Terapia con neutrones rápidos
Terapia con neutrones rápidos
Sala de tratamiento de pacientes para radioterapia con neutrones
CIE-10-PCSD?0?5ZZ
CIE-992.26
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La terapia con neutrones rápidos utiliza neutrones de alta energía , normalmente entre 50 y 70  MeV , para tratar el cáncer . La mayoría de los haces de terapia con neutrones rápidos se producen mediante reactores, ciclotrones (d+Be) y aceleradores lineales. La terapia con neutrones está disponible actualmente en Alemania, Rusia, Sudáfrica y Estados Unidos. En Estados Unidos, hay un centro de tratamiento en funcionamiento en Seattle, Washington. El centro de Seattle utiliza un ciclotrón que produce un haz de protones que incide sobre un objetivo de berilio .

Ventajas

La radioterapia mata las células cancerosas de dos maneras, dependiendo de la energía efectiva de la fuente radiactiva. La cantidad de energía depositada a medida que las partículas atraviesan una sección de tejido se conoce como transferencia de energía lineal (LET). Los rayos X producen una radiación de LET baja, y los protones y neutrones producen una radiación de LET alta. La radiación de LET baja daña las células predominantemente a través de la generación de especies reactivas de oxígeno, ver radicales libres . El neutrón no tiene carga y daña las células por efecto directo sobre las estructuras nucleares. Los tumores malignos tienden a tener niveles bajos de oxígeno y, por lo tanto, pueden ser resistentes a la radiación de LET baja. Esto da una ventaja a los neutrones en ciertas situaciones. Una ventaja es un ciclo de tratamiento generalmente más corto. Para matar la misma cantidad de células cancerosas, los neutrones requieren un tercio de la dosis efectiva que los protones. [1] Otra ventaja es la capacidad establecida de los neutrones para tratar mejor algunos cánceres, como el de las glándulas salivales, los carcinomas adenoides quísticos y ciertos tipos de tumores cerebrales, especialmente los gliomas de alto grado [2].

DEJAR

Comparación de electrones de LET bajo y electrones de LET alto

Cuando los rayos X de energía terapéutica (1 a 25 MeV) interactúan con las células en el tejido humano, lo hacen principalmente mediante interacciones Compton y producen electrones secundarios de energía relativamente alta. Estos electrones de alta energía depositan su energía a aproximadamente 1  keV / μm . [3] En comparación, las partículas cargadas producidas en un sitio de interacción de neutrones pueden entregar su energía a una tasa de 30-80 keV/μm. La cantidad de energía depositada a medida que las partículas atraviesan una sección de tejido se conoce como transferencia de energía lineal (LET). Los rayos X producen radiación de LET baja y los neutrones producen radiación de LET alta.

Debido a que los electrones producidos a partir de rayos X tienen alta energía y baja LET, cuando interactúan con una célula, normalmente solo se producirán unas pocas ionizaciones. Es probable entonces que la radiación de baja LET cause solo roturas de una sola hebra de la hélice de ADN. Las roturas de una sola hebra de las moléculas de ADN se pueden reparar fácilmente, por lo que el efecto sobre la célula diana no es necesariamente letal. Por el contrario, las partículas con alta carga de LET producidas a partir de la irradiación de neutrones causan muchas ionizaciones a medida que atraviesan una célula, por lo que son posibles las roturas de doble hebra de la molécula de ADN. La reparación del ADN de las roturas de doble hebra es mucho más difícil de reparar para una célula y es más probable que conduzca a la muerte celular.

Los mecanismos de reparación del ADN son bastante eficientes [4] y durante la vida de una célula se repararán miles de roturas de una sola cadena de ADN. Sin embargo, una dosis suficiente de radiación ionizante provoca tantas roturas de ADN que supera la capacidad de los mecanismos celulares para hacer frente a ellas.

La terapia con iones pesados ​​(por ejemplo, iones de carbono) utiliza la LET igualmente alta de los iones 12 C 6+ . [5] [6]

Debido al alto LET, el daño relativo por radiación (efecto biológico relativo o RBE ) de los neutrones rápidos es 4 veces mayor que el de los rayos X, [7] [8] lo que significa que 1 rad de neutrones rápidos es igual a 4 rads de rayos X. El RBE de los neutrones también depende de la energía, por lo que los haces de neutrones producidos con diferentes espectros de energía en diferentes instalaciones tendrán diferentes valores de RBE.

