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Aspetti radiobiologici in Terapia Medico Nucleare e Radioterapia. L. Strigari

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Academic year: 2022

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(1)

Aspetti radiobiologici in Terapia Medico Nucleare e Radioterapia

L. Strigari

(2)

NUOVE FRONTIERE NELLA TERAPIA

Che cos’è la radioterapia?

È una risposta fisica ad un problema biologico

La risposta fisica sono le radiazioni

Il problema biologico è la massa tumorale

3D TPS

Dose

r

65%

PTV CTV

(3)

Radiobiologia

• Studio dei fenomeni dose-risposta che avvengono scale spaziali e temporali estremanente variabili

• Interazioni Effetti fisici, chimici, biologici

• Controllo tumore, effetti su OARs (acuti

tardivi), induzione di tumori radioindotti

(4)

Radiobiologia nella pratica clinica (1)

• L’outcome dipende delle caratteristiche del tessuto/organo (Biological target volume)

Imaging come strumento di identificazione attributi target/ pianificazione/

ottimizzazione/previsione/delivery assurance

(5)

Radiobiologia nella pratica clinica (2)

La distribuzione di dose è un surrogato dell’outcome

• Modificazioni “image-based” di tumori e organi a rischio durante (e dopo) RT come predittori di controllo e del danno da RT  potenzialità ART

Imaging come strumento di previsione/delivery / quality assurance

(6)

Biological data

Imaging

clinical

data

}

Treatment

Alternative Treatment

Decision     Outcome

Radiobiologia nella pratica clinica (3)

(7)

Radiobiologia nella pratica clinica (4)

Modelli predittivi

– per valutare un piano di trattamento o l’impatto di nuove tecniche

– per tenere conto dell’effetto della non-uniformità, incertezze di movimento e/o geometriche …)

– I modelli per essere realistici devono essere

applicati tenendo conto di Ipotesi e Parametri – Necessità di strumenti integrati….parametri clinici,

molecolari, biologici

(8)

vescica

PTV

retto

Trattamento A Trattamento B

Confronto tra differenti modalità/piani

Radiobiologia  in un singolo “valore”

l’effetto della distribuzione di dose in un organo/tumore e/o tempo

(9)

MLQ

Tumori OARs

TCP Early

NTCP Late

NTCP

Modelli predittivi TCP % pz con risposta obiettiva NTCP % pz con tossicità

(10)

Biological Effective Dose (B.E.D.)

• Tessuti sani

Effetti acuti (α/β = 10 Gy) Effetti tardivi (α/β = 3 Gy)

• Tumori

Generalmente (α/β = 10 Gy)

Testa-collo (α/β = 15Gy -->12Gy) Prostata (α/β = 1.5Gy)

Mammella (α/β = 3.6Gy)

Effetti deterministici

Tardivi Acuti

( )

 

 +

=

=

α β

α

/

1 d D effetto BED

Modelli di sopravvivenza cellulare

(11)

Stima TCP

(12)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60

Dose (Gy)

TCP

La probabilità di controllo tumorale

è legata al numero di cellule presenti a fine trattamento

dove

N0* è il numero totale di unità sub- funzionali che possono contenere cellule clonogeniche

S

è la sopravvivenza

S

e N

TCP =

0*

(

D d

) (

BED

)

S

S = , = exp

α

Takeaway: La TCP fondata sulla statistica di Poisson è basata sull’ipotesi che le cellule clonogeniche siano tra loro indipendenti

(13)

Tumor heterogeneity

voxel i Tumor J Patient K

D TCP

(14)

 Two different modalities were proposed for Dose Painting (DP) planning:

 Dose Painting by Contours (DPC) or Compartment-based prescription

 Dose Painting by Numbers (DPN) or Voxel- based prescription

DPN DPC

(15)

Alte dosi e/o alto-dose rate [SRS o SBRT]

Killing cellulare

Effetto sulla stroma ed endotelio vascolare

È valido il modello lineare quadratico?

È necessario usare il modello lineare-quadratico-lineare?

Trattamenti combinati

• radioterapia e chemioterapia? RT e

deprivazione angiogenica? Farmaci

antiangiogenici?

