La radioterapia dispara partículas de alta energía al cuerpo para destruir o dañar las células cancerosas. Durante el siglo pasado, las tecnologías utilizadas han mejorado constantemente y se ha convertido en una forma muy efectiva de tratar el cáncer. Sin embargo, los médicos aún deben caminar muy bienlínea entre la entrega de suficiente radiación para matar tumores, mientras se ahorra tejido sano circundante.
"Históricamente, la radiación ha sido una herramienta contundente", dijo Matt Vaughn, Director de Informática de Ciencias de la Vida en el Centro de Computación Avanzada de Texas. "Sin embargo, se ha vuelto cada vez más preciso porque entendemos la física y la biología de los sistemas que estamosdisparando radiación, y hemos mejorado nuestra capacidad de dirigir el suministro de esa radiación ".
La ciencia de calcular y evaluar la dosis de radiación recibida por el cuerpo humano se conoce como dosimetría, y aquí, como en muchas áreas de la ciencia, la informática avanzada juega un papel importante.
Mejora de la radioterapia con imágenes en tiempo real
Los tratamientos de radiación actuales se basan en imágenes de tomografía computarizada TC tomadas antes del tratamiento para determinar la ubicación de un tumor. Esto funciona bien si el tumor se encuentra en una ubicación fácilmente detectable e inmóvil, pero menos si el área se mueve, comoen el caso del cáncer de pulmón.
En el Centro de Cáncer MD Anderson de la Universidad de Texas, los científicos están abordando el problema de atacar con precisión los tumores utilizando una nueva tecnología conocida como MR-linac que combina imágenes de resonancia magnética MR con aceleradores lineales linacs. Desarrollado por Elekta enEn cooperación con UMC Utrecht y Philips, el MR-linac en MD Anderson es el primero de su tipo en los EE. UU.
MR-linacs puede obtener imágenes de la anatomía de un paciente mientras se administra el haz de radiación. Esto permite a los médicos detectar y visualizar cualquier cambio anatómico en un paciente durante el tratamiento. A diferencia de la TC u otras modalidades de imágenes basadas en rayos X, que proporcionan radiación ionizante adicional, La resonancia magnética es inofensiva para el tejido sano.
El método MR-linac ofrece una mejora potencialmente significativa sobre la tecnología actual de tratamiento del cáncer guiada por imágenes. Sin embargo, para garantizar que los pacientes sean tratados de manera segura, los científicos primero deben corregir la influencia del campo magnético de la IRM en las mediciones utilizadas para calibrar la radiacióndosis entregada
Los investigadores usan un software llamado Geant4 para simular la radiación dentro de los detectores. Originalmente desarrollado por el CERN para simular experimentos de física de partículas de alta energía, el equipo de MD Anderson ha adaptado Geant4 para incorporar campos magnéticos en su modelo de dosimetría de computadora.
"Dado que el objetivo final de MR-linac es tratar a los pacientes, es importante que nuestras simulaciones sean muy precisas y que los resultados sean muy precisos", dijo Daniel O'Brien, becario postdoctoral en física de radiación en el MD Anderson"Geant4 fue diseñado originalmente para estudiar la radiación a energías mucho más altas que las que se usan para tratar a los pacientes. Tuvimos que realizar pruebas para asegurarnos de que teníamos la precisión que necesitábamos".
Utilizando la supercomputadora Lonestar en el Centro de Computación Avanzada de Texas TACC, el equipo de investigación simuló casi 17 mil millones de partículas de radiación por detector para obtener la precisión que necesitaban para su estudio.
En agosto de 2016, publicaron factores de corrección de campo magnético en Física Médica para seis de los detectores de cámara de ionización más utilizados cámaras llenas de gas que se utilizan para garantizar que la dosis administrada desde una unidad de terapia sea correcta. Ahora están funcionandoen verificar estos resultados experimentalmente.
"El MR-linac es una tecnología muy prometedora pero también presenta muchos desafíos únicos desde el punto de vista de la dosimetría", dijo O'Brien. "Con el tiempo, nuestra comprensión de estos efectos ha mejorado considerablemente, pero todavía hay trabajopor hacer y los recursos como TACC son un activo invaluable para hacer que estas nuevas tecnologías sean seguras y confiables "
"Nuestras simulaciones por computadora son importantes porque sus resultados servirán como base para extender los protocolos nacionales e internacionales actuales para realizar la calibración de linacs convencionales a MR-linacs", dijo Gabriel Sawakuchi, profesor asistente de Física de Radiación en el MD Anderson "., es importante que nuestros resultados se validen contra mediciones y simulaciones independientes realizadas por otros grupos antes de usarse clínicamente ".
El proyecto fue parcialmente financiado por Elekta, una compañía sueca que proporciona equipos de radioterapia y gestión clínica para el tratamiento del cáncer y los trastornos cerebrales.