Efecto del oxígeno

La presencia de oxígeno en una célula actúa como un radiosensibilizador , haciendo que los efectos de la radiación sean más dañinos. Las células tumorales suelen tener un contenido de oxígeno menor que el tejido normal. Esta condición médica se conoce como hipoxia tumoral y, por lo tanto, el efecto del oxígeno actúa para disminuir la sensibilidad del tejido tumoral. [9] El efecto del oxígeno puede describirse cuantitativamente mediante el índice de mejora del oxígeno (OER). En general, se cree que la irradiación de neutrones supera el efecto de la hipoxia tumoral, [10] aunque existen contraargumentos. [11]

Usos clínicos

La eficacia de los rayos de neutrones para su uso en el cáncer de próstata se ha demostrado a través de ensayos aleatorios. [12] [13] [14] La terapia de neutrones rápidos se ha aplicado con éxito contra tumores de las glándulas salivales . [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] También se han tratado carcinomas quísticos adenoides . [23] [24] Se han examinado varios otros tumores de cabeza y cuello . [25] [26] [27]

Efectos secundarios

Ninguna terapia contra el cáncer está exenta de riesgos de efectos secundarios. La terapia con neutrones es un bisturí nuclear muy potente que debe utilizarse con sumo cuidado. Por ejemplo, algunas de las curaciones más notables que se han logrado con ella se han producido en cánceres de cabeza y cuello. Muchos de estos cánceres no pueden tratarse eficazmente con otras terapias. Sin embargo, el daño causado por los neutrones en áreas vulnerables cercanas, como el cerebro y las neuronas sensoriales, puede producir atrofia cerebral irreversible, ceguera, etc. El riesgo de estos efectos secundarios puede mitigarse en gran medida mediante varias técnicas, pero no puede eliminarse. Además, algunos pacientes son más susceptibles a estos efectos secundarios que otros y esto no se puede predecir. El paciente, en última instancia, debe decidir si las ventajas de una posible curación duradera superan los riesgos de este tratamiento cuando se enfrenta a un cáncer que de otro modo sería incurable. [28]

Centros de neutrones rápidos

Varios centros en todo el mundo han utilizado neutrones rápidos para tratar el cáncer. Debido a la falta de financiación y apoyo, en la actualidad solo tres están activos en los EE. UU. La Universidad de Washington y el Centro de Oncología Radioterapéutica Gershenson utilizan haces de terapia de neutrones rápidos y ambos están equipados con un colimador multihojas (MLC) para dar forma al haz de neutrones. [29] [30] [31]

Universidad de Washington

El Departamento de Oncología Radioterapéutica [32] opera un ciclotrón de protones que produce neutrones rápidos al dirigir protones de 50,5 MeV hacia un objetivo de berilio. El ciclotrón de la UW está equipado con un sistema de suministro montado en un pórtico, un MLC, para producir campos con forma. El sistema de neutrones de la UW se conoce como el Sistema de Terapia Clínica de Neutrones (CNTS). [33] El CNTS es un sistema típico de la mayoría de los sistemas de terapia de neutrones. Se requiere un edificio grande y bien protegido para reducir la exposición a la radiación del público en general y para albergar el equipo necesario.

Universidad de Washington CNTS
  • Ciclotrón de la Universidad de Wisconsin
    Ciclotrón de la Universidad de Wisconsin
  • Colimador de hojas múltiples (MLC) utilizado para dar forma al haz de neutrones
    Colimador de hojas múltiples (MLC) utilizado para dar forma al haz de neutrones
  • Esquema de un campo de tratamiento. Se ha girado la camilla del paciente junto con el pórtico para que el haz de neutrones entre de forma oblicua y se evite al máximo el tejido normal.
    Esquema de un campo de tratamiento. Se ha girado la camilla del paciente junto con el pórtico para que el haz de neutrones entre de forma oblicua y se evite al máximo el tejido normal.
  • Ejemplo de un campo de neutrones de tratamiento colimado utilizando un MLC de neutrones
    Ejemplo de un campo de neutrones de tratamiento colimado utilizando un MLC de neutrones

Una línea de luz transporta el haz de protones desde el ciclotrón hasta un sistema de pórtico. El sistema de pórtico contiene imanes para desviar y enfocar el haz de protones sobre el objetivo de berilio. El extremo del sistema de pórtico se denomina cabeza y contiene sistemas de dosimetría para medir la dosis, junto con el MLC y otros dispositivos de modelado del haz. La ventaja de tener un transporte de haz y un pórtico es que el ciclotrón puede permanecer estacionario y la fuente de radiación puede rotar alrededor del paciente. Además de variar la orientación de la camilla de tratamiento en la que se coloca al paciente, la variación de la posición del pórtico permite dirigir la radiación desde prácticamente cualquier ángulo, lo que permite preservar el tejido normal y administrar la dosis máxima de radiación al tumor.

