Transcript ADE A ADROTERAPIA - Facoltà di Medicina e Chirurgia

Laurea Magistrale
MEDICINA
e CHIRURGIA
Corso di in
Laurea
Specialistica
in
“GOLGI”
MEDICINA
e CHIRURGIA
Corso
Integrato:
corso
integrato
FISICA -FISICA
disciplina FISICA
ATTIVITA’ DIDATTICA ELETTIVA
ADROTERAPIA
ADROTERAPIA
parte A
- LE RADIAZIONI IONIZZANTI
- ASSORBIMENTO DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI
- RADIOTERAPIA CONVENZIONALE
CFU 1
RADIAZIONI
IONIZZANTI:
- eleromagnetiche
- corpuscolari (particelle)
- produzione
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SPETTRO ELETTROMAGNETICO
(fermi)
(Å) (nm)
λ (m)
10–12
10–14
RAGGI
RAGGI
GAMMA
GAMMA
RAGGI X
RAGGI
X
ν
(Hz)
GeV
10–10
1022
1020
10
(µm)
–8
10–6
U.V.
ULTRA-VIOLETTO
1018
1016
RADIOTERAPIA
109
MeV
106
λν = c
D. SCANNICCHIO 2014
keV
(mm) (cm)
10–4
–2
10
2
1
10
MICRO
MICRO
ONDE
ONDE
INFRAI. R.
-ROSSO
1014
1012
VISIBILE
VISIBILE
1010
λ (m)
ONDE
ONDE
RADIO
RADIO
108
ν
106
3 108 Hz
(Hz)
E
103
E = hν
400
500
600
700
λ (nm)
03/37
PRODUZIONE DI
RAGGI X E GAMMA
raggi
raggi X
X
produzione artificiale
artificiale
tubo
raggiX X
tubi aaraggi
raggi gamma
γ
raggi
(raggi X di alta energia)
produzione
naturale
produzione naturale
emissione
radioattivi
emissionediγ raggi
da decadimento
instabili
γ da nuclei nuclei
(radionuclidi)
(radionuclidi)
produzione artificiale
produzione
artificiale
acceleratori
particelle
acceleratori di particelle
reattori nucleari
D. SCANNICCHIO 2014
E > 1 MeV
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MATERIA
STRUTTURA DELLA
~ 1920
electroni
elettrone
MATERIA
neutroni
neutronenucleo
nucleo
~ 1940
nucleo
protone
atomi
protone
atomo
quarks
u
d
adroni
adroni
D. SCANNICCHIO 2014
d
neutroni
neutrone
quarks
u
d
u
~ 1970
protoni
protone
05/37
PARTICELLE
RADIOTERAPIA
• nuclei
ioni
• electroni
• muoni (da raggi cosmici)
• adroni : - protoni
- neutroni
- mesoni (da raggi cosmici)
- nuclei (ioni)
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PRODUZIONE DI
PARTICELLE
particelle cariche
produzione naturale
produzione
artificiale
radiazione cosmica
acceleratori
di particelle
emissione da nuclei radioattivi (radionuclidi)
produzioneartificiale
artificiale
produzione
acceleratori
acceleratorididiparticelle
particelle
E > 1 MeV
neutroni
produzione
produzioneartificiale
artificiale
reattori
nucleari
acceleratori
di particelle
produzione secondaria (acceleratori)
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ASSORBIMENTO delle
RADIAZIONI nella MATERIA
- ionizzazione
- dose, LET, range
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA
assorbimento:
• interazione con strutture atomiche e molecolari
• rilascio di energia con rottura di legami
• produzione di cariche elettriche in moto (ioni)
ionizzazione
• Linear Energy Transfer (LET)
• perdita progressiva di energia fino all’arresto (range R)
• LET dipende da E, densità, Zmateria
• radiazioni a modesto LET (X, gamma, elettroni)
• radiazioni a grande LET (protoni, ioni nucleari)
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA
• unità di energia:
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE : joule (J)
◊ UNITA’ PRATICA SU SCALA ATOMICA :
elettronVolt (eV) = 1.6 10–19 joule
• MeV (mega-elettronVolt) = 106 eV