Planificación de la terapia de protones
La radiación de rayos X es la forma más utilizada de tratamiento de alta energía, pero está surgiendo un nuevo tratamiento que utiliza un haz de protones para suministrar energía directamente al tumor con un daño mínimo a los tejidos circundantes y sin los efectos secundarios de x-rayoterapia.
Al igual que la radiación de rayos X, la terapia de protones dispara tumores con haces de partículas. Pero mientras que la radiación tradicional usa fotones o haces de luz enfocados, la terapia de protones usa iones, átomos de hidrógeno que han perdido un electrón.
Los haces de protones tienen una característica física única conocida como 'pico de Bragg' que permite que la mayor parte de su energía se transfiera a un área específica dentro del cuerpo, donde tiene el máximo efecto destructivo. Radiación de rayos X, por otromano, deposita energía y mata células a lo largo de todo el haz. Esto puede provocar daños celulares no deseados e incluso cáncer secundario que puede desarrollarse años más tarde.
En comparación con los procedimientos de radiación actuales, la terapia de protones ahorra tejido sano delante y detrás del tumor. Dado que el paciente se irradia desde todas las direcciones y la intensidad de los haces puede modularse bien, el método proporciona una mayor reducción de los efectos adversos.
La terapia de protones es particularmente efectiva cuando se irradian tumores cerca de órganos sensibles, por ejemplo, cerca del cuello, la columna vertebral, el cerebro o los pulmones, donde los haces dispersos pueden ser particularmente dañinos.
Los físicos médicos y los oncólogos radioterapeutas de la Clínica Mayo en Phoenix, Arizona, en colaboración con los investigadores del MD Anderson, publicaron recientemente una serie de documentos que describen una mejor planificación y uso de la terapia de protones.
Escribiendo en Medical Physics en enero de 2017, mostraron que en los tres casos clínicos incluidos en este estudio, su modelo con posibilidades limitadas era mejor para preservar los órganos en riesgo que el método actual. El modelo también proporcionó una herramienta flexible para que los usuariosequilibrio entre la solidez del plan y la calidad del plan y se descubrió que es mucho más rápido que la solución comercial.
La investigación utilizó la supercomputadora Stampede en TACC para realizar estudios computacionalmente intensivos de los cientos de factores que contribuyen a maximizar la efectividad y minimizar el riesgo y las incertidumbres involucradas en estos tratamientos.
La terapia de protones se desarrolló por primera vez en la década de 1950 y entró en la corriente principal en la década de 1990. Actualmente hay 12 centros de terapia de protones en todo el país y el número está creciendo. Sin embargo, el costo de los dispositivos de haz de protones - $ 200 millones de dólares, o30 a 50 veces más caro que un sistema de rayos X tradicional, lo que significa que todavía son raros. Se aplican solo en casos que requieren precisión adicional y los médicos deben maximizar su beneficio cuando se usan.
Mayo Clinic y MD Anderson operan las versiones más avanzadas de estos dispositivos, que realizan la terapia de exploración de protones con haz y son capaces de modular la intensidad del haz. Wei Liu, uno de los principales investigadores de la terapia de protones en Mayo Clinic, compara el procesoa la impresión 3D, "pintar el tumor capa por capa". Sin embargo, esto se logra a distancia, a través de un protocolo que debe planificarse con anticipación.
La especificidad del haz de protones, que es su mayor ventaja, significa que debe calibrarse con precisión y que deben considerarse las discrepancias del ideal. Por ejemplo, el personal del hospital ubica a los pacientes en la superficie operativa del dispositivo, e incluso colocandoun paciente a unos pocos milímetros del centro puede afectar el éxito del tratamiento.
Además, el cuerpo de cada paciente tiene una composición química ligeramente diferente, lo que puede hacer que el haz de protones se detenga en una posición diferente de la prevista. Incluso la respiración de los pacientes puede alterar la ubicación de la colocación del haz.
"Si un paciente tiene un tumor cerca de la médula espinal y existe este nivel de incertidumbre, entonces el haz de protones puede sobredosis y paralizar al paciente", dijo Liu.
La solución a estos desafíos es la optimización robusta, que utiliza técnicas matemáticas para generar un plan que pueda gestionar y mitigar las incertidumbres y los errores humanos que puedan surgir.
"Cada vez, tratamos de generar matemáticamente un buen plan", dijo. "Hay muchas variables desconocidas. Puede elegir diferentes ángulos de haz o energía o intensidad. Hay 25,000 variables o más, por lo tanto, generar un plan que seaResulta robusto a estos errores y aún puede obtener la distribución de dosis adecuada para el tumor es un problema de optimización a gran escala ".
Para resolver estos problemas, Liu y su equipo usan supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas.
