Aplicaciones de la Física Nuclear

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Capítulo 6

Aplicaciones de la Física Nuclear

Las aplicaciones de la FN las podemos subdividir en aquellas que utizan facili-dades (aceleradores, reactores, fuentes radiactivas), instrumentación (detectores, electrónica nuclear), o fenómenos nucleares.

6.1. Terapia de hadrones

6.1.1. Radioterapia

La radiotherapia consiste en la destrucción de las células cancerígenas de los tumores mediante radiaciones ionizantes. Las propiedades inhibidoras de las célu-las cancerígenas que poseen célu-las radiaciones ionizantes se descubrieron muy poco despues de la radiactividad. Hasta hace dos decenios los tratamientos usuales eran irradiaciones locales o globales mediante rayos gamma de Cobalto (bombas de cobalto) y mediante varillas de fuentes radiactivas (braquiterapia). Las dosis de radiación a aplicar en cada caso de tumor eran dosis globales que se atenían a protocolos elaborados únicamente en base a la experiencia empírica, viendo en tumores similares para que dosis se había alcanzado en casos anteriores la máxi-ma tasa de supervivencia un año o cinco años posteriormente al tratamiento. Los protocolos usuales a seguir en los diversos tipos de cáncer se basan en eliminar la mayor parte del tumor mediante cirugía, utilizando la quimioterapia o radio-terapia para eliminar células residuales dispersas en tejidos esencialmente sanos. Estos protocolos no son aplicables en el caso de tumores instalados en zonas don-de el acceso por cirugía no es posible y dondon-de la preservación don-de los tejidos sanos que rodean al tumor es esencial, como es el caso en los tumores de ojos y cerebro. En los últimos dos decenios se han producido una serie de avances tecnoló-gicos que han revolucionado el campo de la radioterapia. El avance en imagen médica producido por el desarrollo de la tomografía de rayos X asistida por ordenador (CT), la tomografía de electrones y positrones (PET) y la resonancia magnética nuclear (RMN) han permitido obtener imágenes de los tumores en tres

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dimensiones con precisión milimétrica. El desarrollo de los ordenadores permite actualmente la obtención de estas imágenes en tiempo real. Esto ha conducido al concepto de microdosimetría, en el que se abandonan las dosis globales en favor de dosis locales, aplicando a cada zona del tumor la dosis necesaria y evitando el daño inevitable de tejidos sanos por dosis globales excesivas.

Por otro lado se ha producido una disponibilidad de aceleradores de electrones a precios asequibles para los grandes hospitales que han permitido la aplicación de dosis locales y el desarrollo de métodos de apantallamiento de los tejidos sanos que ha conducido al abandono casi total de las bombas de cobalto.

Sin embargo, los avances antes mencionados no han sido particularmente re-levantes en el caso de tumores localizados en zonas donde el daño de los tejidos sanos circundantes tiene en general consecuencias fatales, como es el caso de los tumores de ojo y cerebro mencionados anteriormente. Esto es debido a que las trayectorias de los electrones no es rectilínea y a que en las colisiones con otros electrones emiten abundante radiación de frenando, que irradian los tejidos cir-cundantes.

Una posibilidad de soslayar los problemas que presentan los haces de electro-nes es la utilización de partículas más pesadas: protoelectro-nes, partículas α y núcleos, de energía suficientemente elevada como para penetrar hasta el tumor. De hecho haces de hadrones han sido utilizados desde los años 50 den forma experimen-tal. Sin embargo el desconocimiento de las características radiobiológicas de estos haces, la inexistencia de sistemas de imagen adecuados y de ordenadores suficien-temente rápidos condujeron a que los resultados obtenidos con haces de hadrones no diesen resultados considerablemente mejores que la radioterapia tradicional como para plantearse la instalación de instalaciones de ciclotrones y sincrotrones con fines puramente médicos.

La situación ha cambiado drásticamente en el último decenio gracias a los avances realizados tanto en imagen y velocidad de ordenadores como en el co-nocimiento de las propiedades radiobiológicas de los haces de hadrones. Investi-gaciones realizadas en el GSI de Darmstadt (Alemania) y CHIBA (Japón) junto con las investigaciones realizadas previamente en Berkely, han conducido a la demostración que la terapia con haces de hadrones puede alcanzar porcentajes de curación muy superiores a las de la terapia tradicional en un cierto número de tipos de tumores localizados en zonas inaccesible por cirugía y rodeadas de tejidos vitales. El tratamiento realizado a centenares de pacientes ha permitido la creación de un protocolo de intervención en estos casos. El porcentaje de casos de estos tumores existente, hace que en los países desarrollados se esté planteando la creación de instalaciones de terapia de hadrones y que diversas empresas se estén planteando la construcción de ciclotrones y sincrotrones dedicados a este fin.

