Transcript 重粒子線を使って癌を治す

RI-Beamによる癌治療の可能性
RI と RIビーム による生物・医学・薬学利用
古澤 佳也、青木 瑞穂、志野 弥生、平山 亮一、松本 孔貴、
北川 敦志、金澤 光隆、浦壁 恵理子、富谷 武浩、佐藤 眞二、金井 達明、李 強
(放射線医学総合研究所)
•粒子線治療の高度化を考える上でRIビームの利用の可能性がある。
•9C、8B、8Li 等のRIビームは遅発性に低エネルギー粒子を放出する。
•遅延粒子の生物効果が加わることでより高い効果を示し得る。
•9Cビームを用い細胞の致死効果を安定ビーム（12C）と比較した。
2006.08.28-29
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死亡原因の遷移
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粒子線治療施設
•
世界
– 稼働中（27）
7; Japan, 5; USA, 3; Russia, 2; Germany, Switzerland, France, 1;
England, Sweden, South Affrica, Canada, Itary, China
– 終了 (14)
– 計画中（20+）
• Austria, China(2), Germany(4), Italy(3), Japan(?), Korea, Poland,
Russia, South Africa, Slovakia, Switzerland, Taiwan, USA(3),
•
国内
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
放射線医学総合研究所[1979] proton
筑波大学陽子線医学利用研究ｾﾝﾀｰ[1983] proton
放射線医学総合研究所 [1994] Carbon
国立がんｾﾝﾀｰ東病院 [1998] proton
兵庫県立粒子線医療センター [2001] proton
筑波大学陽子線医学利用研究センター [2001] proton
兵庫県立粒子線医療センター[2002] Carbon
若狭湾ｴﾈﾙｷﾞｰ研究センター[2002] proton
静岡県がんセンター[2003] proton
群馬大学医学部 [2008] Carbon
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ＨＩＭＡＣ
• 線形加速器
– 長さ 7.3 m ＋ 24.3 m
• シンクロトロン加速器
– 周長 １３０ ｍ x 2 台 (上下)
• ビーム輸送系
– 全長 150 ｍ
• 建物
– 幅 70 m x 長さ 120 m、
– 地下 (80%) 20m
– 地上 (20%) ３階(含塔屋)
治療照射室
Ａ；垂直照射
Ｂ；垂直･水平照射
Ｃ；水平照射
生物照射室
物理･汎用照射室
中エネルギー照射室
二次ビーム照射室
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線量分布
がん
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治療ビーム
ブラッグピーク
リッジ
フィルター
重粒子線
• 重粒子線の「量」と「質」の考慮
→ビームの設計
– 病巣に集中させる
• 皮膚と癌より後ろは低い効果
– 病巣中では均等な効果
生物効果量
物理的線量
放射線の質
体の深さ
皮膚
がん
正常組織
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重要臓器
治療室
GSI
HIMAC
HIMAC
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治療例
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放射線生物作用
●DNA損傷
●数量化モデル
●損傷・修復・治療
粒子線の生物効果
● ブラッグピーク
●線エネルギー付与
●生物学的効果比
RIビームの生物効果
●物理学的特性
●生物学的特性
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ＤＮＡ損傷
• ＤＮＡ：重要な標的
– 主な損傷の種類と生成数
• DNA二重鎖切断；50-100 /Gy
– 数百eVのｴﾈﾙｷﾞｰ吸収
• DNA単鎖切断; 〜1000 /Gy
– 数十eVのｴﾈﾙｷﾞｰ吸収
• 塩基損傷；〜500 /Gy
– ﾗｼﾞｶﾙとの反応が主
• 塩基欠失(遊離)；〜500 /Gy
– 核酸塩基の遊離→欠失部位
• 架橋形成；〜150 /Gy
– ﾗｼﾞｶﾙの共有結合、DNA鎖間架橋、
– DNA鎖内架橋、DNA-ﾀﾝﾊﾟｸ間架橋etc
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数値化モデル
•
標的説(古典論)
『細胞内に標的、標的がヒット』
a) １標的１ヒットモデル
S = exp(-kD)
b) 多標的１ヒットモデル
S=1–{1−exp(-D/Do)}n
– Ｄ→大；S≒n･exp(-D/D0)
•
２(多)要素モデル
–
細胞内には複数種類の標的が存在
S = [exp(-kD)]x[1 - {1 - exp(-D/Do)}n]
•
直線-二次曲線(LQ)モデル
–
ミクロな線量分布による解析から
•
•
1) 複合事象で致死損傷が形成される説
2)一事象の損傷生成とその回復要因が加わる説
S = exp( -αD -βD2)
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障害と回復
• 非回復性障害
– 致死障害 lethal damage ；(LD)
– 不可逆性、修復不能、必ず細胞を死に導く損傷
• 回復性障害
– 亜致死障害 sublethal damage；(SLD)
– 可逆的で正常な環境下で数時間の内に修復
– 修復前に別の亜致死損傷が加わり相互作用により致死障害となる
– 潜在的致死障害 potentially lethat damage ；(PLD)
– 通常の環境下では致死的
– 照射後の環境により影響を受ける
– メカニズムについては十分解明されていない
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SLD回復と治療
•
SLD回復；SLDR
