Терапия частицами – лечение рака с использованием пучков протонов или более тяжелых ионов – обеспечивает высококонформную доставку дозы и большее сохранение нормальных тканей, чем традиционная фотонная лучевая терапия. Но для долговременно выживших после рака риск радиационно-индуцированного вторичного рака (РК) важен, и его следует учитывать при выборе метода лечения.
Поскольку эпидемиологических данных по новым методам лечения, таким как протонная и углеродно-ионная терапия, недостаточно, группа специалистов возглавила Центр исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI разрабатывает модель для сравнения рисков ПК при различных методах терапии частицами. Модель, описанная Антония Хуфнагл и коллеги в Медицинская физика, в конечном итоге может быть включено в системы планирования лечения, чтобы включить риск SC в качестве дополнительного критерия оптимизации.
Летальные и канцерогенные события
Модели риска SC обычно работают, рассматривая баланс между уничтожением клеток (ведущим к подавлению рака) и трансформацией клеток (индуцирование мутаций, которые в конечном итоге приводят к раку). Вероятность того, что в облученном объеме разовьется рак, определяется с использованием линейно-квадратичной (LQ) модели, которая обеспечивает простую зависимость между выживаемостью клеток и доставленной дозой фотонов.
В этом исследовании исследователи использовали модель локального эффекта (LEM) для прогнозирования относительной биологической эффективности (ОБЭ) индукции SC после терапии частицами. Чтобы учесть увеличение ОБЭ излучения частиц, они заменили параметры LQ фотонов в модели риска на параметры LQ ионного пучка, предсказанные LEM. Ключевой особенностью их подхода является использование LEM как для уничтожения клеток, так и для индукции рака.
«Двойное использование LEM отражает конкуренцию между двумя основными процессами, определяющими развитие SC, а именно трансформацией клеток и уничтожением клеток», — объясняет старший автор. Майкл Шольц. «С увеличением дозы и/или эффективности уничтожение клеток может подавить жизнеспособность трансформированных клеток. Это приводит к сложному взаимодействию, которое иначе невозможно отразить в одноэтапной процедуре».
Чтобы выяснить, какие факторы влияют на риск развития SC, исследователи использовали систему планирования TPS TRiP98 для создания биологически оптимизированных планов лечения ионами углерода и протонами на основе идеализированной геометрии. По планам мишень размером 4x4x4 см облучалась одним пучком частиц или двумя противоположными пучками, с органом риска (OAR) размером 4x4x1 см перед мишенью. Из-за неопределенностей в параметрах LQ фотонов, используемых в качестве входных данных для LEM, они оценили отношения риска протонов к ионам углерода, а не отдельные значения риска.
Для этих идеализированных установок модель не показала явного предпочтения ни протонам, ни ионам углерода, но выявила сложную зависимость от различных параметров. Уменьшенное боковое рассеяние ионов углерода приводит к меньшему риску ПК, чем протонов во входном канале. Однако ионы углерода оставляют более высокую дозу позади мишени из-за хвоста фрагментации, увеличивая риск ПК для ОАР позади опухоли после облучения ионами углерода.
Для однолучевых планов общий риск SC был примерно в 1.5 раза выше для ионов углерода, чем для протонов. При использовании двух противоположных пучков общий риск ПК был в 1.16 раза выше для протонов, хотя он сильно варьировался в зависимости от пространственного положения предполагаемого чувствительного объема по отношению к объему мишени.
Радиочувствительность тканей (к фотонам) оказала большое влияние на соотношение рисков ПК: радиорезистентные ОАР получали от обработки ионами углерода, а чувствительные ОАР от протонных пучков. Напротив, схема фракционирования мало повлияла на ожидаемые значения риска.
Геометрия пациента
Чтобы исследовать клинические сценарии, Шольц и его коллеги оценили риск развития ПК у 10 пациентов с раком простаты, ранее проходивших лечение фотонной лучевой терапией в Каролинской университетской больнице. Они разработали планы лечения пациентов, используя два латерально противоположных сканированных поля протонов и ионов углерода.
Как было видно ранее, хвост фрагментации ионов углерода привел к образованию большой области низкой дозы позади мишени. Однако целевая область высоких доз была более конформной для ионов углерода, чем для протонных планов.
Команда рассчитала соотношение риска развития SC от протонов к ионам углерода для четырех OAR (мочевой пузырь, прямая кишка, кости и кожа) для 10 пациентов. Для костей и кожи протонные планы привели к несколько более высокому риску ПК, чем углеродно-ионные планы, со средними коэффициентами риска 1.19 и 1.06 для костей и кожи соответственно. Однако для мочевого пузыря и прямой кишки протонные планы привели к значительному снижению риска развития РШ: коэффициенты риска для мочевого пузыря и прямой кишки составили 0.68 и 0.49 соответственно.
Исследователи приходят к выводу, что данные, полученные с помощью этой модели, могут помочь оптимизировать будущие методы лечения. В настоящее время моделирование относительного риска в основном подходит в качестве инструмента сравнения различных сценариев лечения для разных групп пациентов. Но Шольц отмечает, что включить такие модели в планирование лечения отдельных пациентов было бы несложно.
Терапия ионами углерода щадит здоровые ткани
«Для этого просто необходимо выполнить планирование для заданного распределения дозы с двумя различными наборами биологических параметров, представляющими уничтожение клеток и процесс трансформации клеток соответственно», — объясняет он. «Тогда для получения соответствующих распределений коэффициентов риска потребуется лишь некоторая постобработка полученных распределений трехмерных эффектов с помощью стандартных математических инструментов».
Следующим шагом, по его словам, является проверка модели путем сравнения с клиническими данными. «Поскольку в настоящее время этих данных недостаточно, важным следующим шагом будет расширение подхода, включив в него фотонную обработку и определение соответствующих соотношений риска протонов по сравнению с фотонами и ионов углерода по сравнению с фотонами», — говорит Шольц. Мир физики.