En las siguientes secciones expondré los fundamentos de la terapia de hadrones y los avances realizados en los últimos años en el campo.

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6.1.2. Dosis de radiación

Los efectos producidos por la radiación en la materia son proporcionales a la cantidad de energía por unidad de masa depositada por la radiación que es absorbida por la materia:

D = dE dm

Hay dos unidades que se utilizan frecuentemente, el Gray (Gy) definido como 1 Gy = 1 J/kg, y el rad definido como 1 rad = 100 erg/g. Tenemos por lo tanto 1 Gy = 100 rads. Cuando una partícula pasa por la materia produce otras partículas en movimiento, por lo que decimos que hay una transferencia de energía cinética de la partícula a la materia. Esta energía cinética transferida se denomina Kerma, y tiene las mismas unidades que la dosis:

K = dTtrans dm

Si consideramos un volumen pequeño de materia, sólo una parte de la energía transferida es realmente absorbida, y el resto pasa a la materia adyacente. Cuando hay una situación de equilibrio electrónoco, la energía cinética depositada que salr del volumen considerado es igual la la energía cinética depositada en el exterior del volumen que pasa al interior del mismo y es absorbida por el mismo. Cuando estamos en una situación de equilibrio electrónico el herma y la dosis tienen el mismo valor. Una partícula cargada o fotón que atraviesa la materia produce esencialmente fotones y electrones. Los fotones y electrones de muy baja energía son absorbidos por efecto fotoeléctrico y colisiones con otros electrones respecti-vamente. Los electrones de mayor energía, denominados electrones δ, describen trayectorias propias y depositan su energía a lo largo de la misma. Los fotones de mayor energía depositan su energía por efecto Compton e varios electrones, hasta que su energía es lo suficientemente pequeña para ser absorbida por efecto fotoeléctrico.

6.1.3. Daño biológico de la radiación

La radiación produce en la materia daño de dos formas: directa, en la que la radiación destruye las moléculas, dejando iones, e indirecta, en la que los elec-trones y fotones de baja energía son absorbidos por la materia, ionizándola. En la materia viva, el daño más importante de la radiación es debido a la ruptu-ra de moléculas de ADN por los iones. Una pequeña parte de las moléculas de ADN se rompen por interacción directa con la radiación primaria, mientras que la mayor parte se rompen por interacciones con iones secundarios creados por la radiación. Los objetos ionizantes que se forman en más cantidad en la materia viva son radicales libres H•y OH• y los denominados electrones acuosos, e − aq, que son estructuras formadas por un electrón y varias moléculas de agua. La más

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Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences

Herbert, John M. and Head-Gordon, Martin (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 14282-14287 Fig. 4. Snapshots from ab initio molecular dynamics simulations

Figura 6.1: Estructura de un electrón acuoso. abundante es (OH)−

4, aunque estructuras (OH)−n son también posibles y han

si-do identificadas espectroscópicamente. Cuansi-do uno de estos iones colisiona con una molécula de ADN se pueden producir una de las tres siguientes situaciones: a) Reacciona con la misma, alterando su estructura molecular, b) rompe uno de sus ejes de C, dañando la estructura de la molécula. c) rompe los dos ejes de la molécula, partiéndola.

6.1.4. Trayectorias de partículas y LET

Un aspecto esencial de los hadrones es que sus trayectorias son esencialmente rectilíneas salvo cuando se producen colisiones entre los núcleos proyectil y blan-co. Sin embargo, a lo largo de la trayectoria se emiten electrones de alta energía, conocidos como electrones δ. El alcance y la dosis proporcionada por estos elec-trones debe de ser evaluada para una estimación correcta de la dosis. En el GSI de Darmstadt se han realizado diversos experimentoa para este fin y elaborado espectrómetros capaces de medir estos electrones δ. En la Fig. 6.7 se muestran esquemas de trayectorias de 12C.

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Figura 6.2: Procesos de ionización de iones en materia.

Figura 6.3: Espectrómetro para medir electrones δ. 183

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Figura 6.4: Ruptura doble de la molecula de ADN por radiación directa

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Figura 6.5: Comparación del LET de fotones e iones de C

7

Figure 1.1: Dose profiles of various particles [U. Weber]. The photons show a maximum in the beginning of the entrance channel and thereafter an exponential decrease. Ions have a sharp dose maximum at the end of their range. Due to the mass dependence (1

M) of the longitudal straggling

the bragg peak is narrower for carbon ions than for protons. Behind the Bragg peak of the carbon beams, a characteristic dose tail can be observed. The dose tail rises from fragmentation of the carbon ions.

Figura 6.6: Dosis de diferentes iones y fotones en función de la profundidad en agua.

