RICERCA ITALIANA     

DOSIMETRIA REAL-TIME DI FOTONI E NEUTRONI PER RADIOTERAPIA E B.N.C.T. "BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY" CON "LINAC" CLINICI

Università degli Studi di Trieste

Abstract

Il trattamento radioterapico di molte patologie tumorali mediante uso clinico di acceleratori lineari "LINAC" di elettroni con energie relativamente alte di 15-25 MeV si sta sempre più diffondendo. A tali energie si producono non solo fotoni di più alta energia, in grado di meglio penetrare in profondità nei tessuti, ma anche considerevoli quantità di neutroni.

Se da un lato le dosi neutroniche indesiderate vanno controllate e limitate durante le normali radioterapie, dall'altro si stanno sviluppando nuovi progetti, a cui nostre Unità di Ricerca partecipano, per ottimizzare la produzione e moderazione dei neutroni a scopo terapeutico mediante BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) ospedaliera. In entrambi i casi è di fondamentale importanza la misura delle dosi fotoniche e neutroniche in tempo reale durante il trattamento dei pazienti.

Il programma proposto mira a rendere efficacemente disponibile, per entrambe le metodologie terapeutiche, la determinazione "real-time" contemporanea delle dosi dovute ai fotoni e ai neutroni, sia quelli moderati che quelli veloci residui, mediante strumentazione innovativa basata su tecniche di rivelatori di particelle ed elettronica ad alta integrazione di scala con ottima risoluzione temporale e spaziale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gianrossano GIANNINI Università degli Studi di TRIESTE

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo primario del programma di ricerca è la realizzazione di strumenti d'avanguardia, con tecniche di rivelatori di particelle ed elettronica ad alta integrazione di scala, per la dosimetria di neutroni e fotoni "real-time" dedicata all'ambiente radioterapico ospedaliero in associazione agli sviluppi più recenti di BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) con acceleratori di elettroni LINAC clinici.

L'uso di acceleratori ospedalieri, per produrre cospicui flussi di neutroni utilizzabili nella promettente radioterapia BNCT con cattura di neutroni su Boro, può rendere tale metodologia di più rapida ed efficiente applicazione, aprendo la strada alla possibilità di cura per alcune patologie tumorali altrimenti intrattabili.

Le Unità di Ricerca dell'Università di Trieste e dell'Università Cattolica a Roma/P.Gemelli sono già attivamente impegnate nell'ambito del progetto PHONES (Photo Neutron Source) dell' INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) nella costruzione di convertitori fotoneutronici per acceleratori LINAC clinici.
Le simulazioni, le costruzioni di apparati parziali e le misure preliminari già effettuate confermano le potenzialità della metodologia ed evidenziano che, con una adeguata dosimetria di neutroni e fotoni in tempo reale si potrà raggiungere la piena operatività del metodo in tempi brevi dell'ordine dei due anni, col totale controllo degli aspetti radioprotezionistici e radioterapici e conoscenza delle distribuzioni reali di dose fornite ai pazienti. In tal modo sarà anche rapida la ottimizzazione dei protocolli terapeutici in funzione delle diverse patologia da trattare.

Gli strumenti da realizzare rientrano pienamente tra le esperienze dei gruppi proponenti in tutti i molteplici aspetti di rivelatori di particelle con scintillatori, fibre scintillanti, fotomoltiplicatori multianodo ed elettronica ad alta integrazione di scala, nonché nel loro uso in ambiente radioterapico ospedaliero.
I dosimetri verrano provati presso i LINAC clinici delle Unità di Ricerca (che dispongono di ben cinque LINAC da 15-18 MeV). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

RADIOTERAPIA ONCOLOGICA

La radioterapia oncologica ospedaliera è una delle più efficaci armi per la lotta contro i tumori che d'altra parte diventano una delle più diffuse cause di morte, soprattutto nei paesi più avanzati [1-2].
Negli ospedali si possono produrre efficacemente le radiazioni fotoniche necessarie a partire da acceleratori commerciali di elettroni.
Si irradiano i pazienti secondo piani di trattamento personalizzati, anche frazionati in più sedute, con dosi prestabilite, su campi di varia dimensione e forma (radioterapia conformazionale) da varie direzioni e con intensità eventualmente modulabile (radioterapia con modulazione di intensità IMRT). La delimitazione geometrica dei profili di dose agli organi da trattare è essenziale per l'ottenimento del beneficio terapeutico salvaguardando il più possibile gli organi sani limitrofi.


TERAPIA CON CATTURA DI NEUTRONI SU BORO (BNCT)

Nonostante gli indubbi progressi della radioterapia con fotoni, ci sono ancora dei tumori gravati da pessima prognosi in cui oltretutto non è possibile pensare ad una " dose escalation " di radioterapia perché si comprometterebbe la funzionalità degli organi critici circostanti.
La BNCT (Boron Neutron Capture Therapy)[3-4] è una metodologia sviluppata per decenni che utilizza neutroni, prodotti principalmente presso reattori nucleari, moderati e termalizzati, che penetrano negli organi e vengono catturati da atomi di boro appositamente fatti accumulare nelle cellule dei tessuti neoplastici bersaglio in modo da rilasciarvi selettivamente radiazioni in dose terapeutica.

