[論文レビュー] Track structure modelling for ion radiotherapy

M. Korcyl|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Advanced X-ray and CT Imaging参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文は、線量線量分布（RDD）式とイオン線の線エネルギー移動（LET）を用いて生存曲線とRBEをシミュレートすることで、炭素線線治療における生物学的効果を予測するための細胞レベルのトラック構造理論（TST）モデルを構築・検証した。このモデルはヒト線維症細胞およびV79細胞の実験データを正確に予測し、さまざまなイオンと条件下での測定済みのRBEおよびOER値と強く一致している。

ABSTRACT

In its broadest terms, doctoral dissertation entitled "Track structure modelling for ion radiotherapy" is part of the supporting research background in the development of the ambitious proton radiotherapy project currently under way at the Institute of Nuclear Physics PAN in Kraków. Another broad motivation was the desire to become directly involved in research on a topical and challenging subject of possibly developing a therapy planning system for carbon beam radiotherapy, based in its radiobiological part on the Track Structure model developed by prof. Robert Katz over 50 years ago. Thus, the general aim of this work was, firstly, to recapitulate the Track Structure model and to propose an updated and complete formulation of this model by incorporating advances made by several authors who had contributed to its development in the past. Secondly, the updated and amended (if necessary) formulation of the model was presented in a form applicable for use in computer codes which would constitute the "radiobiological engine" of the future therapy planning system for carbon radiotherapy, which the Kraków ion radiotherapy research group wishes to develop. Lastly, currently available radiobiology data were analysed in terms of Track Structure Theory to supply exemplary parameters for cell lines (preferably, exposed in normal and anoxic conditions) to be used as possible input for carbon ion radiotherapy planning studies.

研究の動機と目的

• 線線治療における線線ビームの生物学的効果を予測する包括的な細胞レベルのトラック構造理論（TST）モデルの構築を目的とする。
• 実験データに基づき、TST計算に用いる最適な径方向線量分布（RDD）式の評価と選定を目的とする。
• ヒトおよびハムスター細胞線において、各種イオン（H、He、C、Neなど）の相対生物学的効果（RBE）および酸素増強比（OER）を定量化することを目的とする。
• 患者関連材料（例：PMMA）内で生成される二次粒子が炭素線線治療における生物学的結果に与える影響を評価することを目的とする。
• 臨床的意義を持つように、ヒト皮膚線維症細胞およびV79中国ハムスター細胞のin vitro生存データを用いてTSTパラメータをキャリブレーションすることを目的とする。

提案手法

• δ電子のエネルギー-範囲関係から導出された径方向線量分布（RDD）関数を用いて、4パラメータのTSTを定式化する。
• Butts & Katz（1967）、Zhangら（1985）、Waligórskiら（1986）、Cucinottaら（1997）のRDD式を用いて線量分布のモデリングを行う。
• 数値積分およびスケーリング技術を用いて、核やDNA断片などサイズの異なる細胞的標的におけるRDDの平均化を実施する。
• E. coli胞子およびアラニン検出器の実験的生存データから導出された活性化断面積を用いた1発打撃生存モデルを適用する。
• 複数のイオン種において、実験的生存曲線に最もよく一致するよう、TSTパラメータ（m、D₀など）をカイ二乗（χ²）最小化法で最適化する。
• 測定済みのRBEおよびOER値と相関するよう、イオンのLETおよびトラックセグメントエネルギー（z*²/β²）を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの径方向線量分布（RDD）式が線線照射の実験的生存データと最も一致するか？
• RQ2 TSTモデルは、さまざまなLETおよび細胞種において、H、He、C、NeなどさまざまなイオンのRBE値をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 PMMAからの二次粒子（例：PMMA由来）が、水深における炭素線線の生物学的効果にどの程度寄与しているか？
• RQ4 V79細胞におけるTST計算によるRBEおよびOER値は、好気的および無酸素的条件下での実験データとどの程度一致するか？
• RQ5 TSTモデルは、z*²/β²に反映されるイオンの原子番号およびエネルギー依存性によるRBEの依存性をどの程度適切に捉えているか？

主な発見

• Waligórskiら（1986）のRDD式を用いたTSTモデルは、E. coli胞子およびアラニン検出器の実験的生存データに対して最良の適合を示し、カイ二乗（χ²）値から高い正確性が示された。
• 130 mm水深における290 MeV/n炭素イオンで照射された正常ヒト皮膚線維症細胞において、主成分Cイオンの10％生存RBEは2.15と予測され、PMMA由来の二次粒子を含めた場合、2.30に上昇した。
• V79細胞におけるTST計算RBEは実験データと良好に一致した。He、C、Neイオンの10％生存時のRBE値は測定値の10％以内に収まり、例えばCイオンではRBE ≈ 2.1であった。
• TSTモデルはV79細胞におけるOERの傾向を正確に再現した。低LETのX線ではOER ≈ 2.5、高LET（例：Feイオン）ではOER ≈ 1.3に低下し、実験観察と一致した。
• 好気的条件下のV79細胞におけるTSTパラメータの最適化により、m = 2.91およびD₀ = 2.05 Gyが得られ、線形二次生存モデルのフィット結果と整合的であった。
• 二次粒子の総線量および生物学的効果への寄与は顕著であった。PMMA中では、二次粒子が総線量の約30％を占め、主線のみの場合と比較してRBEが約7％上昇した。