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Otro parámetro fundamental para las partículas cargadas pesadas es el LET, que es esencialmente el poder de frenado de la Física Nuclear, pero medido en unidades de kev/mµ. Es decir, el poder de frenado másico usualmentge utiliza-do en Física Nuclear multiplicautiliza-do por la densidad. El LET aumenta cuanutiliza-do la velocidad de la partícula disminuye presentando el característico pico de Bragg.

Se encuentra que en las trayectorias de iones pesados existen unos radios rmin

y rmax tales que la distribución radial de la dosis se puede parametrizar como D(r) =      λLET r2 min r < rmin λLET r2 rmin< r < rmax 0 r > rmax

El valor máximo del radio rmax = γEδsatisface con γ = 0,05 y δ = 1,7 y está

determinado por el alcance de los electrones más energéticops producidos por la partícula primaria.

6.1.5. Curvas de supervivencia y eficiencia radiobiológica

Un concepto esencial es el de curva de supervivencia. Las curvas de supervi-vencia representa la fracción de células que sobreviven (es decir que siguen siendo activas para la reproducción) en función de la dosis recibida. Las curvas de su-pervivencia se pueden medir in vitro y in vivo. In vitro se cultivan células a 37◦y

posteriormente, cuando se han formado suficientes colonias se someten a radia-ción y se cuentan las colonias activas. In vivo se desarrollan tumores en animales de laboratorio y se irradian. Las curvas de supervivencia dependen del tipo de célula y de la partícula y energía de la radiación ionizante. También dependen de la etapa de la vida de la célula, como veremos más adelante.

El modelo más sencillo que posemos pensar de curvas de supervivencias es un modelo donde la fracción de células que se inactivan es proporcional a la dosis recibida. En este modelo

dN = N D0

dD

donde D0 se denomina dosis media letal, y es el único parámetro del modelo. El

resultado de integrar la anterior ecuación es

N = N0e−D/D0 (6.1)

Una justificación de este modelo es suponer que una trayectoria basata para matar a la célula. Si el volumen de una célula es v y el número de trayectorias por unidad de volumen es nt, el promedio de trayectorias en el volumen celular es ntv. El número de trayectorias por unidad de volumen es igual a la dosis dividida

por la densidad y la energía promedio de cada trayectoria

nt = D ρet

= αD 186

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Figura 6.7: Trayectoria de iones en materia

(10)

Figura 6.8: Distribución radial de la dosis

(11)

4.5. RESULTS 35

Figure 4.9: Attenuation of a 400 MeV/u and 200 MeV/u12C beam in water shown together with

corresponding Bragg curves. The filled symbols are data collected in July 2005, data from February are shown with not filled symbols. Triangles are used for the 400 MeV/u data and the 200 MeV/u data are shown with circles.

Figura 6.9: Atenuación y curvas de Bragg

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Como el número de trayectorias en un volumen determinado satisface la distribu-ción de Poisson, la probabilidad de que no haya ninguna trayectoria en el volumen celular, que es igual a la probabilidad de supervivencia, es

P0= exp(−αD)

con lo que obtenemos la ecuación 6.1 con D0= 1/α.

Este comportamiento sólo se observa en la práctica para partículas altamente ionizantes, mientras que para rayos γ y partículas de baja energía lo que se obseva es un comportamiento que se describe aproximadamente por la ley

N = N0e−(D−Dq)/D0 (6.2)

donde Dqes una dosis umbral por debajo de la cual no se observa inactivación. En

la figura 6.10 se observan estos dos comportamientos en el caso de haces de rayos X e iones de C. Estos dos comportamientos corresponden a las situaciones en las que un sólo impacto produce la inactivación (modelo single hit) y varios impactos son necesarios para producir la inactivación (modelo multi hit). Es intuitivo que las partículas altamente ionizantes producirán la inactivación más facilmente con un sólo impacto. Vamos a ver en más detalle el modelo de impacto múltiple. En este modelo la probabilidad de sufrir al menos un impacto con una dosis D es

P# = 1− e−D/D0

y por lo tanto la probabilidad de sufrir al menos n impactos es

Pn# =%1− e−D/D0&n

Por lo tanto la probabilidad de sufrir menos de n impactos es

Pn =

'

1%1− e−D/D0&n (

La curva de supervivencia si hacen falta al menos n impactos para inactivarla es por lo tanto

N = N0

'

1%1− e−D/D0&n (

Si desarrollamos en serie la pogtencia tenemos en primer orden en n

N = N0ne−D/D0

por lo que, comparando con el modelo empírico6.2, tenemos la relación

n = eDq/D0

El significado de la dosis umbral Dqes por lo tanto el logaritmo del número de

impactos necesarios para inactivar una célula multiplicado por la dosis media letal

Dq= D0ln n

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El modelo multiblanco tiene como característica que la pendiente dN/dD es nula en el origen si n "= 1, lo que no corresponde a la realidad en todos los casos. Otro modelo de curva de supervivencia frecuentemente empleado para tener en cuenta la necesidad de varios impactos para inactivar las células y que no tiene pendiente nula en D = 0 es el modelo lineal-cuadrático o modelo L − Q

N = N0exp−(αD + βD2)

Este modelo se justifica suponiendo que la radiación produce sublesiones que pueden interaccionar para producir una lesión letal si ambas sublesiones están suficientemente cerca.

