Transcript Θεραπεία καρκίνου με βαρέα ιόντα

ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ
ΑΝΔΡΕΟΥ ΔΗΜΗΤΡΑ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Γ.ΤΣΙΠΟΛΙΤΗΣ
 ΕΙΣΑΓΩΓΗ
 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ
 ΒΑΡΕΑ ΙΟΝΤΑ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ
 ΜΕΘΟΔΟΣ ΘΕΡΑΠΕΙΑΣ
 ΔΙΑΣΦΑΛΙΣΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ
 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ
 ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ
 ΕΠΙΛΟΓΟΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
ΚΑΡΚΙΝΟΣ
 Η νόσος που προκαλείται από άναρχο και αφύσικο
πολλαπλασιασμό παθολογικών κυττάρων στους ιστούς του
σώματος, που, συνακόλουθα, προκαλούν το σχηματισμό
κακοήθων όγκων στον οργανισμό. Ουσιαστικά, ο καρκίνος
αποτελεί κυτταρική νόσο.
ΘΕΡΑΠΕΙΕΣ
 Χημειοθεραπεία
 Φωτόνια
 Βαρέα ιόντα
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ
 1946 Σύγκριση με την κλασική θεραπεία- πλεονεκτήματα
των δεσμών άνθρακα και των πρωτονίων ως προς το βάθος
κατανομής της δόσης (Berkeley cyclotron)
 10 χρόνια μετά στη Βοστόνη (Berkeley & Harvard cyclotron)
εφαρμογή στον πρώτο ασθενή μιας απλής αλλά πολύ
αποτελεσματικής τεχνικής που επέτρεπε την προσαρμογή
του μεγίστου του Bragg στον όγκο-στόχο.
 1988-1991 κατασκευή και έλεγχος της διαμορφωμένης
έντασης δέσμης σάρωσης στον βαρέων ιόντων
επιταχυντή(SIS) του GSI
 1997 θεραπεία ασθενή με ιόντα άνθρακα
ΒΑΡΕΑ ΙΟΝΤΑ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ
ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΒΑΡΕΩΝ ΙΟΝΤΩΝ
 Μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα για όγκους που είναι ανθεκτικοί στην κλασική
θεραπεία και βρίσκονται κοντά σε κρίσιμα όργανα
 Καμία έξοδος δόσης
 Λιγότερο τοξική και ανώδυνη
 Πιο σύντομη
 Μηδενικός χρόνος
αποθεραπείας.
ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΒΑΡΕΩΝ ΙΟΝΤΩΝ
 Διαφορετικό βάθος διανομής της δέσμης
 Πιο ακριβής συγκέντρωση της δόσης στον όγκοστόχο με απότομες κλίσεις στους
φυσιολογικούς ιστούς
 Χαμηλή δόση στο κανάλι εισόδου και
βελτιωμένα λιγότερη στους φυσιολογικούς
ιστούς
Σύγκριση ακτινοβολίας άνθρακα (αριστερά) και ακτινοβολίας φωτονίων (δεξιά).
Για IMRT με φωτόνια χρησιμοποιήθηκαν εννέα κανάλια που κατανέμουν τη δόση στους
φυσιολογικούς ιστούς. Για τη θεραπεία με άνθρακα μέσω δέσμης σάρωσης, η δόση στα
μόνο δύο κανάλια εισόδου είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με το IMRT.
ΒΑΡΕΑ ΙΟΝΤΑ
Από τα διάφορα είδη βαρέων ιόντων έχουν επικρατήσει τα:
 Πρωτόνια
 Ιόντα άνθρακα
Τα ιόντα άνθρακα έχουν 3 φορές πιο απότομη κλίση για περίπου όλα τα βάθη
διείσδυσης από τα πρωτόνια. Όγκοι κοντά σε κρίσιμα όργανα αντιμετωπίζονται με
υψηλότερες δόσεις δεσμών άνθρακα και αποδίδουν χαμηλότερο ποσοστό
υποτροπής του όγκου. Η υψηλή ακρίβεια των δεσμών άνθρακα και η χαμηλή δόση
στα κανάλια εισόδου επιτρέπουν την αύξηση της δόσης στον όγκο χωρίς να
αυξάνουν τις παρενέργειες. Ακόμα και ραδιοανθεκτικοί όγκοι μπορούν να
αδρανοποιηθούν και να θεραπευθούν οι ασθενείς.
