Best-in-Physics 프레젠테이션에서 AAPM 연례 회의, Eric Diffenderfer는 방사성물리학적, 방사화학적, 방사성생물학적 관점에서 네 가지 FLASH 양성자 전달 기술을 비교했습니다.
초고선량률로 치료용 방사선을 전달하는 FLASH 방사선요법은 항종양 활동을 유지하면서 정상 조직 독성을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 제공합니다. 지금까지의 거의 모든 연구가 전임상이었으나, 첫 번째 환자 치료 2019년 로잔대학병원에서 FLASH를 이용한 수술을 시행하였고, 인간을 대상으로 한 최초의 임상시험 작년에 적립이 완료되었습니다.
대부분의 전임상 FLASH 연구와 환자 치료에는 전자가 사용되었습니다. 그러나 양성자 치료 시스템은 또한 FLASH 선량률을 제공할 수 있으며 전자보다 더 등각 선량 분포를 제공하고 더 깊은 종양을 치료할 수 있는 능력을 제공하여 임상 사용에 특히 유망한 것으로 입증될 수 있습니다. 양성자 빔은 뚜렷한 공간-시간적 선량률 구조를 생성하는 다양한 기술을 사용하여 전달될 수 있습니다. 그렇다면 FLASH 양성자 빔을 전달하는 가장 최적의 방식은 무엇입니까?
가 이끄는 팀 에릭 디펜더퍼 펜실베이니아 대학의 연구진은 계산 모델링을 사용하여 이를 알아냈습니다. Diffenderfer(제XNUMX저자를 대신하여 발표) 레이양 BC Cancer에서)은 양성자 선량률 구조의 어떤 측면이 FLASH 효과를 최대화하는지 정량적으로 결정하기 위한 그룹의 작업을 설명했습니다.
연구진은 양성자 FLASH 전달의 네 가지 모드를 시뮬레이션했습니다. 즉, 가장 높은 순간 초점 선량률을 제공하는 연필빔 스캐닝(PBS); 능선 필터를 사용한 이중 산란; 회전 변조기 휠을 사용한 범위 변조 이중 산란; 펜슬 빔이 능선 필터를 통해 전달되어 모든 깊이에 동시에 조사되는 하이브리드 PBS-RF 접근 방식이 있습니다.
그런 다음 그들은 이러한 다양한 FLASH 전달 모드가 정상적인 조직 보존에 미치는 영향을 비교했습니다. 특히, 그들은 조직 보존에 대한 세 가지 대리 지표를 조사했습니다: 산소 고갈 효과; 유기 라디칼 종 형성의 동역학; 순환하는 면역 세포의 생존.
이러한 측정항목을 모델링하기 위해 각 기술을 사용하여 11x5x5cm 대상에 5개의 에너지 레이어가 있는 공간적으로 동등한 확산 브래그 피크 계획을 제공했습니다. FLASH의 사이클로트론 출력은 500nA의 빔 전류로 정의되었으며, 이는 브래그 피크에서 약 2Gy/ms의 선량률을 제공합니다.
이 모델은 Penn의 IBA 양성자 치료 시스템의 기계 데이터를 사용하여 공간 선량 분포를 계산합니다. 그런 다음 팀은 모델 출력을 사용하여 복셀 단위로 위에서 언급한 방사성 물리, 방사 화학 및 방사 생물학적 매개 변수를 정량화했습니다. Diffenderfer는 모델의 유연성을 통해 새로운 실험 증거와 비교하기 위해 매개변수를 개선할 수 있다고 지적했습니다.
연구진은 먼저 산소 효과를 통해 방사선 민감도 조절을 조사했습니다. 즉, 초고선량률의 산소 고갈이 정상 조직의 저산소증을 모방하여 방사선 저항성을 더욱 높인다는 가설입니다. Diffenderfer는 초고선량률에서 일시적인 산소 고갈이 공간과 시간에 따라 차등적으로 발생하고 유효 선량 침착을 감소시키는 방법을 보여주었습니다.
연구팀은 선량률에 따른 산소 고갈 및 회복을 계산하고 XNUMX가지 전달 모드 모두에 대해 에너지 축적 대 산소 농도를 결정했습니다. 하이브리드 PBS-RF 기술은 산소 농도에서 가장 중요한 하향 이동을 나타냈습니다.
산소는 DNA 손상의 전조로 알려진 유기 라디칼의 형성을 촉진하는 여러 선량률 의존적 종 중 하나일 뿐입니다. 다음으로, 연구자들은 방사화학적 속도 방정식을 사용하여 시간 경과에 따른 유기 라디칼의 농도를 결정했으며, 곡선 아래의 누적 면적은 DNA 손상에 대한 대리 측정법이었습니다. 네 가지 전달 방법 모두 FLASH는 해당 기존 조사에 비해 손상 수준을 줄였습니다.
FLASH의 조직 보존 효과를 설명하기 위해 제안된 또 다른 잠재적 메커니즘은 초고선량률에서 순환 면역 세포의 방사선 유발 사망을 감소시키는 것입니다. 이를 조사하기 위해 팀은 방사선이 순환 혈액 풀과 어떻게 교차하는지 고려하여 면역 세포의 생존을 정량화하는 방사선 생물학적 모델을 구현했습니다.
네 가지 기술에 대한 선량률의 함수로 사멸된 면역 세포의 비율을 표시한 결과 PBS가 가장 큰 세포 사멸을 일으키는 것으로 나타났습니다. 이는 아마도 혈액 풀의 여러 부분이 방사선에 노출되는 데 가장 많은 시간을 허용하기 때문일 것입니다.
양성자 FLASH가 임상 적용에 최적인 것으로 입증될 수 있습니까?
전반적으로 세 가지 기계적 모델 모두 순위에 동의했으며 PBS-RF 모델에서 가장 많은 조직을 절약했습니다. 가장 효과적이지 않은 전달 기술은 PBS였으며, 이는 상당한 산소 보충, 라디칼 보유 증가 및 면역 세포 생존 감소를 허용하는 본질적인 긴 회전 시간(특히 에너지 층 전환의 경우)으로 인해 발생했을 가능성이 높습니다.
"우리는 현장 평균 선량률을 보는 것보다 더 미묘한 방식으로 다양한 전달 기술에 대한 공간-시간적 선량률 구조의 차이와 이것이 초고선량률에서 조직 보존에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다."라고 Diffenderfer는 결론지었습니다. 연구팀의 연구 결과는 FLASH 효과를 극대화하기 위해 양성자 치료 계획의 시공간 구조를 더 잘 이해하고 적용할 수 있는 길을 열었습니다.