6.1.6. Eficiencia radiobiológica

Las curvas de supervivencia para diferentes partículas permite definir el con-cepto de eficiencia radiobiológica (RBE) de cada tipo de radiación. La RBE se define con respecto de una radiación patrón, tomada usualmenter como rayos X de 100 keV, para los que existe abundante información. La eficiencia radiobioló-gica de una radiación R se puede definir para cualquier efecto determinado X como:

RBE(X, R) = Dosis radiacin de ref erencia necesaria para producir el ef ecto X Dosis radiacin R necesaria para producir el ef ecto X

Por ejemplo, en la figura6.10, la RBE de un haz de C a 11 A · MeV para con-seguir una supervivencia del 0.1 es 4.1, mientras que si el efecto buscado es la supervivencia del 1 %, el RBE 3.4. La dosis física necesaria para producir un efec-to biológico determinado es la dosis necesaria para producir dicho efecefec-to por la radiación de referencia dividida del RBE.

6.1.7. Sección eficaz de activación, mutación y ruptura de

ADN

Un concepto próximo al de curva de supervivencia es el de sección eficaz de inactivación. Este concepto es similar al de sección eficaz en Física Nuclear, pero en el que los sucesos que se miden son inactivaciones de células. Esta sección eficaz se mide en µm2. Cuando coincide con la sección geométrica de la célula,

significa que un sólo impacto de la radiación inactiva la célula.

Se define la fluencia Φ como el número de partículas incidentes por unidad de área. Si tenedmos n tipos de blanco con secciones eficaces σi y distribución

de frecuencias h(σi), la probabilidad cdde que haya blancos con ningún impacto

(que sobrevivan)I es P (0) = n ) i=1 h(σi)e−σiΦ 191

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Figura 6.10: Curvas de supervivencia para rayos X e iones pesados

(15)

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`ªªDENªªQUADRATISCHENª!NTEIL ªDERªBEIªDENªHOHENª$OSENª àBERWIEGTª$ASª6ERHÊLTNISªª_`ISTªDAMITªEINª-A”ªFàRª DIEª2EPARATURFÊHIGKEITª

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Figura 6.11: Curvas de supervivencia para diversas partículas

(16)

Chapter 10

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Figure 5.3

(top): Inactivation cross section of V79 Chinese hamster cells for various particles from He to U as a function of the linear energy transfer.

(bottom): Mutation cross section of the HGPRT gen in Chinese hamster cells as a function of the same parameters as above.

[according to Kiefer 1992]

+

+

+

Figura 6.12: Secciones eficaces de inactivación y mutación

(17)

Chapter 1 Introduction

Figure 1.10: Standard eucaryotic cell cycle stages and checkpoints adapted from Alberts et al. (1994) and Sancar et al. (2004). The cell cycle is divided into four successive phases, G1, S (DNA synthesis), G2and M (mitosis). Certain cell types leave the cell cycle and enter a resting state called G0. The cell cycle is controlled by three main checkpoints: G1/S, intra-S-phase and G2/M checkpoint.

peripheral blood lymphocytes, which have been used in the present study, are not cycling. They are in a resting stage called G0-phase.

When cells progress from one cell cycle stage to another, the integrity of the DNA is examined at specific points, called checkpoints (reviewed by Sancar et al., 2004). There are three main checkpoints, i.e. G1/S checkpoint, intra-S-phase checkpoint

and G2/M checkpoint as shown in fig. 1.10. The checkpoints employ sensor proteins

to detect DNA damages as well as complex signal transduction pathways to inhibit the cell cycle progression. The arrest is thought to provide additional time for the repair of lesion and the extent of this effect depends on the genetic background of the cells as reviewed by Fournier and Taucher-Scholz (2004). In particular, after heavy ion exposure pronounced cell cycle delays were observed (Collyn-d’Hooghe et al., 1981; Scholz et al., 1994; Ritter et al., 1996) and extended genetic studies with Chinese hamster cells and human fibroblasts confirmed that the cell cycle delays are related to aberration burden of cells (e.g. Ritter et al., 2000, 2002b; Gudowska-Nowak et al., 2005). However, for human lymphocytes, usually used to estimate the radiation risk of humans (see section 1.4.1), little is known on the relationship between cell cycle progression delay and aberration yield (George et al., 2001; Ritter et al., 2002a; Nasonova and Ritter, 2004).

