Principi base della terapia con adroni
L’adroterapia consiste nell’impiego di protoni, ioni (carbonio, ossigeno, neon) ed anche
neutroni nella terapia delle patologie neoplastiche, sfruttando le loro particolari proprietà
fisiche e radiobiologiche.
I primi trattamenti sono stati effettuati a Berkeley nel 1954 con i protoni e nel 1957 con
gli ioni.
Successivamente numerosi centri, hanno iniziato a trattare pazienti con adroni (Loma
Linda, California; Chiba, Giappone).
Per la protonterapia si usano o "ciclotroni" di 3-4
metri di diametro [In un ciclotrone gli adroni percorrono
un'orbita a spirale], oppure "sincrotroni" di 6-8 metri di
diametro [In un sincrotrone gli adroni percorrono una
stessa orbita circolare un milione di volte].
Invece per la terapia con ioni carbonio si impiegano
"sincrotroni" di 20-25 metri [Il sincrotrone del Centro
Nazionale di Adroterapia].
Terapia con fotoni, elettroni, neutroni e protoni
Fotoni:
Diffusione laterale e distribuzione della dose in
profondità non è selettiva a causa della decrescita
esponenziale della deposizione di energia; (30 MeV)
Elettroni:
migliore distribuzione di dose in profondità ma la
considerevole diffusione laterale ne limita l'utilizzo
tumori localizzati in profondità; (30 MeV)
Neutroni:
trattamento di tumori radioresistenti a causa della
grande deposizione di energia anche se, come i fotoni,
presentano assorbimento di tipo esponenziale; (30 MeV)
Protoni:
ottima accuratezza balistica rispetto ai precedenti
(trattamento di organi critici) ma stessa efficacia dei
fotoni e degli elettroni nel trattamento dei tumori
radioresistenti; (200 MeV)
"... si stima che circa il 20% dei tumori sia radioresistente a terapia con elettroni e fotoni"
L'effetto della irradiazione dipende sia dal tipo di radiazione
utilizzata che dalle caratteristiche del tessuto irradiato:
• Dose assorbita (E/m)
• LET
• Ossigenazione
LET (Linear Energy Transfer) = E / x
EBR (Efficacia Biologica Relativa) = D / Drad
OER (Oxigen Enhancement Ratio) = Dreale / Doss
(Doss è la dose in aria per il tessuto completamente ossigenato in aria a pressione normale)
Deq = D  EBR
Curve Dose-Effetto
L’obiettivo della radioterapia è il controllo locale del tumore con max
risparmio tessuti sani.
Rapporto Terapeutico R: rapporto tra la dose D2 corrispondente al 50% di probabilità di
fare danni e la dose D1 corrispondente al 50% di probabilità di ottenere il controllo locale
del tumore:  R se  “selettività balistica”,  LET ( EBR  OER)
Valori di LET (Linear Energy Transfer) per varie particelle
Gli ioni carbonio hanno un LET 100 volte maggiore del LET dei fasci
convenzionali di fotoni (rad. densamente ionizzanti):
•  fenomeni di riparazione cellulare (prod. diretta radicali liberi-doppia rottura
elica DNA)
•  differenze di radio-sensitività (tutte le pop. di cellule in tutte le condizioni
rispondono allo stesso modo)
RBE=
dose of reference radiation
dose of test radiation
EBR con valore di sopravvivenza > 10%
Ad  LET  l’EBR, dunque gli ioni C ed Ne sono più efficaci dei fotoni (e
dei protoni) nel danneggiamento delle cellule anche di un fattore 3.
E' necessario determinare l‘EBR di un fascio terapeutico nei vari punti del
tessuto attraversato in quanto il fascio varia il suo LET nel percorso
attraversato. (metodi montecarlo)
dose in N2 for surviving fraction, S/S0
OER =
dose in O2 for surviving fraction, S/S0
Survival curves for culturaed
mammalian cells exposed to
x-rays under oxic or hypoxic
conditions, illustrated the
radiation dose-modifying
effect of oxygen. Note that the
broken line extrapolate back
to the same point on the
survival axis (n=5.5).
OER (Oxigen Enhauncement Ratio)
Ad  LET  l'OER, dunque gli ioni C ed Ne sembrano efficaci nella terapia
di tumori poco ossigenati (cellule ipossiche)
Adroterapia
Per protoni o ioni più pesanti la qualità della radiazione varia durante
l’attraversamento dei tessuti:
In generale quali vantaggi per l’Adroterapia:
•  “Accuratezza Balistica” (Picco di Bragg)
•  “Diffusione laterale”
e (ioni carbonio)
•  LET (EBR; OER)
Dose assorbita in acqua per fasci di elettroni prodotti
da un acceleratore lineare
Percorso massimo nel tessuto, espresso in centimetri, circa uguale alla
metà dell'energia iniziale del fascio espressa in MeV.
Gli elettroni sono usati per trattamenti profondi fino a qualche centimetro
dalla superficie cutanea.
Dose assorbita in acqua per fasci di fotoni prodotti da
un acceleratore lineare
Andamento esponenziale decrescente dopo un massimo a pochi
centimetri.
I fotoni sono usati per trattamenti profondi anche a molti centimetri dalla
superficie della cute.
Dose assorbita in acqua
(fotoni, neutroni, elettroni, protoni)
Le curve dose-profondità di fasci di protoni danno luogo al "picco di
Bragg". Per i protoni dunque la dose superficiale è bassa se confrontata
con la dose assorbita nella regione del picco.
Dipendenza della posizione del picco di Bragg dall'energia iniziale del fascio
Per raggiungere profondità superiori a 25 cm, i fasci di protoni devono
avere energia iniziale non inferiore ai 200 MeV
Picco di Bragg allargato
(Spread-Out Bragg Peak = SOBP)
Variando l'energia (oppure con assorbitori) è possibile sovrapporre molti
picchi di Bragg ed ottenere un SOBP
SOBP, PLATEAU e TAIL
I protoni e gli ioni possono essere utilizzati per realizzare terapie conformi molto
accurate.
Per gli ioni esiste una "coda" (TAIL) dovuta alla frammentazione dei nuclei
incidenti. I frammenti più leggeri hanno un percorso nella materia maggiore,
rispetto ai progenitori e determinano una dose oltre il picco.
(Il Neon è pesante...al massimo l'ossigeno se si vuole terapia conformazionale)
Curva isodose con fotoni e protoni
(trattamento di un liposarcoma retroperitonale adiacente al midollo spinale)
L'irradiazione conformazionale è migliore nei protoni
Ciclotrone
IBA 235 MeV room temperature cyclotron
Sincrotrone
Layout of the TERA synchrotron
Scansione del fascio
Scansione passiva
Schema di un sistema a scansione passiva:
• double scatter
• range modulator
• collimatore specifico + bolus
Scansione del fascio
Scansione attiva
Modalità di scansione attiva
Raster scanning e voxel scanning