"Es muy costoso computacionalmente generar un plan en un plazo razonable", continuó. "Sin una supercomputadora, no podemos hacer nada".
Liu ha estado trabajando en el desarrollo de los protocolos de planificación del haz de protones durante muchos años. Las principales empresas comerciales han adoptado métodos similares a los que Liu y sus colaboradores desarrollaron como base para sus soluciones de planificación de la radiación.
Recientemente, Liu y sus colaboradores ampliaron sus estudios para incluir las incertidumbres presentadas por los pacientes que respiran, a las que llaman "optimización robusta 4D", ya que tiene en cuenta el componente de tiempo y no solo la orientación espacial.
En la edición de mayo de 2016 de la Revista Internacional de Oncología Radioterápica, mostraron que, en comparación con su contraparte 3D, la optimización robusta 4D para el tratamiento del cáncer de pulmón proporcionó una distribución de dosis objetivo más sólida y una mejor cobertura del objetivo, a la vez que ofrecía protección tisular normal.
"Estamos tratando de proporcionar al paciente la terapia de protones más efectiva, más confiable y más eficiente", dijo Liu. "Debido a que es tan costoso, tenemos que hacer el mejor trabajo para aprovechar esta nueva tecnología"."
El trabajo de Liu está respaldado por subvenciones del Instituto Nacional del Cáncer de los Institutos Nacionales de Salud y recientemente recibió el apoyo del Estado de Arizona.
Descubriendo la base cuántica de la terapia contra el cáncer de protones
Al igual que muchas formas de terapia contra el cáncer, los médicos saben que la terapia de protones funciona, pero precisamente cómo funciona es un poco misterioso.
El principio básico no está en duda: los iones de protones colisionan con las moléculas de agua, que constituyen el 70 por ciento de las células, desencadenando la liberación de electrones y radicales libres que dañan el ADN de las células cancerosas. Los iones de protones también chocan con el ADN directamente, rompiendo enlaces y paralizando la capacidad del ADN para replicarse.
Debido a su alta tasa de división y capacidad reducida para reparar el ADN dañado, las células cancerosas son mucho más vulnerables a los ataques de ADN que las células normales y mueren a una tasa más alta. Además, un haz de protones puede enfocarse en un área tumoral,causando un daño máximo en las células cancerosas y un daño mínimo en las células sanas circundantes.
Sin embargo, más allá de esta imagen microscópica general, la mecánica del proceso ha sido difícil de determinar.
"Como sucede en la terapia contra el cáncer, saben empíricamente que funciona pero no saben por qué", dijo Jorge A. Morales, profesor de química en la Universidad Tecnológica de Texas y uno de los principales defensores del análisis computacional de la terapia de protones."Hacer experimentos con sujetos humanos es peligroso, por lo que la mejor manera es a través de la simulación por computadora".
Morales ha estado ejecutando simulaciones por computadora de reacciones químicas de células de protones utilizando modelos de dinámica cuántica en la supercomputadora Stampede de TACC para investigar los fundamentos del proceso. Los experimentos computacionales pueden imitar la dinámica de las interacciones de células de protones sin causar daño a un paciente y puedenrevele lo que sucede cuando el haz de protones y las células colisionan de principio a fin, con precisión de nivel atómico.
Las simulaciones cuánticas son necesarias porque los electrones y los átomos que son la base de la efectividad de la terapia contra el cáncer de protones no se comportan de acuerdo con las leyes de la física clásica. Más bien se guían por las leyes de la mecánica cuántica que implican probabilidades de ubicación, velocidad y reacciones 'ocurrencias en lugar de las versiones definidas con precisión de esas tres variables.
Estudios de Morales sobre Stampede, reportados en PLOS uno en marzo de 2017, así como en Molecular Physics y Chemical Physics Letters ambas en 2014, han determinado los subproductos básicos de los protones que colisionan con el agua dentro de la célula, y con los nucleótidos y grupos de bases de ADN, las unidades básicas deADN: los estudios arrojan luz sobre cómo los protones y sus productos de radiolisis de agua dañan el ADN.
Los resultados de los experimentos computacionales de Morales coinciden con los datos limitados de los experimentos de química física, lo que lleva a una mayor confianza en su capacidad para capturar el comportamiento cuántico en acción.
Aunque de naturaleza fundamental, las ideas y los datos que producen las simulaciones de Morales ayudan a los investigadores a comprender la terapia del cáncer de protones a microescala y ayudan a modular factores como la dosis y la dirección del haz.
"Los resultados son muy prometedores y estamos entusiasmados de ampliar nuestra investigación", dijo Morales. "Estas simulaciones traerán una forma única de comprender y controlar la terapia contra el cáncer de protones que, a un costo muy bajo, ayudarápara mejorar drásticamente el tratamiento de pacientes con cáncer sin arriesgar sujetos humanos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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