• GeV (giga-elettronVolt) = 109 eV
• TeV (tera-elettronVolt) = 1012 eV
• DOSE ASSORBITA:
energia assorbita
D =
massa
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE : gray
(Gy) = 1 joule/1 kg
• gray (Gy) = 100 rad
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LINEAR ENERGY TRANSFER
• LET =
perdita energia
lunghezza percorso
=
ΔE
Δx
◊ SISTEMA PRATICO :
keV/µm
ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA BIOLOGICA
• DOSE BIOLOGICA ASSORBITA:
Dbiologica = RBE x Dfisica
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :
sievert (Sv) = RBE x 1 Gy
• sievert (Sv) = 100 rem = 100 RBE x rad
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
CORPUSCOLARE
range RR
range
scala
scala
logaritmica
logaritmica
H2O
R(E)
T H2O
(cm) 100
mesoni π
mesoni
10
1
0.1
0.01
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protoni
protoni
elettroni
elettroni
e
π
p
alfa
alfa
0.1 1
10 100
scala
scalalogaritmica
logaritmica
1000
(MeV)
T
E
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DANNO DA
RADIAZIONI IONIZZANTI
- assorbimento
- radioterapia convenzionale
- piani di traamento
- danno biologico
- effeo ossigeno
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DANNO DA RADIAZIONI IONIZZANTI
deposizione macroscopica di energia
trascurabile rialzo termico locale per ogni gray
depositato in acqua :
calore specifico H20 = 4180 J kg–1
1 J kg–1
!E
1
–4
!T = c m = c D =
=
2.4
10
°C
4180 J kg–1 °C–1
danno microscopico (intracellulare)
!E >> energie di legame atomico e molecolare
produzione di ioni
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
• raggi X
• elettroni
RADIOTERAPIA
CONVENZIONALE
• protoni
• ioni carbonio (12C)
• altri ioni (4He, 14N, 16O)
• neutroni
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ADROTERAPIA
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AZIONE DELLE RADIAZIONI
X, γ
radiolisi acqua
H2O
HOH+ + e–
H+ + OH*
H2O + e–
HOH–
OH* , H*
radicali liberi
OH– + H*
OH* + OH*
H2O2
perossido di idrogeno
(acqua ossigenata)
H* + O2
HO*2
tossico
HO*2 + HO*2
H2O2 + O2
8
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AZIONE DELLE RADIAZIONI
X, γ
molecole organiche RH
RH
R* + O2
H+ + R–*
RO*2
radicali liberi
organici
radicali liberi : eccesso di energia trasferita a
molecole biologiche con rottura di legami
radiazioni a basso LET :
• azione chimica di rottura dei legami
(effetto indiretto)
radiazioni a alto LET :
• azione fisica (effetto diretto)
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MECCANISMI DI DISTRUZIONE DEL DNA
dose depositata in DNA
30 Å
basso LET
azione chimica
(autoriparazione)
e
alto LET
alfa
doppia
elica DNA
azione fisica
distruzione contemporanea di
numerosi legami, rottura delle
macromolecole biologiche
(impossibile autoriparazione)
radiobiologia molecolare e cellulare
10
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RADIOTERAPIA CONVENZIONALE
sviluppo sciame elettromagnetico :
e secondari, ! secondari con effetto cumulativo
sciame elettromagnetico
effetto Compton
effetto fotoelettrico
X, !
annichilazione
produzione di coppie
elettrone
e
scattering
frenamento
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gamma
e
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ASSORBIMENTO FOTONI X, !
