FLASH-strålbehandling, där terapeutisk strålning levereras med en mycket hög doshastighet, visar löfte om att skona normala vävnader samtidigt som den tumördödning som ses vid konventionell strålbehandling bibehålls. De flesta studier hittills har utförts med hjälp av elektronstrålar, men FLASH-bestrålning kunde också levereras med protoner.
Protonterapi ger en låg integrerad dos till normal vävnad och skonar vävnad bakom tumören, tack vare Bragg-toppen – det djup på vilket protonstrålen avsätter större delen av sin dos. Men denna precisionsinriktning ger sina egna problem: marginaler behövs för att ta hänsyn till inexakt Bragg-topppositionering; robust planering krävs för att mildra organrörelser och anatomiska förändringar; och osäkerheter omger fördelningen av linjär energiöverföring (LET) och relativ biologisk effektivitet (RBE) nära Bragg-toppen.
Så skulle en kombination av protoner med FLASH-leverans kunna eliminera dessa brister? Enligt Frank Verhaegen från Maastro klinik, kan det faktiskt möjliggöra ett helt nytt sätt att leverera protoner, ett som inte alls förlitar sig på Bragg-toppen. "För ett tag sedan hade jag idén att om vi kunde göra FLASH-protoner så skulle vi kunna bli av med "tyranni" på Bragg-toppen", säger Verhaegen.
Tanken är att istället för att placera Bragg-toppar inuti målet, har protonstrålarna tillräckligt med energi för att resa rakt igenom och lämna patienten. Detta tillvägagångssätt placerar effektivt Bragg-topparna distalt i luften, en taktik som redan är vanlig inom preklinisk forskning där precisionsinriktning är svår inuti små djur.
Istället för att förlita sig på Bragg-toppen för vävnadssparande, utnyttjar denna genomskjutningsteknik den skyddande effekten av FLASH-bestrålning på friska vävnader. "Med FLASH skonas normal vävnad inte på grund av den låga dosen, utan just för att det är normal vävnad, som reagerar på ultrahöga doshastigheter på ett helt annat sätt", förklarar Verhaegen. "Då kan du bara skjuta protoner genom patienten och till och med använda dem bakom patienten för att utföra protonportalavbildning."
Verhaegen och kollegor har nu undersökt användningen av shoot-through FLASH-protonterapi i ett illustrativt fall av hjärntumör, och rapporterat sina fynd i Fysik inom medicin och biologi.
Bevis på principen
Forskarna skapade en proof-of-concept protonplan för en patient med en neurologisk tumör nära flera organ-at-risk (OAR) med strikta dosbegränsningar. Planen använde fyra protonstrålar riktade mot fyra fiktiva mål placerade utanför patienten, med strålarna optimerade för att leverera en ungefär enhetlig dos inuti målet. Teamet jämförde sedan denna fiktiva genomskjutande FLASH-plan med en konventionell klinisk protonplan med fyra strålar.
För genomskjutningsplanen antog forskarna en hypotetisk FLASH-skyddsfaktor för normala vävnader på 2. De noterar att den sparande effekten som hittills observerats i elektronbaserade FLASH-studier ligger mellan 1.4 och 1.8. Högre skyddsfaktorer har rapporterats för FLASH-protonstrålar, även om det är okänt om eller varför FLASH-protoner skulle uppvisa bättre skydd.
Preliminära dosberäkningar visade att genomskjutningsplanerna gav en acceptabel dos till målet. I de flesta fall var OAR-dosbegränsningarna uppfyllda eller nästan uppfyllda. Och för vissa OAR erbjuder FLASH-effekten potential att sänka den effektiva dosen under planeringsbegränsningarna. Genomskjutningsstrålarna ökade den integrerade dosen till hjärnan, men inkorporering av FLASH-skyddsfaktorn 2 reducerade den effektiva dosen till nära den för den kliniska planen som inte var FLASH.
Teamet påpekar att behandlingsplaneringssystemet som används i den här illustrationen inte var optimerat för genomskjutande FLASH, och att en algoritm som utvecklats specifikt för denna nya modalitet lättare borde uppfylla OAR-begränsningar.
Ser framåt
Klinisk implementering av shoot-through FLASH-protonterapi kan ge en rad fördelar, inklusive möjligheten att utföra dosimetri via protonportalavbildning. Hittills har sådan verifiering av protonterapi varit svårfångad, även om det finns ett stort behov av det. Shoot-through-metoden skulle också till största delen ta bort behovet av behandlingsmarginaler och eliminera problemet med LET- och RBE-osäkerheter.
Viktigt är att acceleratorer som kan leverera genomskjutande behandlingar för tumörer i huvud, hals och bröstkorg, med hjälp av 230–250 MeV protonstrålar, redan existerar. Bukbehandlingar skulle behöva högre protonenergier (300–350 MeV), även om detta inte skulle kräva ny acceleratorteknik, bara en uppskalning. Acceleratorer kan också vara betydligt enklare än nuvarande implementeringar, till exempel genom att ta bort behovet av strålenergimodulatorer.
Teamet noterar att laserbaserade protonacceleratorer kan erbjuda en stor fördel för FLASH på grund av deras ultrahöga doshastighet, men kan fortfarande kräva betydande utveckling för att nå tillräckligt hög energi för genomskjutningsbehandlingar.
I slutändan kommer den kliniska effekten av genomskjutande FLASH-protonterapi att vara starkt beroende av FLASH-skyddsfaktorn, som fortfarande är en okänd mängd. "Den skyddande faktorn kommer möjligen att bero på många parametrar, av vilka några kan vara okända för närvarande eftersom vi ännu inte har en förklaring till FLASH-effekten," noterade Verhaegen.
Efter denna proof-of-principe-studie studerar teamet nu ytterligare neurologiska fall, inklusive tumörer av olika storlek som ligger nära känsliga strukturer, berättar Verhaegen. Fysikvärlden.
- accelerator
- acceleratorer
- Konto
- Redovisning
- Fördel
- algoritm
- djur
- Stråle
- fall
- Gemensam
- Aktuella
- leverera
- leverans
- Utveckling
- Effektiv
- energi
- Utgång
- Mode
- Blixt
- stor
- Grön
- huvud
- Hög
- HTTPS
- Tanken
- bild
- Imaging
- Inverkan
- Inklusive
- informationen
- integrerad
- IT
- ljus
- Majoritet
- läkemedel
- Nära
- erbjudanden
- Erbjudanden
- planering
- Portal
- Precision
- skydd
- Skyddande
- Strålning
- område
- rates
- forskning
- Small
- studier
- Läsa på
- system
- Målet
- Teknologi
- berättar
- Terapeutisk
- terapi
- miniatyr
- vävnader
- färdas
- behandling
- Verifiering