Da qualche anno si è affermato a tale scopo l'uso di una molecola (la 10B-fenilalanina o 10BPA) [5-9] che si accumula in maggior quantità nelle cellule tumorali rispetto alle sane, in fattori dell'ordine di 5 a 1 dopo 1-2 ore dall'infusione. Lasciando quindi penetrare, nella zona da trattare del paziente, neutroni, lenti, termici o epitermici, questi si propagano fino a liberare una notevole quantità di energia a seguito della cattura da parte del nucleo di boro 10B (avente altissima sezione d'urto di cattura 3840 barn), sotto forma di particelle alfa e di nuclei di litio-7, ad alto Linear Energy Transfer (LET ~200keV/micron) . Il piccolo raggio d'azione dell'energia liberata (~10 micron, circa il diametro di una cellula) permette di danneggiare al massimo il DNA delle cellule neoplastiche e rispettare le cellule e i tessuti sani.

Sono così stati trattati nel mondo casi di glioblastoma multiforme al cervello, di tumori dei seni paranasali, di melanomi cutanei delle estremità e di metastasi epatiche da adenocarcinoma del retto. Va segnalato che non si sono osservati effetti collaterali dopo il trattamento stesso.

A Pavia nel 2001, ad esempio, un caso di metastasi epatiche diffuse è stato curato e completamente guarito col metodo dell'espianto d'organo e irradiazione con neutroni termici e BNCT presso il reattore nucleare di ricerca nell'ambito del progetto INFN-TAORMINA (Trattamento Avanzato d'Organi Mediante Irraggiamento Neutronico e Autotrapianto)[5-7].

I risultati finora ottenuti sono incoraggianti ma mostrano anche la necessità di miglioramenti e l'esistenza di ampi margini di progresso possibili per estendere la fruibilità del metodo.


RADIOTERAPIA FOTONEUTRONICA BNCT OSPEDALIERA

Allo stesso tempo si sta sempre più diffondendo il trattamento radioterapico opsedaliero di molte patologie tumorali mediante uso clinico di acceleratori lineari "LINAC" di elettroni con energie relativamente alte di 15-25 MeV. A tali energie si producono non solo fotoni di più alta energia, in grado di meglio penetrare in profondità nei tessuti, ma anche considerevoli quantità di neutroni [11-17] che potrebbero essere usati per la BNCT.

L'uso di acceleratori ospedalieri per produrre cospicui flussi di neutroni per la BNCT, in effetti, renderebbe superata la necessità di disporre di un reattore nucleare, sostituendolo con apparecchiature normalmente disponibili in ambiente ospedaliero.

La gestione radioterapica e radioprotezionistica dei neutroni in ambiente ospedaliero è però complessa e richiede grande cautela.Vanno attentamente valutate le dosi al fine di ottimizzare il piano di trattamento, che richiede anche più sedute per paziente, ma anche per mantenere entro i limiti di legge e di sicurezza la radioprotezione per i pazienti, gli operatori delle strutture, le attrezzature e l'ambiente.

Il progetto si basa su studi precedenti e attuali [10], portati avanti da alcuni dei proponenti, che mostrano la possibilità di produrre neutroni termici utilizzando gli stessi acceleratori normalmente utilizzati nei dipartimenti ospedalieri di radioterapia oncologica.
Per un convertitore fotoneutronico studiato a tal scopo nel 2004 è stato depositato un brevetto dall'Università di Trieste.

Il fotoconvertitore è in grado di moderare i neutroni (ottenuti dalla conversione dei fotoni), fino ad un' energia (termica/epitermica) ottimale per la cattura da parte dei nuclei del 10B. Ciò avviene facendo passare i neutroni attraverso diversi strati di materiale di varie composizioni e densità (acqua pesante, grafite, teflon) in modo da filtrare i neutroni veloci permettendo il passaggio a quelli via via più lenti.

La disponibilità di neutroni termalizzati consente una maggiore probabilità della loro cattura da parte dell'isotopo stabile 10B e della sua conseguente scissione nelle due particelle ad alta energia. L'ottimizzazione della produzione dei neutroni mediante acceleratore LINAC ospedaliero è oggetto di un progetto (PHONES - PHOto Neutron Source) finanziato dall' INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) per la realizzazione di un prototipo di fotoconvertitore [18-21]. Partecipa al progetto PHONES, oltre ai gruppi INFN delle unità operative di Trieste e Università Cattolica di Roma, anche un gruppo INFN di Torino.


PRODUZIONE E DOSIMETRIA DI NEUTRONI DA LINAC PER RADIOTERAPIA FOTONEUTRONICA OSPEDALIERA

La generazione dei neutroni presso il LINAC-Varian-2100C del reparto di Radioterapia dell'Ospedale Maggiore di Trieste, avverrà secondo modalità già sperimentate nell'ambito del programma PHONES. Sfruttando la produzione di neutroni da fotoni (gamma,n) mediante "risonanza gigante", si potrà disporre di flussi di neutroni termici di quasi 10^8 n/(cm^2s). Con esposizioni di poche decine di minuti si possono ottenere fluenze di neutroni utili di circa 10^11 n/(cm^2). La misura della fluenza di neutroni, il flusso integrato nel tempo di esposizione, è stata finora effettuata con dei dosimetri commerciali a bolle di gas suprariscaldato in gel trasparente, che per effetto del passaggio dei neutroni forma bolle visibili [22-24].

I dosimetri sono posizionati in un fantoccio "laplaciano" che permette di ottenere valori di fluenza e le asimmetrie lungo le tre direzioni spaziali.
La lettura dei dosimetri è però un procedimento lento, tedioso e che peraltro impedisce di ripetere le misure più volte di seguito, dovendo attendere alcune ore la completa ripressurizzazione delle bolle.
In vista di molteplici esposizioni intendiamo realizzare dei dosimetri per neutroni e fotoni che forniscano la visualizzazione dei flussi e delle fluenze neutroniche in tempo reale direttamente sul monitor del LINAC. <<<