Trong một bài thuyết trình về Vật lý hay nhất tại Hội nghị thường niên AAPM, Eric Diffenderfer đã so sánh bốn kỹ thuật phân phối proton FLASH từ góc độ vật lý phóng xạ, hóa học phóng xạ và sinh học phóng xạ
Xạ trị FLASH - phân phối bức xạ điều trị với tốc độ liều cực cao - mang lại khả năng làm giảm đáng kể độc tính của mô bình thường trong khi duy trì hoạt động chống khối u. Trong khi hầu hết các nghiên cứu cho đến nay đều là tiền lâm sàng, điều trị bệnh nhân đầu tiên với FLASH được thực hiện tại Bệnh viện Đại học Lausanne vào năm 2019, và thử nghiệm lâm sàng đầu tiên ở người đã hoàn thành cộng dồn vào năm ngoái.
Hầu hết các nghiên cứu FLASH tiền lâm sàng, cũng như điều trị bệnh nhân, đều sử dụng điện tử. Nhưng các hệ thống điều trị proton cũng có thể cung cấp tỷ lệ liều FLASH và có thể chứng minh đặc biệt hứa hẹn cho việc sử dụng lâm sàng, cung cấp phân phối liều phù hợp hơn so với điện tử và khả năng điều trị các khối u sâu hơn. Các chùm proton có thể được phân phối bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau để tạo ra các cấu trúc tỷ lệ liều lượng theo thời gian-không gian riêng biệt. Vậy phương thức nào là tối ưu nhất để phân phối chùm proton FLASH?
Một nhóm do Eric Differfer từ Đại học Pennsylvania đang sử dụng mô hình tính toán để tìm hiểu. Diffenderfer (thay mặt cho tác giả đầu tiên trình bày Ray Dương từ BC Cancer) đã mô tả công việc của nhóm để xác định định lượng khía cạnh nào của cấu trúc tỷ lệ liều proton tối đa hóa hiệu ứng FLASH.
Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng bốn phương thức phân phối FLASH proton: quét chùm tia bút chì (PBS), cung cấp tỷ lệ liều tiêu cự tức thời cao nhất; tán xạ kép bằng cách sử dụng bộ lọc rãnh; tán xạ kép được điều chế phạm vi sử dụng bánh xe điều biến quay; và phương pháp tiếp cận PBS-RF kết hợp trong đó chùm bút chì được phân phối qua bộ lọc rãnh để chiếu xạ tất cả các độ sâu đồng thời.
Sau đó, họ so sánh tác động của các chế độ phân phối FLASH khác nhau này đối với sự tiết kiệm mô bình thường. Đặc biệt, họ đã kiểm tra ba chỉ số thay thế về sự tiết kiệm mô: hiệu ứng suy giảm oxy; động học của sự hình thành các loài gốc hữu cơ; và sự sống sót của các tế bào miễn dịch đang lưu hành.
Để mô hình hóa các số liệu này, mỗi kỹ thuật được sử dụng để cung cấp kế hoạch đỉnh Bragg trải rộng tương đương về mặt không gian với 11 lớp năng lượng cho mục tiêu 5x5x5 cm. Đầu ra cyclotron cho FLASH được định nghĩa là dòng chùm 500 nA, cho tốc độ liều khoảng 2 Gy / ms ở đỉnh Bragg.
Mô hình tính toán sự phân bố liều lượng trong không gian bằng cách sử dụng dữ liệu máy từ hệ thống điều trị proton IBA tại Penn. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng các kết quả đầu ra của mô hình để định lượng các thông số vật lý phóng xạ, hóa học phóng xạ và sinh học phóng xạ nói trên, trên cơ sở voxel-by-voxel. Diffenderfer lưu ý rằng tính linh hoạt của mô hình cho phép các thông số được tinh chỉnh để so sánh với các bằng chứng thực nghiệm mới.
Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên kiểm tra sự điều biến độ nhạy bức xạ thông qua hiệu ứng oxy: giả thuyết rằng sự suy giảm oxy ở tốc độ liều cực cao bắt chước tình trạng thiếu oxy trong các mô bình thường, khiến chúng trở nên bền với bức xạ hơn. Diffenderfer đã chỉ ra rằng ở tốc độ liều cực cao, sự suy giảm oxy thoáng qua xảy ra khác nhau theo không gian và thời gian và làm giảm sự lắng đọng liều hiệu quả.
Nhóm nghiên cứu đã tính toán mức độ suy giảm và phục hồi oxy phụ thuộc vào tỷ lệ liều lượng, đồng thời xác định sự lắng đọng năng lượng so với nồng độ oxy cho tất cả bốn chế độ phân phối. Kỹ thuật lai PBS-RF cho thấy sự thay đổi nồng độ oxy giảm xuống đáng kể nhất.
Oxy chỉ là một trong một số loài phụ thuộc vào tỷ lệ liều lượng tạo điều kiện hình thành các gốc hữu cơ, một tiền chất được biết đến gây tổn thương DNA. Vì vậy, tiếp theo, các nhà nghiên cứu sử dụng các phương trình tốc độ phóng xạ để xác định nồng độ của các gốc hữu cơ theo thời gian, với diện tích tích lũy dưới đường cong là một thước đo thay thế cho tổn thương DNA. Đối với tất cả bốn phương pháp phân phối, FLASH đã giảm mức độ thiệt hại so với phương pháp chiếu xạ thông thường tương ứng.
Một cơ chế tiềm năng khác được đề xuất để giải thích hiệu ứng tiết kiệm mô của FLASH là giảm tỷ lệ chết do bức xạ của các tế bào miễn dịch đang lưu hành ở tốc độ liều cực cao. Để điều tra điều này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một mô hình sinh học phóng xạ xem xét cách bức xạ giao nhau với máu lưu thông để định lượng sự tồn tại của các tế bào miễn dịch.
Lập đồ thị tỷ lệ tế bào miễn dịch bị giết theo hàm của tỷ lệ liều cho bốn kỹ thuật cho thấy PBS gây chết tế bào nhiều nhất, có thể là do nó cho phép nhiều thời gian nhất để các phần khác nhau của máu tiếp xúc với bức xạ.
Proton FLASH có thể chứng minh là tối ưu cho ứng dụng lâm sàng không?
Nhìn chung, cả ba mô hình cơ học đều nhất trí về thứ hạng của chúng, với mô hình PBS-RF ít mô nhất. Các kỹ thuật phân phối kém hiệu quả nhất là PBS, có thể là do thời gian kéo dài vốn có của nó (đặc biệt đối với chuyển đổi lớp năng lượng) cho phép bổ sung oxy đáng kể, tăng khả năng lưu giữ các gốc và giảm khả năng sống sót của tế bào miễn dịch.
Diffenderfer kết luận: “Chúng tôi đã xác định sự khác biệt trong cấu trúc tỷ lệ liều lượng theo không gian-thời gian cho các kỹ thuật phân phối khác nhau và cách thức ảnh hưởng đến việc tiết kiệm mô ở tốc độ liều siêu cao, theo một cách tinh tế hơn là chỉ nhìn vào tỷ lệ liều trung bình tại trường,” Diffenderfer kết luận. Phát hiện của nhóm có thể mở đường để hiểu rõ hơn và điều chỉnh cấu trúc không gian-thời gian của các kế hoạch xử lý proton để tối đa hóa hiệu ứng FLASH.
