Plataforma de raios X com taxa de dose ultra-alta se alinha para pesquisa radiobiológica FLASH – Physics World

Plataforma de raios X com taxa de dose ultra-alta se alinha para pesquisa radiobiológica FLASH – Physics World

Carimbo de data / hora: 23 de fevereiro de 2024 7h00

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform-lines-up-for-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg" data-caption="Primeiros experimentos de linha de luz Primeiro autor, Nolan Esplen, na Estação de Pesquisa de Irradiação FLASH do TRIUMF. (Cortesia: Luca Egoriti)” title=”Clique para abrir a imagem no pop-up” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ultrahigh-dose-rate-x-ray-platform- alinhamentos-para-flash-radiobiological-research-physics-world.jpg”>Nolan Esplen na Estação de Pesquisa de Irradiação FLASH no TRIUMF
Primeiros experimentos de linha de luz Primeiro autor, Nolan Esplen, na Estação de Pesquisa de Irradiação FLASH do TRIUMF. (Cortesia: Luca Egoriti)

Pesquisadores no Canadá caracterizaram uma plataforma de irradiação de raios X para estudos radiobiológicos de radioterapia FLASH – uma técnica emergente de tratamento de câncer que utiliza irradiação de taxa de dose ultra-alta (UHDR). A plataforma, chamada de Estação de Pesquisa de Irradiação FLASH no TRIUMF, ou “FIRST”, pode fornecer feixes de raios X de 10 MV em taxas de dose superiores a 100 Gy/s.

Localizado na linha de luz ARIEL em TRIUNFO, centro acelerador de partículas do Canadá, o FIRST é atualmente a única plataforma de irradiação desse tipo na América do Norte. Globalmente, existem duas linhas de luz experimentais de raios X de megavoltagem UHDR: uma no TRIUMF em Vancouver e outra em Chengdu, na Academia Chinesa de Engenharia Física, laser de elétrons livres terahertz.

Os raios X de megavoltagem requerem especificações modestas de acelerador quando comparados com outras modalidades usadas para tratar tumores profundos, dizem os pesquisadores, e o FIRST pode oferecer irradiações de megavoltagem convencionais e UHDR em uma linha de luz comum.

“Há uma lacuna na disponibilidade de fontes de raios X com taxas de dose ultra-altas; é uma necessidade não atendida no campo e não há plataforma comercial disponível para fornecer esse tipo de radiação rotineiramente”, explica Nolan Esplen, pesquisador de pós-doutorado no MD Anderson Cancer Center. “Este projeto colaborativo de vários anos [com TRIUMF]… foi uma oportunidade para aproveitar este laboratório único com acesso a um linac eletrônico supercondutor de alta energia para produzir o tipo de radiação que queremos observar para a pesquisa radiobiológica FLASH.”

Esplen conduziu experimentos de caracterização FIRST enquanto era estudante de graduação na Universidade de Victoria trabalhando no Laboratório XCITE. O último estudo da equipe de pesquisa, publicado em Natureza relatórios científicos, apresenta uma caracterização abrangente dos primeiros experimentos pré-clínicos e iniciais. O trabalho de simulação foi publicado em 2022 em Física em Medicina e Biologia.

“Já estamos envolvidos em irradiações com taxas de dose ultra-altas já há algum tempo”, diz o diretor do Laboratório XCITE Magdalena Bazalova-Carter. “Começamos a conversar com o pessoal da TRIUMF sobre a linha de luz ARIEL e como, se construíssemos um alvo para essa linha de luz, que tipo de taxas de dose de raios X obteríamos. Foi assim que tudo começou.”

Primeiras da FIRST

Os pesquisadores exploraram um subconjunto de parâmetros de feixe disponíveis e clinicamente relevantes para caracterizar o FIRST sob UHDR e operação convencional de taxa de dose. Eles fixaram a energia do feixe de elétrons em 10 MeV para maximizar as taxas de dose e atingir a longevidade, e definiram a corrente do feixe (corrente de pico) entre 95 e 105 µA. As taxas de dose foram calculadas usando dosimetria de filme.