Σύγκριση θεραπείας με ιόντα άνθρακα (αριστερά) και με πρωτόνια (δεξιά). Με
μια τόσο απότομη κλίση της δόσης(στη θεραπεία με άνθρακα), η περιοχή στην
οποία εναποτίθεται η περισσότερη δόση μπορεί να είναι κοντά σε εγκεφαλικό
στέλεχος που είναι κρίσιμο όργανο και απεικονίζεται με πράσινο χρώμα στην
αριστερή πλευρά. Η μέθοδος με τα πρωτόνια εκτελέστηκε χρησιμοποιώντας
ένα σύστημα παθητικής δέσμης το οποίο επέτρεπε μια λιγότερο ικανοποιητική
διάπλαση με τον όγκο-στόχο.
ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΑΡΕΩΝ
ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ
 Κρούσεις με τα ηλεκτρόνια της ύλης ( δυνάμεις coulomb)
 Απώλεια ενέργειας από ηλεκτρόνιο > Απώλεια ενέργειας από πυρήνα
 Ενέργεια χάνεται από μεταφορά ορμής (p).

Μάζα ηλεκτρονίου << Μάζα πυρήνα.

Κ.Ε (Recoil e-) >> Κ.Ε (recoil πυρήνας).
ΚΡΟΥΣΕΙΣ
 Αδύναμες (soft) κρούσεις
Διέγερση υλικού
 Δυνατές (hard) κρούσεις
Εκπομπή ηλεκτρονίων
 Ηλεκτρόνια με μεγάλη ενέργεια
(δ-rays)
 Mη ελαστικές κρούσεις είναι στατιστικής φύσεως διαδικασία (κβαντομηχανική πιθανότητα
εμφάνισης). Λόγω του μεγάλου αριθμού αυτών των κρούσεων μπορούμε να ορίσουμε τη
μέση απώλεια ενέργειας ανά μονάδα μήκους:
dE/dx – Bethe – Bloch
Τροχιές σχετικιστικών
βαρέων ιόντων σε
ανιχνευτή nuclear
emulsion. Βλέπουμε την
εξάρτηση της πυκνότητας
ιονισμού από το
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟΥΣ ΙΣΤΟΥΣ
Οι ιστοί αποτελούνται στο μεγαλύτερο μέρος τους (80%) από H2O!
 Έτσι η ακτινοβολία
ιονισμούς και διεγέρσεις των μορίων
 τα διεγερμένα/ιοντισμένα μόρια έχουν δευτερογενείς αντιδράσεις και σχηματίζουν νέα
σταθερά ή ασταθή μόρια ή ελεύθερες ρίζες.

αντίδραση των ασταθών και των ελευθέρων ριζών με παρακείμενα μόρια

προσβολή βιολογικών μορίων σημαντικών για την λειτουργία του κυττάρου
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΤΟ DNA
 Η βλάβη στο DNA προκαλείται με τρόπο άμεσο ή
έμμεσο.
 Με ιόντα άνθρακα επιτυγχάνεται πιο εύκολα
διπλό σπάσιμο της έλικας του DNA (DSB) γεγονός
που τα καθιστά καταλληλότερα γιατί το μονό
σπάσιμο που προκαλούν οι δέσμες φωτονίων
(SSB) επισκευάζεται εύκολα από το κύτταρο.