When cellular damage cannot be properly repaired, checkpoint signaling may result in the activation of pathways leading to programmed cell death called

apop-12

Figura 6.13: Fases celulares

La sección eficaz σi es una sección eficaz efectiva que suele ser inferior al área

transversal geométrica.

6.1.8. Curvas de supervivencia y fases celulares

Las curvas de supervivencia dependen no sólo del tipoo de célula de que se trate sino también de la fase en la que se encuentra la célula. En la figura 6.13 se muestra un esquema de estas fases: G0 o fase de reposo, G1o fase de preparación

para la síntesis de ADN, fase S o de síntesis de ADN, fase G3o de preparación

pa-ra la meiosis y fase M de meiosis o división cedlular. Las curvas de supervivencia son distinytas en cada una de estas fases, pero la variación de la curva depende del tipo de células. Algunas células son más sensibles a la radiación en la fase S, otras en la M y otras en una de las fases G. El resultado de una irradiación es el de eliminar las fases más sensibles a la radiación, produciendo una sincronización de la fase de las células supervivientes. Sin embargo el tiempo de evolución de una fase a otra no es idéntico para todas las células, por lo que se produce al cabo de un tiempo una redistribución de las fases. Este hecho se utiliza en radio-terapia fraccionando la dosis total en diversas fracciones sepradas un intervalo de tiempo suficiente como para que se produzca una redistribución. Para calcular la efectividad del fraccionamiento de la dosis, aparte de la redistribución hay que tener en cuenta la repoblación que se produce con el tiempo. El espaciamiento temporal de las fracciones debe de ser tal que se produzca una redistribución sin repoblación apreciable. Otro efecto que juega en contra del fraccionamiento es el hecho de que las células pueden reparar el ADN mediante enzimas. El tiempo característico de reparación es de horas, por lo que este efecto debe de ser tenido también en cuenta en el fraccionamiento. En la Fig. 6.14 se muestran trazas de partículas parcialmente reparadas. Redistribución, reparación y repoblación son tres aspectos claves a tener en cuenta a la hora de fraccionar las dosis.

(18)

Figura 6.14: Reparación de ADN

(19)

6.1.9. El efecto de oxígeno

El oxígeno juega también un papel clave en la efectividad de la radión ionizante para inactivar las células. Se encuentra que el cociente de células que sobreviven en ausencia de oxígeno y presencia de oxígeno es una constante superior a la unidad, independientemente de la dosis. Se define el OER (Oxygen Enhancement Ratio) como

OER = dosis en N2para f raccin de supervivencia f dosis en O2para raccin de supervivencia f

El cociente de las dosis en presencia y ausencia de oxígeno que producen una frac-ción de supervivencia dada es también una constante.La razón de la resistencia de ciertos tumores a la radiación es la falta de oxigenación. La reoxigenación es el cuarto factor que interviene en la efectividad del fraccionamiento de la dosis.

6.1.10. Radioterapia y curación de tumores

Para conseguir la curación de un tumor es nercesario que no sobreviva nin-guna célula cancerosa. Si en un tumor tenemos N0 células cancerosas, la dosis

terapéutica tiene que ser tal que sobrevivan en promedio menos de una célula. Si

N0 está comprendido entre 10T−1 y 10T, hbrá que utilizar una dosis terapéutica DT de forma que la fracción de células que sobreviven sea popr lo menos

N N0

= 10−T

con lo que obtenemos la condición que determina la dosis terapéutica mínima 10−T = e−DT −DqD0

o lo que es lo mismo

DT = Dq+ 2,30· T D0

La fracción de células que sobreviven en promedio es

a = N0

10T

Como el número de células que sobreviven satisface una distribución de Poisson. la probabilidad de que sobrevivan k células es

Pk = ake−a

k!

La probabilidad de curación Pcur es la probabilidad de que no sobreviva ninguna,

y viene dada por lo tanto por

Pcur = P0 = e−a

(20)

Podemos pensar que lo adecuado es aplicar una dosis de forma que a sea muy pequeño. Sin embargo, a partir de una dosis determinada, las probabilidad de que aparezcan complicaciones ligadas al daño causado por la radiación es inaceptable. Se define el factor terapéutico para una dosis terapéutica DT como la relación

entre la probabilidad de curación y la probabilidad de complicaciones Pcomp RT(DT) =

Pcur(DT) Pcomp(DT)

Otra magnitud equivalente es el cociente terapéuto CT entre la dosis D2 que

produce complicaciones mortales en un 50 % de los casos y dosis D1 necesaria

para producir una curación con el 50 % de probabilidad

CT = D2 D1

Si esta relación es inferior a la unidad el tratamiento por radioterapia no es aconsejable.

Como las complicaciones dependen de la cantidad de tejido sano dañado por la radiación es evidente de que si se logra concentrar la dosis en los tejidos can-cerígenos evitandi daña los sanos el cociente terapéutico aumentatrá considera-blemente.

