Protontherapie kan zeer conforme dosisverdelingen leveren aan een tumordoel terwijl de dosis voor weefsels buiten het doelvolume wordt geminimaliseerd. Het maken van behandelplannen die deze kracht realiseren, is een topprioriteit voor dosimetristen en medisch fysici.
Protonen deponeren op een fundamenteel andere manier dan röntgenstralen, een ander type bestralingstherapie met externe stralen. Naarmate een proton het einde van zijn baan bereikt, neemt de snelheid waarmee zijn energie naar weefsel wordt overgedragen toe – zijn lineaire energieoverdracht (LET), uitgedrukt in keV/µm.
De relatieve biologische effectiviteit (RBE) geeft de biologische implicaties weer van toenemende LET, en een vaste RBE-waarde van 1.1 wordt vaak toegepast voor klinische protonenbehandelingen. Maar proton-RBE is afhankelijk van vele andere factoren, waaronder klinische eindpunten, weefseltype, fractioneringsschema, patiëntspecifieke stralingsgevoeligheid, fysieke dosis en onzekerheden in experimentele metingen. Als gevolg hiervan wordt bij het gebruik van een vaste RBE-waarde bij protontherapie de RBE waarschijnlijk onderschat op locaties met een hoge LET, wat zou kunnen resulteren in een verhoogd risico op door straling veroorzaakte toxiciteit.
Toch is LET sterk gecorreleerd met RBE en is het een sleutelfactor voor het bepalen van variabele RBE bij protonentherapie. Als zodanig onderzoeken onderzoekers benaderingen voor het berekenen en evalueren van LET tijdens behandelplanning. Deze hulpmiddelen voor biologische behandelingsplanning zijn echter beperkt en totdat ze verder zijn ontwikkeld en bestudeerd, moeten klinieken hun eigen behandelingsplanningspraktijken identificeren om LET buiten de doelvolumes te minimaliseren, zegt Austin Faught, een medisch fysicus bij St Jude Children's Research Hospital in Tennessee.
"Hoe de [LET-distributie] te beïnvloeden, is een actief onderzoeksgebied en er zijn enkele geweldige methoden in ontwikkeling", legt Faught uit. "Het probleem waarmee we worden geconfronteerd, is dat deze niet direct beschikbaar zijn zonder op maat gemaakte software die intern is ontwikkeld of via speciale onderzoeksversies van door leveranciers geleverde applicaties ... [en er zijn] weinig studies die kwantitatieve richtlijnen geven over waar we naar moeten streven."
Strategieën voor behandelingsplanning
In een stap in de richting van op LET gebaseerde planevaluatie en optimalisatie voor fotonentherapie, voerden Faught en zijn team een onderzoek uit naar planningsstrategieën die commercieel beschikbaar zijn voor klinische teams voor intensiteitsgemoduleerde protonentherapie (IMPT). Hun studie, gerapporteerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Klinische Medische Fysica, introduceert enkele richtlijnen voor behandelplanners voor protonentherapie. "We wilden kijken naar enkele direct beschikbare behandelplanningstechnieken en hoe deze LET kunnen beïnvloeden", legt Faught uit.
De onderzoekers evalueerden de verschillen in dosisgewogen LET (LETd) tussen acht op de toekomst gebaseerde behandelingsplanningsbenaderingen toegepast op een cilindrisch waterfantoom en vier gevallen van hersentumoren bij kinderen (Faught merkt op dat door straling veroorzaakte toxiciteit een aandachtsgebied is voor het team). Ze vergeleken deze planningsstrategieën met een plan met tegenover elkaar liggende zijstralen (voor het fantoom) of met het oorspronkelijke klinische plan (voor patiënten), waarbij ze Monte Carlo secundaire berekeningen gebruikten om zowel de dosis als de LET te evalueren.d.
De onderzoekers ontdekten dat de geometrie van het behandelingsveld de grootste bijdrage leverde aan de locatie van gebieden met een hoge LET. Om de potentiële impact van biologische onzekerheden in verband met hoge LET te verminderendsuggereren ze dat behandelplanners grote snijhoeken gebruiken tussen behandelbundels en bundels vermijden die onmiddellijk stoppen in de buurt van kritieke structuren.
"Dit is geweldig nieuws, want het betekent dat een zorgvuldige selectie van het aantal behandelingsvelden en hun oriëntatie met betrekking tot nabijgelegen gezonde weefsels effectief kan zijn", zegt Faught. "Met enige bewuste gedachte vooraf, is dat iets waar alle behandelplanners rekening mee kunnen houden tijdens het planningsproces."
De onderzoekers ontdekten ook dat het gebruik van een range shifter de gemiddelde LET aanzienlijk verlaagded in het klinische doelvolume. Als gevolg hiervan raden ze aan om spaarzaam gebruik te maken van range shifters en alternatieve strategieën van spot-placement-beperkingen, en alleen wanneer klinieken de resulterende LET kunnen berekenend te evalueren aan de hand van alternatieve planningsstrategieën.
Vanwege de kleine steekproefomvang van de studie konden de onderzoekers geen duidelijke trend in LET vaststellend variaties in de klinische gevallen. Ze evalueerden niet de relatie tussen veranderingen in LET en een verandering in de waarschijnlijkheid van tumorcontrole of normale weefselcomplicaties.
Op LET gebaseerde plannen optimaliseren protontherapie
Hoewel de effecten van elke planningsbenadering op regio's met een hoge LET bescheiden waren, zegt Faught dat het belangrijk is om te erkennen dat de behandelplanningsstrategieën en aanbevelingen van het team evidence-based zijn en gemakkelijk in de klinische praktijk kunnen worden verwerkt.
“Ik hoop dat een van de afhaalmogelijkheden is dat wij als veld baat zouden hebben bij commerciële tools die de berekening van LET binnen het behandelingsplanningssysteem mogelijk maken. Sterker nog, we zouden graag manieren hebben om te optimaliseren met LET in gedachten. Deze studie was een goede brug totdat die tools op grotere schaal beschikbaar zijn”, zegt Faught.