dose
relativa
in H2O
1.0
0.8
0.6
25 MV
12 MV
6 MV
0.4
0.2
0
4
8
12
16
20
profondità (cm)
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24
28
13
20/37
ASSORBIMENTO ELETTRONI
dose
relativa
in H2O
1.0
0.8
0.6
0.4
4.5
0
D. SCANNICCHIO 2014
9
6
0.2
2
7.5 12
4
6
21 MeV
15 18
8
10
profondità (cm)
12
14
17
21/37
RADIOTERAPIA CONVENZIONALE
frenamento
frenamento
γ 1.3 MeV γ da
didielettroni
elettroni
60
dada
• raggi X (γ)
• elettroni
Co
da
da2525MeV
MeV
cm
0
10
20
cm
sciame elettromagnetico
22
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RADIOTERAPIA CONVENZIONALE
• tipo di cellule neoplastiche
• posizione del tumore
• conformazione del tumore
• prossimità organi vitali
• definizione direzioni di irraggiamento
(campi)
• parametri del fascio (dimensioni, energie)
• numero sessioni e dosi
piano di trattamento (TPS)
TPS = Treatment Planning System
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VOLUMI DI TERAPIA
gross tumor volume
clinical target volume
planning target volume
treated volume
irradiated volume
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TERAPIA CONFORME
irraggiamento da diverse direzioni :
depositare una dose
massima nel tumore e minima nei tessuti sani
(terapia stereotassica)
forma del fascio (sezione) mediante
assorbitori sagomati
sezione del tumore
PIANO di TERAPIA
simulatore
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FORMAZIONE DEL FASCIO
(curve isodose)
S
6 4 2 0 2 4 6
90
2
80
4
70
60
8
50
12
40
16
30
20
filtro a cuneo (Pb)
24
cm
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cm
20
10
25
26/37
TERAPIA CONFORME
27
D. SCANNICCHIO 2014
28
27/37
RADIOSENSIBILITA' CELLULARE
105
numero
cellule
sopravissute
104
cellule sane
103
cellule neoplastiche
102
10
12
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28/37
RAPPORTO TERAPEUTICO (RT)
rapporto terapeutico =
dose di tolleranza per i tessuti sani
=
dose letale per il tumore
= D2 = RT
D1
%
100
50
controllo locale
del tumore
D2
100
complicazioni
50
D1
0
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dose
29/37
24
RAPPORTO TERAPEUTICO (RT)
%
100
90
100
complicazioni
controllo locale
del tumore
50
50
15
0
dose
A
B
90% cura
98% cura
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dose
A B
15% complicazioni
53% complicazioni
RT = 6.00
RT = 1.85
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FRAZIONAMENTO DELLA DOSE
cellule con danno sub-letale recuperano l'attività
normale nell'intervallo di tempo fra le sedute
13
31/37
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FRAZIONAMENTO DELLA DOSE
numero cellule sopravissute
105
lunedì
12 frazioni
(1 Gy)
104
D
d
s
d
d
103
S
102
10
d
S = sN
6 frazioni
(2 Gy)
D1
D = Nd
1 frazione
(12 Gy)
2
D. SCANNICCHIO 2014
4
6
8
10 12 14
dose (Gy)
14
32/37
EFFETTO OSSIGENO
Oxygen Enhancement Ratio (OER)
dose necessaria a produrre un dato effetto
in condizione di anossia /ossigenazione
dose in anossia
OER =
dose in ossigenazione
OER = f (LET)
esempio carcinoma mammario isolato (topo)
dose di controllo
in ipossia : 10600 rad
non isolato e ossigenato : 4050 rad
10600
33
OERsistema =
15
= 2.6
33/37
4050
D. SCANNICCHIO 2014
EFFETTO OSSIGENO
sensibilità
cellulare
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
5
pressione
10
O2
15
(Pa)
1 atmosfera
17
D. SCANNICCHIO 2014
34/37
EFFETTO OSSIGENO
numero
cellule
vitali
cellule necrotiche
capillari
108
107
106
cellule ossigenate
105
cellule iposssigenate
OER = 2.7
104
103
2
10
cellule ossigenate
popolazione mista
1% cellule ipossigenate
10
0
D. SCANNICCHIO 2014
10
20
30
40
50
60
Gy
dose
19
35/37
OER
4.0
3.5
OER = f (LET)
3.0
2.5
2.0
varie cellule
vari ioni
varie cellule
RBE
1.5
1.0
0.5
0
LET (keV µm–1) 10
100
Si
C
He
Ar
1000
10000
Ne
neutroni
16
36/37
EFFETTI da RADIAZIONI IONIZZANTI
Radiation Biological Efficiency (RBE)
- energia della radiazione
- curva di soravvivenza cellulare/dose di radiazione
- tipologia di tessuto e di cellula
- fase del ciclo cellulare
- tipo di radiazione
- Linear Energy Transfert (LET)
- Oxigen Enhancement Ratio (OER)
･ radiazione a basso LET - produzione di radicali liberi
raggi X, elettroni
- rottura del legame chimico
(riparazione del danno al DNA)
･ radiazione ad alto LET - produzione di radicali liberi
- taglio fisico del DNA
protoni, ioni
(danno al DNA non riparabile)
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