si è diretto a Emory University sta sviluppando un quadro per ottimizzare la somministrazione della terapia protonica per soddisfare le esigenze della radioterapia FLASH.

La maggior parte dei moderni sistemi di terapia protonica possono raggiungere velocità di dose FLASH utilizzando un raggio di trasmissione ad alta energia che attraversa il paziente, depositando la dose lungo tutto il suo percorso. Questo approccio, tuttavia, elimina il principale vantaggio della terapia protonica: la sua capacità di somministrare la dose in un picco di Bragg diffuso. Per migliorare la conformità ai ratei di dose FLASH, Ruirui Liu e colleghi propongono che i filtri cresta specifici per il paziente potrebbero fornire una distribuzione della dose simile a quella della terapia protonica con modulazione di intensità convenzionale (IMPT).

Per i trattamenti FLASH, la dose, l'intensità di dose media della dose (DADR) e il trasferimento di energia lineare dose media (LET_d) influenzano tutti la risposta biologica. Pertanto i ricercatori hanno sviluppato un quadro di ottimizzazione fisica integrata (IPO) che ottimizza simultaneamente questi tre parametri per massimizzare il risparmio di OAR nel piano di trattamento di un paziente. Il quadro, descritto nel Giornale Internazionale di Radiazione Oncologia, Biologia, Fisica, utilizza la funzione obiettivo IPO-IMPT per fornire molteplici soluzioni per la progettazione di filtri ridge e mappe spot protoniche specifici per il paziente.

I filtri di cresta, utilizzati in combinazione con un compensatore di portata, comprendono una serie di perni a forma di ziggurat che diffondono il picco di Bragg da un fascio da 250 MeV per coprire un volume target di pianificazione specifico del fascio. Il team ha sviluppato un software di pianificazione inversa per definire le posizioni dei pin per un filtro specifico per il paziente e ha utilizzato simulazioni Monte Carlo basate su Geant4 per fornire matrici di influenza della dose e del LET.

Piani dei pazienti

Per dimostrare la struttura IPO-IMPT, i ricercatori hanno sviluppato piani di trattamento per tre pazienti affetti da cancro ai polmoni. Hanno prescritto una dose di 50 Gy (cinque frazioni da 10 Gy) al volume target clinico, con una dose hotspot massima di 62.5 Gy. A seconda del parametro prioritario, i piani mirano ad aumentare la copertura FLASH e/o ridurre il LET_d, mantenendo la dose target.

Per il paziente 1, che aveva un tumore polmonare centrale vicino al cuore, gli OAR erano il cuore e il polmone. In questo caso, i ricercatori hanno generato un piano IPO-IMPT a raggio singolo con l’obiettivo di ridurre il LET_d al cuore mantenendo la copertura del bersaglio. Il piano IPO-IMPT ha raggiunto questo obiettivo, mostrando una copertura target simile a un piano IMPT convenzionale ma riducendo notevolmente il LET_d al cuore.

Il paziente 2 aveva un tumore metastatico nel lobo inferiore destro e il paziente 3 aveva un tumore nel linfonodo sottocarenale. In questi casi, anche l’esofago era un OAR e l’obiettivo chiave era il risparmio esofageo. Sia per IPO-IMPT che per IMPT, quasi il 100% del volume di valutazione dell'esofago ha raggiunto la soglia FLASH di 40 Gy/s. Per il paziente 2, IPO-IMPT ha leggermente ridotto il LET_d per cuore ed esofago e maggiore copertura FLASH per il cuore.

Design a perni radi

I filtri di cresta regolari progettati utilizzando la struttura IPO-IMPT hanno risparmiato selettivamente gli OAR riducendo il LET e aumentando la copertura FLASH. Tuttavia, i filtri di cresta sparsi, da cui alcuni pin vengono omessi, offrono il potenziale per aumentare ulteriormente il risparmio di OAR. La rimozione dei perni del filtro in posizioni specifiche fornisce un flusso di protoni più elevato, mentre i perni rimanenti forniscono comunque un'adeguata copertura del bersaglio.

Per il paziente 1, i ricercatori hanno generato un piano IPO-IMPT con filtri a cresta sparsi e fasci multipli. Il confronto con un piano IMPT che utilizzava normali filtri di cresta ha mostrato che, per entrambi, la copertura del tumore era mantenuta e gli hotspot erano ben controllati. I filtri a cresta sparsi, tuttavia, hanno aumentato il volume OAR ricevendo un tasso di dose FLASH del 31% e del 50%, rispettivamente per i volumi di valutazione del cuore e del polmone.

I filtri sparsi della cresta forniscono flessibilità per realizzare tutto il potenziale del framework IPO-IMPT. Ad esempio, i livelli di rimozione dei perni possono essere adattati ai singoli casi dei pazienti. Una soglia di rimozione del perno del 50% ha fornito risultati ragionevoli per il tumore di grandi dimensioni del paziente 1, mentre una soglia del 30% è stata un buon punto di partenza per i target più piccoli dei pazienti 2 e 3, i cui piani sparsi basati su ridge filter hanno aumentato la DADR nell'esofago mantenendo il tumore copertura.

Infine, per verificare che un gruppo filtro di cresta (perni del filtro e compensatore) potesse fornire la dose prevista, i ricercatori hanno stampato in 3D un filtro di cresta specifico per il paziente. Hanno fornito un piano di trattamento progettato per fornire una dose target uniforme e hanno eseguito misurazioni della dose con una serie di camere di ionizzazione. Il tasso totale di superamento della gamma è stato del 92.9% per le dosi assolute, un valore che supera il criterio standard di superamento del paziente del 90% e dimostra che l'insieme può fornire una distribuzione della dose clinicamente accettabile.

NPL introduce la dosimetria assoluta per i fasci di protoni FLASH

“Questo studio dimostrativo dimostra la fattibilità dell’utilizzo di una struttura IPO-IMPT per realizzare la terapia protonica corporea stereotassica FLASH, tenendo conto di dose, DADR e LET_d contemporaneamente”, concludono i ricercatori. “Questo nuovo metodo faciliterà la consegna di campi protonici conformi a velocità FLASH per studi preclinici e clinici”.

Autore senior Liyong Lin dice Mondo della fisica che il team spera di sviluppare ulteriormente il proprio software per tali applicazioni. "L'Ufficio per il trasferimento tecnologico di Emory ci ha incoraggiato a creare una società startup, Radiotherapy Biological Optimization (RBO) Solutions", spiega Lin. “RBO è accettato dal Programma di assistenza per i candidati del National Institutes of Health per presentare una sovvenzione R41 per il trasferimento di tecnologia per piccole imprese al National Cancer Institute entro il 5 aprile. L'IBA, il più grande fornitore di terapia con particelle, e la divisione dosimetria dell'IBA approveranno la proposta di sovvenzione R41 di RBO. "

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/patient-specific-ridge-filters-enable-conformal-flash-proton-therapy/