 Τα καρκινικά κύτταρα είναι περισσότερο
εκτεθειμένα σε τοξίνες!
ΔΕΣΜΗ ΙΟΝΤΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ
 Η σύγκρουση πυρήνα του άνθρακα με ένα
άτομο του ιστού οδηγεί σε ασταθές ισότοπο
του C-12 (άνθρακας -10 & άνθρακας-11) που
εκπέμπει ποζιτρόνιο ( ).
 Η εξαΰλωση των ποζιτρονίων παράγει δύο
ακτίνες γ που μπορούν να ανιχνευτούν έξω
από το σώμα με μια κάμερα PET. Έτσι
απεικονίζεται η εμβέλεια της αρχικής
δέσμης άνθρακα.
ΜΕΘΟΔΟΣ ΘΕΡΑΠΕΙΑΣ
Rasterscan Technique
 Δέσμη εκτρέπεται πλάγια από μαγνήτες και διαμορφώνεται μέσα στον επιταχυντή
 Χωρισμός όγκου σε ισοενεργειακά στρώματα και κάθε στρώματος σε pixels
 Η δέσμη σαρώνει κάθε pixel
 Από αυτή τη διαδικασία
3D εικόνα του όγκου
 Προσδιορισμός της απαιτούμενης δόσης για κάθε σημείο
 Ενεργό σύστημα θεραπείας χωρίς περιορισμούς στο σχήμα του όγκου και παραγωγή
τρισδιάστατης κατανομής της δόσης
 Έτσι όργανα που περιτριγυρίζονται από όγκους σώζονται.
Rasterscan Technique
Rasterscan Technique
Μια κατακόρυφη
στρώση: ρυθμίζω
την ενέργεια της
δέσμης ώστε η
κορυφή Bragg να
βρεθεί ακριβώς σε
αυτό το βάθος
Κάθε στρώση αποτελείται
από ένα πλέγμα σημείων
(pixels). Η δέσμη σαρώνει το
πλέγμα, εστιάζοντας σε κάθε
ένα από αυτά. Το κάθε pixel
απαιτεί διαφορετική δόση.
ΔΙΑΣΦΑΛΙΣΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ
 Διαδικασίες προσυμπτωματικού ελέγχου όπως CT ή
MRI (Magnetic Resonance Imaging) για εντοπισμό της θέσης
και του μεγέθους του όγκου
 Ακτινοβόληση κατευθείαν στον όγκο- στόχο
 Ακρίβεια χιλιοστού → κατασκευή θερμοπλαστικής μάσκας
για κάθε ασθενή → ακινητοποίηση → ακριβής ευθυγράμμιση
 Έλεγχος ακινητοποίησης
 Μη αντιληπτή η δράση της δέσμης από τον ασθενή(σπάνια “
phosphen effect”)
 Διαφορετική διαδικασία για κινούμενους όγκους!
ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ
 Συνυπολογισμός παραμέτρων από
φυσικής πλευράς(δόση, ενέργεια) και από
την πλευρά της βιολογίας(όγκος πυρήνα
κυττάρου, ικανότητα κυττάρου να
επιδιορθώνεται)
Τροχιά ιόντος
πολύ κοντινές οι
βλάβες στο DNA. Εδώ μηδενίζεται η
Πιθανότητα ανάκαμψης του
γενετικού υλικού!
 Στα ιόντα έχουμε ανομοιογενής κατανομή
της δόσης με μεγάλες ανεπηρέαστες
περιοχές εκτός τροχιάς και κορυφές
τοπικού ιονισμού μέσα στην τροχιά. Η RBE
αλλάζει από pixel σε pixel
ανάγκη
υπολογισμού
ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΗΣ ΤΟΥ DNA
 Κίτρινο χρώμα = διείσδυση ακτινοβολίας.
 Στη θεραπεία με φωτόνια η κατανομή
είναι ομοιογενής. Πυκνότητα κακώσεων
μη επαρκής. Εδώ ο μηχανισμός διόρθωσης
του DNA θα λειτουργήσει.