6.1.11. Radioterapia con iones pesados

En el pasado sólo se conocía la forma aproximada del tumor mediante cañe-ras con rayos X. Actualmente se puede conocer mediante tomografía de rayos X asistida por ordenador (CT) , Positron Electron tomography (PET) y resonan-cia magnética nuclear (RMN ) la forma y volumen de un tumor con precisión milimétrica. Como la densidad de cada punto del tumor es también conocida, esto permitte evaluar con gran precisión la dosis que debe recibir cada punto del tumor.

La posibilidad de aplicar dosis en zonas de volumen reducidas ha generado el concepto de microdosimetría, en el que no se realiza una irradiación global del tumor junto con tejidos circundantes sino que el tumor de divide en fracciones de volumen separadas, a las que se le aplica individualmente la dosis correspondiente. Para que la dosimetría sea aplicable no basta con el conocimiento espacial del tumor, sino que hay que medir con precisión las curvas de supervivencia del haz de radiación empleado. Esta labor se ha realizado en el GSI para haces de protones e iones pesados a las energías adecuadas para el tratamiento. El conocimiento de las curvas de supervivencia y la eficiencia radiobiológica de la radiación permite evaluar con precisión la dosis física que es necesario aplicar en cada zona del tumor. El tumor se divide en pixeles de volumen o voxeles, y a cada voxel se le asigna una dosis.

(21)

Uno de los aspectos importantes es el método en el que se aplica la dosis a diferentes profundidades. Si se quiere utilizar un haz de energía fija, la única forma de controlar la profundidad a la que se encuentra el pico de Bragg es mediante absorbente pasivos que absorben parte de la energías. En el pasado se utilizaron absorbentes pasivos y compensadores en forma de elipsoides para modular la dosis recibida por cada voxel, manteniendo fija la energía del. haz. Sin embargo este procedimiento genera fragmentación del haz y dispersión lateral. Además el haz se atenua con el espesor de materia atravesado. El método que se sigue hoy día es dividir el blanco en capas y variar la energía del haz cuando se trata cada capa, de forma que el máximoo de la curva de Bragg se encuentre justamente en esa capa. Con imanes rápidos se mueve el haz de forma que se cubra toda la suerficie de la capa, haciendo varios barridos para promediar cualquier inhomogeneidad del haz. A cada punto se led asigna un RBE que convierte la dosis física en dosis biológica, que tiene en cuenta la energía y la composición del haz, que está contaminado de fragmentos a profundidades apreciables así como la naturaleza del tejido. Primero se tratan las capas más profundas y se calcula on-line la dosis que debe de ser sustraida de las capas exteriores debido a las colas de las curvas de Bragg. Esto se realiza on-line de forma que a cada voxel se le distribuya la dosis biológica prevista.

El desarrollo de la terapia con hadrones ha requerido la realización de un gran número de aparatos necesarios para su aplicación. En la Fig. 6.18 se muestra una máscara utilizada para la inmovilización del paciente.

6.1.12. Resultados clínicos

El tratamiento con iones pesados a varios centenares de pacientes tratados en el GSI revela una probabilidad de curación mucho más elevada que la obtenida mediante radioterapia tradicional. Se han publicado resultados para dos tipos de tumores:

(22)

16 CHAPTER 3. EXPERIMENTAL SETUP

Figure 3.3: Photo of the water absorber with variable thickness positioned at the end of the beam line. Figura 6.15: Absorbente pasivo de radiación

(23)