（Elkind回復）
– 分割して照射
• １回で急照射した場合に比べて効果が少ない
• 生存率曲線の傾き(直線部分)は普遍
• 肩の大きさの回復
– 治療における分割照射の根拠：比
• 正常組織＜癌組織
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放射線生物作用
●DNA損傷
●数量化モデル
●損傷・修復・治療
粒子線の生物効果
● ブラッグピーク
●線エネルギー付与
●生物学的効果比
RIビームの生物効果
●物理学的特性
●生物学的特性
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Bragg Peak
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LET-RBE
• 線エネルギー付与:LET
低LET放射線
Linear Energy Transfer
– 媒質1 µm通過中に媒質に与えるエネルギー
(keV/µm)
中LET放射線
高LET放射線
1μm
電離
• 生物学的効果比:RBE
Relative Biological Effectiveness
– 基準放射線と比較し、同じ質・量の生物効果を
与える放射線量比
RBE = Dx / Dion
• LET-RBEの関係
•
•
•
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低LET（Ｘ、γ）；RBE = 1
高LET（重粒子）；RBE > 1
超高LET
；RBE < 1
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RBE
• 体中深度(A〜E)と効果比RBE
1.21
1.98
2.03
2.91
3.46
at 50 % 生存率
炭素 320 MeV/u-6 cm SOBP
Surviving Fraction
A = 5 mm
B = 101 mm
C = 123 mm
D = 145 mm
E = 149 mm
1
A (005)
B (101)
C (123)
D (145)
E (149)
X
0.1
0.01
0
2
4
6
Physical Dose (Gy)
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8
放射線生物作用
●DNA損傷
●数量化モデル
●損傷・修復・治療
粒子線の生物効果
● ブラッグピーク
●線エネルギー付与
●生物学的効果比
RIビームの生物効果
●物理学的特性
●生物学的特性
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Nature
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Emission
Distribution
Ratio
1
0.469
2
0.352
3
0.068
4
0.067
5
0.044
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Final Products
Energy
Range
Particle
No.
(MeV)
(μm)
(keV/μm)
ｐ
1
0.164
2.44
71.39
α
2
0.057
0.99
87.24
ｐ
1
1.583
51.3
18.82
α
2
0.396
3.04
200.51
ｐ
1
5.074
371.71
7.82
α
1
1.269
7.20
200.03
α
1
5.817
47.35
79.51
ｐ
1
2.653
121.55
12.85
α
2
0.212
2.23
163.44
others
-
-
-
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LET
-
Cell Stack Chamber
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Layout
Irradiation Chamber:
Cells can be irradiate
simultaneously at different
depths.
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9C
vs. 12C
Dos e, LE T, and Stoppi ng Proba bi l i ty
2.5
LET-9 C
LET-12 C
1.5
Pstop
○
○
1.0
40
0.5
20
0.0 0
50
100
150
Depth (mm H 2 0)
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.03
.02
.01
.00
Stopping
100
80
60
Dose-9 C
Dose-12 C
LET (keV/ m)
Relative Dose
2.0
Effect to Depth
Depth-RBE Distribution on HSG Cells
RBE @50% Survival Level
5
4
RBE-9C Beam
RBE-12C Beam
3
2
1
120
130
140
150
Depth (mm H2O)
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160
まとめ（RI-Beam)
•
均一な照射野を持つ9C-RIビームを得た
•
•
•
•
•
現在は8Bビームも得られている
照射野内線量不均一性は〜5％以内、
線量率：〜0.5 Gy/hr
詳細な実験的解析には~Gy/minは必要
同等の深度-線量分布をもつ12Cビームを得た
•
•
12C→9Cの生成効率は9.1ｘ10-6
同等の深度線量分布。LETは12C > 9C
予想される有効性
•
停止位置手前では12Cビームと同様のRBE
•
•
遅延粒子領域では12Cより約２倍高い生物効果
•
•
遅延粒子の停止した細胞は100%致死的
SOBPとした場合12Cビームと比較して
•
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正常組織領域では障害の増加は予想できない
さらに+20％の治療可能比が予想される
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