Os pesquisadores permitem melhor tratamento de câncer usando equipamentos médicos existentes

Métodos modernos de radioterapia combateriam o câncer de maneira mais eficaz e segura se os tratamentos pudessem ser planejados, levando em consideração a qualidade da radiação dos feixes terapêuticos de prótons. Uma conquista de físicos do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonês de Ciências em Cracóvia nos aproxima desse objetivo. A pesquisa é publicada na revista Física em Medicina e Biologia.

Na medicina de hoje, o relacionamento é simples: se queremos que o tratamento do câncer seja mais eficaz e mais seguro para o paciente, geralmente precisamos investir em melhores equipamentos de irradiação, que, no caso de feixes modernos de prótons, significa custos que chegam a dezenas de milhões de euros.

Acontece, no entanto, que uma melhoria no tratamento é alcançável a um custo relativamente baixo usando o equipamento que já está em operação, graças a uma solução apresentada por uma equipe de físicos do Cyclotron Center Bronowice (CCB) do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ Pan) em Cracow. A inovação, que pode ser aplicada com o equipamento já em uso, permite que os físicos médicos, na fase de planejamento da terapia, verifiquem um parâmetro não explorado anteriormente na prática clínica: a qualidade do feixe de prótons.

“Quando levamos em consideração a qualidade do feixe de radiação, somos capazes de determinar o efeito biológico da radiação com mais precisão e destruir as células cancerígenas com mais eficácia, reduzindo os danos a tecidos saudáveis. O software moderno de planejamento de terapia de prótons permite que esse parâmetro seja levado em consideração.

“Na prática, ninguém faz isso, e uma das razões para isso é que, até agora, não houve um método rápido e simples para a verificação experimental da qualidade da radiação. Mostramos que existe uma solução prática para esse problema barato e fácil de implementar”, diz o Dr. Jan Gajewski (IFJ Pan).

Na luta contra as células cancerígenas, os médicos atualmente usam irradiação principalmente com fótons, enquanto apenas um pequeno número de pacientes submetidos à radioterapia pode se beneficiar da terapia com prótons. Dois fatos são fundamentais aqui. Em primeiro lugar, quando um feixe de partículas de alta energia interage com as moléculas de DNA celular, as prejudica, causando a morte celular. Em segundo lugar, as células cancerígenas são geralmente mais sensíveis à radiação do que as células teciduais normais e saudáveis que podem reparar com eficiência danos ao DNA.

Como o feixe terapêutico é administrado se torna crítico. Para evitar complicações posteriores, como necrose de tecido saudável, o feixe deve interagir apenas com células dentro do tumor. Isso, no entanto, não é possível, porque a radiação geralmente deve cruzar o tecido normal para alcançar o tumor.

Ao mesmo tempo, todo o volume do tumor com alguns tecidos saudáveis circundantes deve ser irradiado com segurança. Isso ocorre porque, na prática, se algumas das células cancerígenas sobreviverem ao tratamento, a recorrência geralmente é mais perigosa que o tumor primário.

Todos os tratamentos de radioterapia são cuidadosamente planejados. O médico determina primeiro a extensão da lesão cancerígena e, depois, usando software especializado, planeja uma série de frações de tratamento normalmente ao longo de semanas.

Médicos e físicos juntos determinam com precisão as direções das quais o tumor será irradiado, as energias das partículas a serem usadas, a intensidade do feixe e a duração da irradiação. O planejamento de tratamento apropriado mais tarde possibilita fornecer uma dose letal de radiação ao volume do tumor, minimizando os danos ao tecido saudável.

No entanto, o planejamento por si só não é suficiente. Para confirmar que a dose terapêutica está em conformidade com o plano de tratamento desenvolvido, antes de cada tratamento, o físico médico deve medir a distribuição de doses de radiação que o paciente receberá.

Se o feixe terapêutico consistir em fótons, todos eles interagem de maneira semelhante com as células encontradas no corpo do paciente. Quando se trata dos efeitos biológicos da irradiação, os físicos falam sobre a qualidade da radiação, que para fótons será a mesma em cada ponto irradiado. Os prótons se comportam de maneira diferente ao desacelerar: inicialmente, perdem pouca energia, mas quanto mais lentas forem, mais rapidamente perdem energia.

Como resultado, o feixe de prótons deposita a maior parte de sua energia no final de seu caminho, a uma profundidade bem definida dentro do corpo do paciente. A qualidade desse feixe de prótons é significativamente diferente da de um feixe de fótons comumente usado na radioterapia.

Um parâmetro físico chamado transferência de energia linear (LET) é usado para descrever a qualidade da radiação que influencia o efeito biológico. Ele carrega informações sobre quanta energia uma partícula deposita a uma distância fixa ao longo de seu caminho e como essa perda varia com a energia da partícula.

Preparar os planos de tratamento levando em consideração o parâmetro Let não é um problema hoje. Infelizmente, a prática clínica atual carece de instrumentos e técnicas de medição para verificar a distribuição da transferência de energia linear diretamente no ambiente clínico de radioterapia.

Durante a pesquisa realizada no CCB usando um feixe de prótons do Proteus C-235 Cyclotron, os cientistas do IFJ PAN usaram um detector de timepix3 disponível comercialmente para caracterizar o parâmetro Let. Este pequeno e relativamente fácil de usar detector é resultado do trabalho da colaboração Medipix3, formada em 2005 na Organização Europeia de Pesquisa Nuclear (CERN), com o objetivo de amplas aplicações de soluções técnicas desenvolvidas para rastreamento de partículas em experimentos de física de alta energia.

As inúmeras aplicações dos detectores de timepix são uma demonstração exemplar de como a pesquisa pioneira em física, aparentemente desconectada da realidade cotidiana, se traduz em melhorias na qualidade da vida humana.

“O detector de timepix3 está equipado com um sensor de silício de 300 micrômetros de espessura. Seu eletrônico de leitura é uma matriz de 256 por 256 pixels, que permite a aquisição de faixas de partículas únicas. A resposta de cada pixel depende da energia que ela registra.

“Esta informação, juntamente com os parâmetros da pista, permite-usar métodos de inteligência artificial-a identificação de um único próton e a estimativa de seu parâmetro Let. A metodologia proposta permite caracterizar Let Under Irradiação Compatíveis com os planos terapêuticos, que foi um desafio-chave para nós”, explica o Autor do Autor de Doutorado Paulina Sasica.

Antes do método para medir a qualidade dos feixes de prótons propostos pelos físicos do cracrow, se tornar a prática cotidiana, um obstáculo técnico terá que ser superado. Os ciclotrons médicos modernos produzem vigas para uso clínico, ou seja, de alta intensidade.

Enquanto isso, as medidas realizadas com os detectores de timepix requerem feixes de baixa intensidade. Sabe -se, no entanto, que esse problema pode ser resolvido pelos fabricantes de ciclotron com uma atualização apropriada para o software que controla a intensidade do feixe produzido por um ciclotron.

“Pela primeira vez, podemos falar de um método praticamente pronto para implementar para medir a qualidade do feixe de radiação diretamente nas instalações de terapia de prótons. Sua disseminação é uma maneira de melhorar a eficiência e a segurança da terapia de prótons modernos e os métodos de irradiação mais avançada usando hélio, carbono ou oxigenar os bastões de Íons.

A pesquisa sobre a metodologia para medir a qualidade dos feixes de radiação foi realizada sob a concessão XII do Centro Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (Polônia).