Taxas de dose acima de 40 Gy/s foram alcançadas em até 4.1 cm de profundidade para um tamanho de campo de 1 cm. Comparado com um feixe clínico de 10 MV, o FIRST ofereceu um acúmulo de dose superficial reduzido. Em relação às fontes de elétrons de baixa energia, o FIRST ofereceu uma queda de dose mais gradual além dmax (a profundidade da dose máxima). A equipe observa que a presença de gradientes superficiais de dose-profundidade íngremes levou a problemas de heterogeneidade de dose que atualmente restringem as aplicações ao trabalho pré-clínico. As limitações de estabilidade da fonte levaram a variações na corrente e na dose.

Informados pelos estudos de caracterização, os pesquisadores então usaram o FIRST para fornecer UHDR (acima de 80 Gy/s) e irradiação convencional de raios X de baixa taxa de dose aos pulmões de camundongos saudáveis. Eles administraram com sucesso doses de 15 e 30 Gy dentro de 10% da prescrição a 1 cm de profundidade. Os efeitos das heterogeneidades do tecido pulmonar não foram corrigidos (o estudo de design do grupo apontou para perturbações insignificantes nas energias do feixe de megatensão). A saída da fonte de elétrons e a variância da dosimetria do filme dominaram as incertezas nas medições de dose pré-tratamento.

As lições aprendidas

O espaço físico onde o FIRST está localizado foi originalmente concebido – e ainda serve como – um depósito de feixes (onde um feixe de partículas carregadas pode ser absorvido com segurança). Isso levou a alguns desafios de design únicos para o FIRST.

“Não havia base para fazer o que estávamos fazendo e também foi uma oportunidade de desenvolvimento para a TRIUMF. Muita gente aprendeu sobre o sistema, as nuances desse tipo de entrega e o que fizemos bem e o que poderíamos fazer melhor no futuro”, afirma Esplen. “Como se trata de uma instalação que está em desenvolvimento, fomos uma primeira oportunidade científica – é um ambiente muito dinâmico. Temos alguns colaboradores e físicos de feixe extremamente talentosos que trabalharam para definir todos os parâmetros ópticos das linhas de luz para que pudéssemos fornecer um feixe minimamente dispersivo de tamanho correto no alvo.”

No momento dos experimentos dos pesquisadores, apenas um par fantasma ou um único rato poderia ser irradiado a cada 45 minutos após contabilizar a configuração, entrega e desligamento da plataforma. E após cada ajuste feito na linha de luz e no próprio feixe, os pesquisadores tiveram que reajustar o feixe para confirmar sua saída e dosimetria.

“É uma história diferente da física médica clínica. Quando você realiza experimentos em um linac em um hospital, uma pessoa pode cuidar de todo o experimento… Esta é uma situação muito diferente”, diz Bazalova-Carter. “Cinco pessoas tiveram que operar a linha de luz [para esses experimentos] para monitorar todas as telas – e embora nem todas tenham sido usadas para nossos experimentos, acho que contei 113 telas na sala de controle… Foi muito interessante que nós poderia obter um acordo de dose muito decente entre simulações e experimentos de Monte Carlo, dado o quão desafiadores esses experimentos são.”

Apesar de tais obstáculos, as vantagens da plataforma FIRST incluem o controle sobre os principais parâmetros da fonte, incluindo frequência de repetição de pulso, corrente de pico, energia do feixe e potência média.

“Fomos os primeiros utilizadores da linha de luz ARIEL”, reflecte Bazalova-Carter. “Foi extremamente gratificante, depois de muitos anos de trabalho neste projeto, poder realmente realizar experimentos de irradiação em ratos.”

Um estudo de acompanhamento radiobiológico será realizado em breve.

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