Μελέτη της βελτιστοποίησης εξελιγμένων τεχνικών ακτινοθεραπείας με χρήση νανοσωματιδίων

Abstract

Over the last decades, Nanoparticles (NPs) have invaded in modern radiotherapy research since they are proposed as ideal radiosensitizers. Owing to a huge variety of advantageous properties and especially due to their high biocompatibility, gold nanoparticles (AuNPs) have attracted scientific interest since they could be utilized as dose enhancement agents in modern radiotherapy techniques. The aim of this thesis was the quantification of dose enhancement that could be achieved in AuNPs loaded tumors external radiotherapy through Monte Carlo calculations and the determination of the parameters that may affect dose increase. For this purpose, a flattened and a flattening filter free 6 ΜV photon beam arising from the TrueBeam® linear accelerator was modelled in GATE platform. AuNPs of different sizes were arranged in clusters and distributed in different depths in a modelled water phantom. The clusters were irradiated under the simulated photon beams.AuNPs size, concentration and their biodistribution were examined concerning their impact in dose enhancement. Dose increase was calculated as a function of distance from clusters and photon beam central axis, while depth in phantom and photon field size were investigated as well. Τhe results from the research showed that dose was increased up to 27% in presence of AuNPs. The greatest dose enhancement was obtained in the first 100 nm from AuNPs clusters and was reduced with distance. Flattening filter absence led to greater dose increase, almost independently of photon field size. Distribution of AuNPs in the examined depths in water (2, 5 and 10 cm) has been proved appropriate for dose amplification. AuNPs concentration did not have a straightforward impact in dose enhancement since (self) absorption phenomenon from the clusters in water may restrict the number of secondary electrons that deposit their energy in water. The arrangement of closely packed AuNPs in clusters which could be distributed in close distances in tumor regions could possibly cause limitations in dose enhancement due to secondary particles absorption from each underneath cluster. AuNPs driven radiotherapy needs a thorough research prior to any clinical implementation. AuNPs ideal concentration, biodistribution, excretion routes and toxicity effects should be accurately evaluated. Finally, the implementation of AuNPs distribution and the physics models that dominate in nanoscale should be precisely defined since they should be implemented in treatment planning systems in order to perform nanodosimetric calculations and predict accurately the dose distribution in patients that undergo radiotherapy.

Τις τελευταίες δεκαετίες, τα Νανοσωματίδια (ΝΣ) έχουν προταθεί ως ακτινοευαισθητοποιητές των όγκων που υπόκεινται σε ακτινοθεραπεία (ΑΚΘ) εξαιτίας μιας ευρείας γκάμας χρήσιμων ιδιοτήτων τους. Ιδιαίτερα τα νανοσωματίδια χρυσού (ΝΧ) τα οποία παρουσιάζουν μία πληθώρα πλεονεκτημάτων έναντι άλλων μεταλλικών ΝΣ, και ιδιαίτερα υψηλή βιοσυμβατότητα, φιγουράρουν ως ιδανικοί ενισχυτές της δόσης που εναποτίθεται σε έναν όγκο στόχο υπό ακτινοβόληση. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ποσοτικοποίηση της ενίσχυσης της δόσης που μπορεί να προκληθεί στην εξωτερική ΑΚΘ όγκων που περιέχουν ΝΧ μέσω Monte Carlo υπολογισμών και η εκτίμηση των παραμέτρων που την επηρεάζουν. Αρχικά, στην προγραμματιστική πλατφόρμα GATE μοντελοποιήθηκε ομοίωμα νερού και δέσμη φωτονίων ενέργειας 6 ΜV προερχόμενη από το γραμμικό επιταχυντή (γ.ε.) ΤrueBeam της εταιρίας Varian παρουσία και απουσία του φίλτρου επιπέδωσης. Στη συνέχεια ΝΧ διαφόρων μεγεθών τοποθετήθηκαν στο μοντελοποιημένο ομοίωμα νερού σε διάταξη αποικιών και ακτινοβολήθηκαν με τις προσομοιωμένες δέσμες υπό διαφορετικές συνθήκες. Από τις ακτινοβολήσεις υπολογίστηκε η προκληθείσα αύξηση της δόσης και εκτιμήθηκε η επίδραση σε αυτήν του μεγέθους των ΝΧ, της συγκέντρωσης και της βιοκατανομής τους, σε επίπεδο νανοκλίμακας. Παράλληλα, συγκρίθηκαν οι υπολογισμοί της ενίσχυσης της δόσης από την τοποθέτηση των ΝΧ σε διαφορετικά βάθη εντός του ομοιώματος νερού. Επιπλέον μελετήθηκε η αύξηση της δόσης συναρτήσει της απόστασης από τα ΝΧ και σε διάφορες αποστάσεις από τον κεντρικό άξονα της δέσμης φωτονίων όπως προέκυψε από ακτινοβόληση του ομοιώματος νερού με πεδία φωτονίων διαφορετικών μεγεθών.Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας έδειξαν πως η παρουσία ΝΧ σε έναν όγκο μπορεί να ενισχύσει τη δόση έως και κατά 27%. Η μέγιστη ενίσχυση της δόσης σημειώθηκε στα πρώτα 100 nm από τις αποικίες και μειώθηκε με την απόσταση από αυτές. Παράλληλα, η αφαίρεση του φίλτρου επιπέδωσης από τη δέσμη του γ.ε. οδήγησε σε υψηλότερη ενίσχυση της δόσης συγκριτικά με την αύξηση που σημειώθηκε παρουσία αυτού. Ακτινοβόληση με μεγαλύτερα πεδία φωτονίων συσχετίστηκε επίσης με υψηλότερη ενίσχυση της εναποτιθέμενης δόσης. Τα βάθη στα οποία τοποθετήθηκαν οι αποικίες (2, 5 και 10 cm) αποδείχτηκαν επαρκή για την υπολογισθείσα αύξηση δόσης. Ο αριθμός των αποικιών ΝΧ στο ομοίωμα νερού δε συσχετίστηκε γραμμικά με την αύξηση της δόσης. Η κατανομή των ΝΧ στον υπό ακτινοβόληση όγκο επηρέασε σημαντικά την επαύξηση της εναποτιθέμενης ενέργειας στο νερό καθώς σημειώθηκαν φαινόμενα απορρόφησης των παραγόμενων δευτερογενών σωματιδίων από τις ίδιες τις αποικίες ΝΧ (ιδιαίτερα από τις πιο πυκνές), αλλά και από αυτές που έπονταν της πρώτης στην περίπτωση διάταξης πολλαπλών. Πριν από την κλινική εφαρμογή μιας καθοδηγούμενης ΑΚΘ με ΝΧ πρέπει να απαντηθούν ερωτήματα που σχετίζονται με τη συγκέντρωση αυτών, τη βιοκατανομή τους, τη διαδρομή που ακολουθούν κατά την αποβολή τους από τον οργανισμό, την ενδεχόμενη τοξικότητά τους κ.λπ. . Παράλληλα, περεταίρω διερεύνηση απαιτείται στις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων ενεργειών eV με την ύλη σε επίπεδο nm και στην ενσωμάτωση των μοντέλων που τις περιγράφουν στα συστήματα σχεδιασμού ΑΚΘ.