"IOLOGISCHEª/PTIMIERUNG

)Nª EINEMª ZWEITEN ª AUFWENDIGERENª 6ERFAHRENª WIRDª DIEª

BIOLOGISCHEª /PTIMIERUNGª DURCHGEFàHRTª &àRª JEDENª

6OLUMENANTEILª6OXEL ªWIRDªDIEªAKTUELLEª2"7ªBERECHNETª

$AZUªWERDENªDIEª2"7 7ERTEªFàRªDIEª+OHLENSTOFlONENª

DERªVERSCHIEDENENª0RIMÊRENERGIENªIMª&ELDªUNDªDERENª

&RAGMENTEª BERECHNETª $ESHALBª ISTª ESª WICHTIG ª DA”ª INª

VORHERIGENª 3CHRITTENª DERª PHYSIKALISCHENª /PTIMIERUNGª

NICHTªNURªDIEª$OSISANTEILEªOPTIMIERTªWERDEN ªSONDERNª

DIEª (ERKUNFTª DIESERª !NTEILE ª Dª Hª DASª KOMPLETTEª

4EILCHENFELDªINªJEDEMª6OXELªBEKANNTªBLEIBTª

.ACHªDERª"ERECHNUNGªLOKALERª2"7 7ERTEªWIRDªDIEªBIOLOGISCH EFFEKTIVEª

$OSISª"IOLOGICALª%FFECTIVEª$OSEªª"%$ ªPUNKTWEISEªBERECHNETª

$IESEª 6ERTEILUNGª DERª "%$ª LIEGTª àBERª DERª URSPRàNGLICHENª 3OLLDOSIS

6ERTEILUNGª :UNÊCHSTª ISTª ESª AUFFÊLLIG ª DA”ª DIEª HÚCHSTENª 2"7 7ERTEª

HINTERªDEMªEIGENTLICHENª:IELVOLUMENªLIEGENª!BBª ª$ORTªWERDENª

2"7 7ERTEªBISªZUªªERREICHTª$ERª'RUNDªFàRªDIESEªHOHENª2"7 7ERTEª

LIEGTª DARIN ª DA”ª DIEª 2"7ª DOSISABHÊNGIGª ISTª UNDª MITª ABNEHMENDERª

$OSISª ZUª EINEMª GEWEBEABHÊNGIGEMª 'RENZWERTª DERª 2"7ª ANSTEIGTª

!UFªDERªDISTALENª3EITEªJENSEITSªDESª:IELVOLUMENSªISTªDIEª$OSISªSEHRªKLEINª

UNDªDESHALBªDIEª2"7ªBESONDERSªGRO”ª7IEªMANªAUSªDERª$ARSTELLUNGª

DERª 6ERTEILUNGª DERª BIOLOGISCH EFFEKTIVENª $OSISª "%$ª SIEHT ª ERGIBTª DIEª

-ULTIPLIKATIONªVONªAKTUELLERª$OSISªMITªDENªHOHENª2"7 7ERTENªIMMERª

NOCHªKLEINEª"%$ 7ERTEªUNDªDAMITªKLEINEª%FFEKT 7AHRSCHEINLICHKEITENª

UNDª STEILEª 'RADIENTENª !U”ERDEMª WERDENª INª DERª 0RAXISª INª JEDERª

"ESTRAHLUNGSFRAKTIONª ZUMINDESTª ZWEIª &ELDERª ZURª "ESTRAHLUNGª

EINGESETZT ª DIEª MEISTª VONª GEGENàBERLIEGENDENª 0FORTENª APPLIZIERTª

WERDENª$ANNªFÊLLTªDERªDISTALEª$OSISANTEILªDERªEINENª%INSTRAHLRICHTUNGª

INª DENª %INGANGSKANALª DERª ANDERENª UNDª DIEª HOHENª 2"7 7ERTEª DESª

EINENª&ELDESªWERDENªDURCHªDIEªNIEDRIGENªDESª'EGENFELDESªTEILWEISEª

KOMPENSIERTª

7ICHTIG

6ERTEILUNG

6ERTEILUNG

DEM

TE

$ESHALB

UND

NEUE

"%$ªªª2"7ªsª$OSIS



!BB

0ATIENTEN

SCHIEDENER

WURDE

SIKALISCHE

SOWIE

NACH

SCHIEDLICHE

4UMORHISTOLOGIE

KEIN

JEDEN

BIOLOGISCH EFFEKTIVE

EINGEZEICHNET

VON

(24)

Figura 6.17: Iones y fotones MEN LICHEN 4EIL DE FàHREN 5M WERDEN -ASKEN FERTIGT ENTENLIEGE &IXIERUNG -ILLIMETER BEREICH ËU”ERE WEGEN NICHT MOREN

&àRª ALLEª 0ATIENTENª ISTª DIESEª &IXIERUNGS -ASKEª DIEª EIGENTLICHEªKÚRPERLICHEªUNDªZUMª4EILªSEELISCHEª"ELASTUNGª BEIª DERª 3CHWERIONENTHERAPIEª $IEª -ASKEª UMSCHLIE”Tª DENª +OPFª ENGª UNDª GESTATTETª KEINEª "EWEGUNGSFREIHEITª $ASª ISTª DERª NOTWENDIGEª 3INNª DERª -ASKE ª DASª :IELVOLUMENª EXAKTª ZUª POSITIONIERENª $IEª %NGEª DERª -ASKEª UNDª DIEª 5NBEWEGLICHKEITª UNDª (ILmOSIGKEITª WIRDªVONªALLENª0ATIENTEN ªVORªALLEMªBEIª DENªERSTENª"ESTRAHLUNGENªALSªEXTREMEª PSYCHISCHEª"ELASTUNGªEMPFUNDENª



!BB

Figura 6.18: Posicionamiento paciente

(25)

$ASª/PTIMIERUNGS 6ERFAHRENªWIRDªSOªLANGEªITERIERT ªBISªDIEª GEWàNSCHTEª 3OLLDOSISª ERREICHTª ISTª &àRª DIEª SOª OPTIMIERTEª 4EILCHENVERTEILUNGª WERDENª DANNª DIEª 3TEUERDATENª FàRª DIEª 2ASTERSCAN "ESTRAHLUNGªBERECHNET