 Τα βαρέα ιόντα, στο κέντρο της τροχιάς
τους εναποθέτουν τη μεγαλύτερη δόση με
αποτέλεσμα να έχουμε αυξημένη
πιθανότητα για μη αναστρέψιμη βλάβη.
Φωτόνια
Βαρέα ιόντα
ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ
Σχεδιασμός
superconducting
isochronous
Cyclotrons
SYNCHROTRON
Είναι ένας περίπου κυκλικός
δακτύλιος με μαγνήτες. Σε κάποιο
σημείο ή σε περισσότερα σημεία
πάνω στο δακτύλιο, εισάγουμε μια
κοιλότητα (cavity) που φέρει ένα
ταλαντωμένο ηλεκτρομαγνητικό
πεδίο Θέτουμε τη συχνότητα
τέτοια ώστε κάθε φορά που το
σωματίδια περνούν,
επιταχύνονται κατά τη διεύθυνση
του πεδίου
ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ
ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ
Gunma Univ. Heavy Ion Medical Center
ΕΠΙΛΟΓΟΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η θεραπεία καρκίνου με βαρέα ιόντα χρησιμοποιείται κυρίως στο κεφάλι που μπορεί να
είναι απολύτως ακινητοποιημένο σε αντίθεση με το θώρακα και την κοιλιακή περιοχή που
απαιτείται χρόνος ώστε να γίνει κλινική ρουτίνα.
 Το κόστος ανάγεται στα 20.000 €.
 Μεγάλα ποσοστά επιτυχούς θεραπείας, με πάνω από 25.000 πλήρως θεραπευμένους.
 Ο ασθενής μετά την ακτινοβόληση μπορεί άμεσα να επιστρέψει σπίτι του και στους
φυσιολογικούς ρυθμούς ζωής.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
 Tumor Therapy with Heavy Ions, Physical and biological basis, Technical realization at GSI,
Clinical results, Information for physicians, students, and patients, Association for the
Promotion of Tumor Therapy with Heavy Ions
 Σημειώσεις Τεχνολογίας Ανιχνευτικών και Επιταχυντικών Διατάξεων, Γ.Τσιπολίτης, 7₀ εξάμηνο
ΣΕΜΦΕ
 Is Hadron Therapy Using Heavy Ions the Future of Cancer Treatment? Department of Physics,
Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, August 2010, Paul Brown
 Σημειώσεις Ιοντίζουσες Ακτινοβολίες, Γ.Τσιπολίτης
 Beam Diagnostics for the Heavy Ion Cancer Therapy Facility, Andreas Peters and Peter Forck,
Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Planckstrasse 1, D-64291 Darmstadt, Germany
 Observation of DNA damage of human hepatoma cells irradiated by heavy ions using comet
assay, Li-Mei Qiu, Wen-Jian Li, Xin-Yue Pang, Qing-Xiang Gao, Yan Feng, Li-Bin Zhou, Gao- Hua
Zhang
 Taguchi, M. et al., Yield of OH Radicals in Water under Heavy Ion Irradiation. Dependence on
Mass, Specific Energy and Elapsed Time, Nuclear Science and Techniques, vol.18, issue 1,
2007, p.35-38
 Heavy-ion physics applied to cancer therapy: between basic science and medicine, Institute for
Nuclear Research, Moscow, Frankfurt Institute for Advanced Studies, Frankfurt am Main,
Kurchatov Institute, Moscow, Igor Pshenichnov in collaboration with Lucas Burigo, Alexander
Botvina,Igor Mishustin, Marcus Bleicher, Dual Year Russia- Spain, Barcelona, 8- 11 Nov, 2011
 Gunma University, Heavy Ion Medical Center (GHMC), Non- Invasive Cancer Treatment with
Heavy-Ion Radiotherapy