Durante el tratamiento, solo el paciente permanece dentro de la sala de tratamiento (llamada bóveda) y los terapeutas controlarán el tratamiento de forma remota, observando al paciente a través de cámaras de video. Cada aplicación de un haz de neutrones con una geometría determinada se denomina campo o haz de tratamiento. La aplicación del tratamiento se planifica para administrar la radiación de la manera más eficaz posible y, por lo general, da como resultado campos que se adaptan a la forma del objetivo macroscópico, con cualquier extensión para cubrir la enfermedad microscópica.

Centro Oncológico Karmanos / Universidad Estatal de Wayne

La instalación de terapia con neutrones del Centro de Oncología Radioterapéutica Gershenson del Centro Oncológico Karmanos/Universidad Estatal Wayne (KCC/WSU) en Detroit tiene algunas similitudes con el CNTS de la Universidad de Washington, pero también tiene muchas características únicas. Esta unidad fue desmantelada en 2011.

MLC en el ciclotrón KCC/WSU
  • Esquema de MLC
    Esquema de MLC
  • Fotografía del MLC
    Fotografía del MLC
  • Esquema del ciclotrón superconductor montado en el pórtico KCC/WSU
    Esquema del ciclotrón superconductor montado en el pórtico KCC/WSU

Mientras que el CNTS acelera los protones, la instalación del KCC produce su haz de neutrones acelerando deuterones de 48,5 MeV sobre un objetivo de berilio. Este método produce un haz de neutrones con características de dosis en profundidad aproximadamente similares a las de un haz de fotones de 4 MV. Los deuterones se aceleran utilizando un ciclotrón superconductor montado en un pórtico (GMSCC), lo que elimina la necesidad de imanes de dirección del haz adicionales y permite que la fuente de neutrones gire 360° completos alrededor de la camilla del paciente.

Las instalaciones del KCC también están equipadas con un dispositivo de modelado de haz MLC, [34] el único otro centro de terapia de neutrones en los EE. UU. además del CNTS. El MLC en las instalaciones del KCC se ha complementado con un software de planificación de tratamiento que permite la implementación de la radioterapia de neutrones de intensidad modulada (IMNRT), un avance reciente en la terapia de haz de neutrones que permite una mayor dosis de radiación al sitio del tumor objetivo que la terapia de neutrones 3-D. [35]

KCC/WSU tiene más experiencia que nadie en el mundo en el uso de la terapia de neutrones para el cáncer de próstata, habiendo tratado a casi 1.000 pacientes durante los últimos 10 años.

Fermilab / Universidad del Norte de Illinois

El centro de terapia de neutrones del Fermilab comenzó a tratar pacientes en 1976 [36] y desde entonces ha tratado a más de 3.000 pacientes. En 2004, la Northern Illinois University comenzó a gestionar el centro. Los neutrones producidos por el acelerador lineal del Fermilab tienen las energías más altas disponibles en los EE. UU. y están entre las más altas del mundo [37] [38] [39]

El centro Fermilab fue clausurado en 2013. [40]

Véase también

Referencias

  1. ^ Keyhandokht Shahri, Laleh Motavalli y Hashem Hakimabad. "Aplicaciones de neutrones en el tratamiento del cáncer", Revista helénica de medicina nuclear 14:2 (mayo-agosto de 2011)
  2. ^ Feng-Yi Yang, Wen-Yuan Chang, Jia-Je Li, Hsin-Ell Wang, Jyh-Cheng Chen y Chi-Wei Chang."Análisis farmacocinético y captación de 18F-FBPA-Fr después de la disrupción de la barrera hematoencefálica inducida por ultrasonido para una posible mejora de la administración de boro para la terapia de captura de neutrones" Journal of Nuclear Medicine 55:616–621(2014)
  3. ^ Johns HE y Cunningham JR. La física de la radiología. Charles C Thomas 3.ª edición 1978
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  6. ^ Centro Alemán de Investigación del Cáncer
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  8. ^ Theron T, Slabbert J, Serafin A y Böhm L. Los méritos de los parámetros cinéticos celulares para la evaluación de la radiosensibilidad celular intrínseca a la irradiación con fotones y neutrones de transferencia de energía lineal alta. Revista internacional de oncología radioterápica, biología y física, volumen 37, número 2, 15 de enero de 1997, páginas 423-428
  9. ^ Vaupel P, Harrison L. Hipoxia tumoral: factores causales, mecanismos compensatorios y respuesta celular The Oncologist 2004;9(suppl 5):4–9
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  40. ^ Terapia con neutrones
  • Descripción general de la terapia con neutrones en FermiLab
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