6ORª DERª 0ATIENTENBESTRAHLUNGª MàSSENª DIEª 3TEUERDATENª VERIlZIERTª WERDENª :URª 6ERIlZIERUNGª WIRDª MITª DENª 3TEUERDATENªDASª"ESTRAHLUNGSFELDªINªEINEMª7ASSERPHANTOMª ERZEUGTªUNDªDIEªKRITISCHENª3TELLEN ªWIEªZª"ªDIEª'RADIENTENª AMª(IRNSTAMMªMITªDàNNENª)ONISATIONSKAMMERNªGEMESSENª $IESEª0OSITIONENªUNDªDIEª,AGEªDESª:IELVOLUMENSªWERDENª VORHERª VONª DERª INHOMOGENENª $ICHTEª 6ERTEILUNGª DESª WIRKLICHENª :IELVOLUMENSª IMª 0ATIENTENª AUFª 3ITUATIONENª INª HOMOGENENª 7ASSERPHANTOMENª TRANSFORMIERTª )Nª DIESEMª TRANSFORMIERTEN ª WASSERÊQUIVALENTENª 4ARGETª ÊNDERTª SICHª ZWARª DIEª &ORMª DESª :IELVOLUMENS ª ABERª SCHARFEª +ONTURENª ODERª DIEª "EZIRKE ª DIEª VONª ÃBERREICHWEITENª GEFÊHRDETª WERDENªKÚNNEN ªBLEIBENªERHALTENªUNDªKÚNNENªMITªDIESERª -ETHODEªàBERPRàFTªWERDENª$IEªERFOLGREICHEªÃBERPRàFUNGª DERª3TEUERDATENªISTªDIEª6ORAUSSETZUNGªFàRªIHREª!NWENDUNGª AMª0ATIENTEN

7ËHREND

NUNG

0LANUNG

WIE

DER

GEBAUTEN

"AU

()4

SELBEN

STATTFINDEN



!BB 7OCHEN &ËLLEN DER SEKUNDËREN

Figura 6.19: Reducción de tumor

)NTERNATIONALEª3ITUATION $IE "ERKELEY IONEN VERWENDET NUTZT ZEIGT HYPOXISCHE WERDEN GEN "ESTRAHLUNGEN BESTRAHLT ZU ERTRËGLICHE CA

,QGLNDWLRQ (QGSXQNW (UJHEQLVVH3KRWRQHQ (UJHEQLVVH,RQHQ1,56 (UJHEQLVVH,RQHQ*6,

1DVRSKDU\Q[.DU]LQR PH )RUWJHVFKULWWHQHV 6WDGLXP \6   &KRUGRPH /&5    &KRQGURVDUFRPH /&5    *OLREODVWRPH $67 0RQDWH 0RQDWH $GHUKDXW0HODQRPH \6   (UKDOWG$XJHQOLFKWV 1DVHQQHEHQK|KOHQWX PRUHQ /&5   %DXFKVSHLFKHOGUVHQ .DU]LQRPH $67 0RQDWH 0RQDWH /HEHUWXPRUHQ \6   6SHLFKHOGUVHQWXPR UHQ /&5   :HLFKWHLO.DU]LQRPH \6    /&5/RNDOH.RQWUROOUDWH   3)65hEHUOHEHQRKQH7XPRUZDFKVWXP \6-DKUHVhEHUOHEHQ   $670LWWOHUHhEHUOHEHQV]HLW WURDEN TET  4HERAPIE BIS BEHANDELT RAPIE 2ADIOLOGIE DEM UNTERSCHEIDET SYSTEMEN UND



Figura 6.20: Tabla resultados clinicos 203

(26)

$IE ZEIT :ELL %XPERIMENTE FORMATION +OHLENSTOFFSTRAHLEN HÚHTE DER -ASSE EBENFALLS KÚNNTEN RAPIE .EUTRONEN WENIGER TRËGT DOSIS 3CANNUNG GILT DEM UND LICHE LENKEN

$ESHALBª SINDª FàRª DIEª 3CHWERIONENTHERAPIEª EHERªGERINGEREª3PÊTEFFEKTEªIMª.ORMALGEWEBEª ZUª ERWARTENª ALSª BEIª DERª HERKÚMMLICHENª 4HERAPIE $AS TE SEN EINEN 0ATIENTEN TE  *AHREN REITS



!BB ENTEN +ARZINOM "ESTRAHLUNG BESTRAHLT 2ESULTATE "ESTRAHLUNG 5NTEN TUMOREN #HONDROSARKOM 0ATIENTEN

Figura 6.21: Resultados Clinicos

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