Terapia cząsteczkowa – leczenie raka przy użyciu wiązek protonów lub cięższych jonów – zapewnia wysoce zgodne dostarczanie dawki i większe oszczędzanie normalnych tkanek niż konwencjonalna radioterapia oparta na fotonach. Jednak w przypadku osób, które długotrwale przeżyły raka, ryzyko wtórnego raka wywołanego promieniowaniem (SC) jest ważne i należy je wziąć pod uwagę przy wyborze metody leczenia.
Ponieważ brakowało danych epidemiologicznych na temat nowszych terapii, takich jak terapia protonowa i jonowo-węglowa, zespół badawczy udał się do Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtz opracowuje model umożliwiający porównanie ryzyka SC pomiędzy metodami terapii cząsteczkowej. Model opisany przez Antonia Hufnagl i koledzy w Fizyka medyczna, można ostatecznie włączyć do systemów planowania leczenia, aby uwzględnić ryzyko SC jako dodatkowe kryterium optymalizacji.
Zdarzenia śmiertelne a rakotwórcze
Modele ryzyka SC zazwyczaj działają poprzez rozważenie równowagi pomiędzy zabijaniem komórek (prowadzącym do supresji raka) a transformacją komórek (indukcją mutacji, które ostatecznie prowadzą do raka). Prawdopodobieństwo, że w napromieniowanej objętości rozwinie się nowotwór, określa się za pomocą modelu liniowo-kwadratowego (LQ), który zapewnia prostą zależność między przeżyciem komórek a dostarczoną dawką fotonów.
W tym badaniu naukowcy wykorzystali model efektu lokalnego (LEM), aby przewidzieć względną skuteczność biologiczną (RBE) indukcji SC po terapii cząsteczkowej. Aby uwzględnić zwiększone RBE promieniowania cząstek, zastąpili parametry LQ fotonów w modelu ryzyka parametrami LQ wiązki jonów przewidywanymi przez LEM. Kluczową cechą ich podejścia jest wykorzystanie LEM zarówno do zabijania komórek, jak i wywoływania raka.
„Podwójne zastosowanie LEM odzwierciedla konkurencję między dwoma głównymi procesami determinującymi rozwój SC, a mianowicie transformacją komórek i zabijaniem komórek” – wyjaśnia starszy autor Michał Scholz. „Wraz ze wzrostem dawki i/lub skuteczności zabijanie komórek może obniżyć żywotność transformowanych komórek. Prowadzi to do złożonej zależności, której nie da się po prostu odzwierciedlić w jednoetapowej procedurze”.
Aby zbadać, które czynniki wpływają na ryzyko SC, badacze wykorzystali system planowania TPS TRiP98 do wygenerowania biologicznie zoptymalizowanych planów oczyszczania jonami węgla i protonami w oparciu o wyidealizowaną geometrię. Plany naświetlały cel o wymiarach 4x4x4 cm pojedynczą wiązką cząstek lub dwiema przeciwległymi wiązkami, z zagrożonym narządem (OAR) o wymiarach 4x4x1 cm przed celem. Ze względu na niepewność co do parametrów LQ fotonów wykorzystywanych jako dane wejściowe dla LEM, oszacowano współczynniki ryzyka protonu do jonów węgla, a nie indywidualne wartości ryzyka.
W przypadku tych wyidealizowanych układów model nie wykazał wyraźnej preferencji ani protonów, ani jonów węgla, ale ujawnił złożoną zależność od różnych parametrów. Zmniejszone boczne rozpraszanie jonów węgla prowadzi do mniejszego ryzyka SC niż protony w kanale wejściowym. Jednakże jony węgla odkładają wyższą dawkę za celem ze względu na ogon fragmentacyjny, zwiększając ryzyko SC dla OAR za guzem po napromieniowaniu jonami węgla.
W przypadku planów jednowiązkowych całkowite ryzyko SC było w przybliżeniu 1.5 razy wyższe w przypadku jonów węgla niż w przypadku protonów. Przy dwóch przeciwległych wiązkach całkowite ryzyko SC było 1.16 razy wyższe dla protonów, choć różniło się znacznie w zależności od przestrzennego położenia przyjętej objętości wrażliwej w stosunku do objętości docelowej.
Wrażliwość tkanek na promieniowanie (na fotony) miała duży wpływ na współczynnik ryzyka SC, przy czym radioodporne OAR skorzystały na obróbce jonami węgla, a wrażliwe OAR na wiązkach protonów. Natomiast schemat frakcjonowania miał niewielki wpływ na oczekiwane wartości ryzyka.
Geometria pacjenta
Aby zbadać scenariusze kliniczne, Scholz i współpracownicy oszacowali ryzyko SC u 10 pacjentów z rakiem prostaty leczonych wcześniej radioterapią fotonową w Szpitalu Uniwersyteckim Karolinska. Wygenerowali plany leczenia pacjentów, korzystając z dwóch przeciwległych zeskanowanych pól protonowych i jonów węgla.
Jak widać wcześniej, ogon fragmentacyjny jonów węgla spowodował powstanie dużego obszaru o niskiej dawce za celem. Jednakże obszar docelowy o dużej dawce był bardziej zgodny z jonami węgla niż plany protonowe.
Zespół obliczył współczynnik ryzyka SC pomiędzy protonem a jonem węgla dla czterech OAR (pęcherz, odbytnica, kości i skóra) u 10 pacjentów. W przypadku kości i skóry plany protonowe wiązały się z nieco wyższym ryzykiem SC niż plany jonowe, przy medianie współczynników ryzyka wynoszących odpowiednio 1.19 i 1.06 dla kości i skóry. Jednakże w przypadku pęcherza i odbytnicy plany protonowe skutkowały znacznie niższym ryzykiem SC, przy współczynnikach ryzyka wynoszących odpowiednio 0.68 i 0.49 dla pęcherza i odbytnicy.
Naukowcy doszli do wniosku, że spostrzeżenia uzyskane dzięki temu modelowi mogą pomóc w optymalizacji przyszłych terapii. Obecnie modelowanie ryzyka względnego nadaje się głównie jako narzędzie do porównywania różnych scenariuszy leczenia dla różnych grup pacjentów. Scholz zauważa jednak, że włączenie takich modeli do planowania leczenia poszczególnych pacjentów byłoby proste.
Terapia siecią jonów węglowych oszczędza zdrową tkankę
„Wymaga to jedynie planowania dla danego rozkładu dawki z dwoma różnymi zestawami parametrów biologicznych, reprezentującymi odpowiednio proces zabijania komórek i proces transformacji komórek” – wyjaśnia. „Następnie potrzebna jest jedynie obróbka końcowa uzyskanych rozkładów efektów 3D za pomocą standardowych narzędzi matematycznych, aby uzyskać odpowiednie rozkłady współczynnika ryzyka”.
Następnym krokiem, jak mówi, jest walidacja modelu poprzez porównanie z danymi klinicznymi. „Ponieważ obecnie tych danych jest niewiele, kolejnym ważnym krokiem byłoby rozszerzenie podejścia o obróbkę fotonową i określenie odpowiednich współczynników ryzyka dla protonów w porównaniu z fotonami oraz jonów węgla w porównaniu z fotonami” – mówi Scholz Świat Fizyki.