(16)

Stima NTCP

(17)

Moiseenko et al. Radiation Oncology 2011, 6:61

metodo di

riduzione

DVH

(18)

Effetto volume?

modelli per gli OARs e vincoli

Relazione di isoeffetti con n desunto da dati sperimentali

Legge di potenza

Gli effetti in un sottovolume sono indipendenti da quelli in sottovolumi che ricevono dosi differenti

( )

TD

( )

n

TD ν = 1 ⋅ν

(19)

Quali vincoli?

QUANTEC

Quantitative Estimates of Normal Tissue Effects in Clinic

AAPM-ASTRO, ~60 participants (MDs and physicists)

Special IJROBP issue 2010

Effetti tardivi

?     effetti acuti …

?     nuovi organi a rischio …

(20)

Tossicità acuta del retto (≥≥≥≥G2)

dopo RT convenzionale e ipofrazionata

Strigari et al IJROB 2008

(21)

0 10 20 30 40 50 60 70

050100150

OTT (days) EQD2(Gy)

tolerable intolerable Strigari

Fowler Fenwick

0 10 20 30 40 50 60 70

050100150

T (days) EQD2(Gy)

Strigari Fowler Fenwick

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 1

0.00.20.40.60.81.0

tolerable intolerable schedule

acute mucosal toxicity

Specificity (%) Sensitivity (%) 020406080100

100 80 60 40 20 0

AMT Fowler Fenwick Strigari

Tossicità acuta della mucosa orale e faringea

dopo RT convenzionale, ipo- , iper-fraz. accelerata

Strigari et al IJROB 2012

(22)

Dose response curve for the correlation of the BED to the kidney with symptomatic radiation damage to the

kidneys for both the external beam data as compared to the

90Y-DOTA-octreotide data.

A decline of more than 20% per year over 5 years in the creatinine clearance has been used to indicate end stage renal disease

22

0 10 20 30 40 50 60 70

0 25 50 75 100

Kidney BED (Gy)

Incidence of end-stage renal disease (%)

XRT Data NTCP curve XRT Barone

Bodei

NTCP curve 90Y

αααα/ββββ = 2.5 Gy, T rep = 2.8 h,

T eff = 42 h.

MIRD Pamphlet No. 20: The Effect of Model Assumptions on Kidney Dosimetry and Response—Implications for Radionuclide Therapy Barry W. Wessels et al.

(23)

Liver

(24)

TCP curves were obtained from

Gaussian distributions of cells (more radio- resistant) with a

median αααα -value of 0.001/Gy and cells (less radio-resistant) with a median αααα

=0.005/Gy (αααα/ββββ=10Gy)

(25)

Thyroid

The Radiobiological model allows comparison with EBRT data, at least in some cases.

(26)

The median value of mean absorbed dose for patients with stable disease, partial response, and complete response was 196, 346, and 342 cGy, respectively. The median value of

EUD

for patients with stable disease, partial response, and complete response was 170, 363, and 406 cGy, respectively.

NHL

(27)

Increase in data required for medical decision Increase in data required for medical decision

making relative to human cognitive capacity making relative to human cognitive capacity

PB: petabytes; SNPs single nuclide polymorphisms

Support vector machine CAD …. Expert systems

(28)

Fisici Clinici Biologici (chirurgia/chemioterapia)

Non ci sono modelli TCP-NTCP genetici per l’uso di routine nella clinica

(29)

radiobiologia clinica radiobiologia clinica

• Dati raccolti*:

– con pazienti reali (e complessi) – usando uno staff (real-world)

– sotto condizioni e settings (real-world)

Perché siano “realistici”

• Commissioning dei modelli biologici

rispettare le ipotesi

stimare i parametri (α, β, ….) Monitorare l’outcome

Comparare differenti modelli Stimare le incertezze

* Tunis,S.R.; Carino,T.V.; Williams,R.D.; Bach,P.B. A Rapid Learning Health System.

Health Affairs (suppl.). 2007;26(2):140-149.

(30)

Radiobiologia clinica in RT e MN

• Usare gli stessi criteri per un gruppo di pazienti e correggere i parametri dei modelli e/o l’approccio terapeutico in modo da descrivere il dataset

osservato (Yorke)

(31)

References

• 21 years of BED, Fowler JF

Riferimenti

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