Microdosimetría de la radioterapia con protones usando nano-partículas de oro como agentes sensibilizadores

Abstract

La radioterapia con protones es uno de los enfoques más prometedores para el tratamiento del cáncer. En comparación con las técnicas modernas de radioterapia con fotones, como lo son la radioterapia de intensidad modulada (IMRT) y la arcoterapia volumétrica (VMAT), con esta técnica se alcanza una mejor conformación de la dosis en el tejido tumoral al mismo tiempo que se disminuye la dosis en estructuras a riesgo cercanas y tejido sano circundante. De forma semejante, desde principios de los años 2000, experimentos de irradiación de líneas celulares (in-vitro) y tumores en pequeños animales (in-vivo), han demostrado el potencial de las nano-partículas de oro (GNP) para ser utilizadas como agentes sensibilizadores en tratamientos de radioterapia con fotones. Al respecto, durante los años recientes la comunidad científica ha dirigido su interés hacia una tercera opción potencial para el mejoramiento de la radioterapia, en donde las dos alternativas anteriores convergen, ahora se estudia el incremento del efecto biológico resultado del uso de las GNP en la irradiación con protones. Investigaciones pioneras en las que se irradian lineas celulares (in-vitro) han reportado incrementos hasta del 20 % en la efectividad de la protonterapia para producir la muerte de células tumorales cuando en el medio se encuentran GNP. En este trabajo se estudia la dosimetría de un haz de protones interactuando en un medio acuoso con nano-partículas de oro (GNP), y se analiza tanto el incremento local de dosis, y el incremento del LET como factores que contribuyen significativamente a esta mejora. Para este fin, fue construida una simulación, usando el código Montecarlo Geant4-DNA, por medio de la cual se modela un haz de protones de uso clínico que interactúa con un maniquí de agua y diferentes concentraciones de GNP de forma esférica. Como resultado se cuantifica la energía depositada, la longitud de la trayectoria recorrida y el LET promedio de los protones en agua, se comparan los resultados variando los valores de diámetro de las GNP en el rango de 1 - 20 nm y las concentraciones de oro en el rango de 5 - 25 mg/ml. Se encuentra que las nano-partículas de oro en el medio acuoso actúan como moderadores del haz de protones, de manera tal que se alcanza la región de dosis máxima (Pico de Bragg) en una trayectoria más corta de los protones. Se estiman incrementos en el LET, al final del recorrido, de entre 7 % y 38 % para concentraciones de oro de 5 y 25 mg/ml respectivamente, como consecuencia se evidencian incrementos de la dosis absorbida hasta del 10 %. (Texto tomado de la fuente).

Proton radiation therapy is one of the most promising approaches to treating cancer. Compared to modern photon radiotherapy techniques, such as intensity modulated radiotherapy (IMRT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT), this technique achieves better dose conformation in the tumor tissue, at the same time, the dose in nearby structures at risk and surrounding healthy tissue is reduced. Similarly, since the early 2000s, in irradiation experiments of cell lines (in-vitro) and tumors in small animals (in-vivo), the potential of gold nanoparticles (GNP) has been demonstrated to be used as sensitizing agents in photon radiotherapy treatments. In this regard, during recent years the scientific community has focused its interest towards a third potential option for the radiotherapy improvement, where the two previous alternatives converge, the increase in the biological effect resulting from the use of GNP in proton irradiation is now being studied. Pioneering researchs in which cell lines are irradiated (in-vitro) have reported increases of up to 20 % in the effectiveness of proton therapy to produce tumor cell death when GNP is deposited in the medium. In this work, the dosimetry of a proton beam interacting in an aqueous medium with gold nanoparticles (GNP) is studied, and both the local dose and the LET increases in the Bragg peak region are analyzed as contributing factors to this improvement. For this purpose, a simulation was built, using the Montecarlo Geant4-DNA code, by means of which a beam of protons for clinical use is modeled that interacts with a phantom of water and different concentrations of spherical GNP. As results, the energy deposited, path length and LET average of protons in water are estimated. The results are compared by varying the diameter values of the GNP in the range of 1 - 20 nm and the concentrations of gold in the range of 5 - 25 mg/ml. Gold nanoparticles in the aqueous medium are found to moderate the proton beam, such that the region of maximum dose (Bragg peak) is reached in a shorter proton path. Increases in the LET, at the end of the run, between 7 % and 38 % are estimated for gold concentrations of 5 and 25 mg/ml respectively, as a consequence, increases in the absorbed dose of up to 10 % are evidenced.