Estudios en microdosimetría aplicada a la terapia por captura neutrónica en boro

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La naturaleza probabilística del proceso de deposición de energía por la radiación en sitios microscópicos, y el número relativamente pequeño de iones pesados que son suficientes para depositar dosis importantes en dichos sitios, hacen de la Terapia por Captura Neutrónica en Boro (BNCT) un campo de...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Santa Cruz, Gustavo A.
Formato: Tesis Doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2005
Materias:
BNCT
MICRODOSIMETRIA
PROBABILIDADES GEOMETRICAS
GEOMETRIA INTEGRAL
DENSIDAD DE CUERDAS
RBE
LET
NEUTRONES
IONES PESADOS
MICRODOSIMETRY
GEOMETRIC PROBABILITY
INTEGRAL GEOMETRY
CHORD LENGTH DENSITY
NEUTRONS
HEAVY IONS
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3918_SantaCruz
Aporte de:
Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires
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description La naturaleza probabilística del proceso de deposición de energía por la radiación en sitios microscópicos, y el número relativamente pequeño de iones pesados que son suficientes para depositar dosis importantes en dichos sitios, hacen de la Terapia por Captura Neutrónica en Boro (BNCT) un campo de investigación especialmente propicio para la aplicación del formalismo y métodos de la Microdosimetría. La Microdosimetría es la rama de la física de las radiaciones que estudia el proceso estocástico de deposición de energía en estructuras microscópicas. Cuando la microdosimetría es aplicada al estudio de los efectos biológicos de la radiación, constituye el nexo entre la dosimetría convencional y la radiobiología. Tanto el núcleo celular (la principal región sensible al daño por radiación en una célula eucariota) como la trayectoria de una partícula cargada, pueden ser tratados como objetos geométricos aleatorios, de cuya intersección al azar devienen los efectos inducidos por la radiación. Esta posibilidad permite aplicar exitosamente los conceptos y métodos de las Probabilidades Geométricas y de la Geometría Integral. BNCT es una técnica para el tratamiento del cáncer, que se basa en la producción de reacciones de captura de neutrones térmicos en 10B, isótopo que es preponderantemente localizado en tejido tumoral, gracias a las características bioquímicas del compuesto transportador utilizado. Sin embargo, su distribución no es en general uniforme a escala celular, y la eficiencia de la reacción dependerá fuertemente de su localización microscópica. En esta tesis estudiamos la microdosimetría de las partículas alfa y 7Li, productos de la reacción de captura en 10B, y de otros iones pesados generados por la interacción de los neutrones con los elementos constitutivos del tejido biológico. Estos iones depositan toda su energía cinética en distancias del orden del tamaño típico de una célula. Cuando estas trayectorias intersectan aleatoriamente un región microscópica, la energía depositada en ésta dependerá de muchos factores, los que en conjunto determinan la forma de la función densidad de probabilidad de dicha cantidad. El conocimiento de esta función y el cálculo de todas las cantidades relevantes que de ella se deducen fueron los primeros objetivos de este trabajo. Para ello se ha explorado la superposición aleatoria de segmentos y volúmenes convexos, clasificando el tipo de intersección y relacionando su densidad de probabilidad con la densidad de cuerdas del volumen, la que surge entonces como el elemento básico de la geometría del problema. Dado que es menester obtener esta información para distintos tipos de tejidos biológicos, se concibió una manera de relacionar la densidad de cuerdas obtenida sobre secciones aleatorias de un cuerpo convexo con la propia densidad de cuerdas del cuerpo, en un desarrollo basado en conceptos de geometría integral y estereología. Se aplicó esta metodología a distintos tipos de tejidos de interés. Para el cálculo de la densidad de energía depositada, primero se estudió el caso de distribuciones uniformes y no uniformes de trazas de iones pesados de una misma especie y luego se encaró el caso más complejo de las reacciones de boro, que generan partículas correlacionadas espacialmente. Se obtuvo una descripción analítica completa de la dependencia de las cantidades microdosimétricas de interés con la geometría de la región sensible y la distribución espacial de reacciones con generación de iones, explorándose los casos uniforme, bivaluado o en la superficie de la región. Se contrastó el formalismo con resultados obtenidos por simulación estocástica de las reacciones generadoras de iones pesados de interés. Finalmente se llevó a cabo un análisis exhaustivo de las consecuencias microdosimétricas de la naturaleza probabilística de las reacciones de boro, remarcando la influencia que la no uniformidad tiene en la dosis media realmente recibida por las células. Como consecuencia de esto, se obtuvieron factores microscópicos que permiten corregir la dosis calculada macroscópicamente. Se llegó además a una expresión que describe la eficacia de la reacción de boro como un producto de un factor geométrico y de un factor de radiosensibilidad intrínseca del tejido en particular, que son aplicados sobre un valor de eficacia biológica relativa medido experimentalmente en condiciones que garanticen la uniformidad del boro.
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Cuando la microdosimetría es aplicada al estudio de los efectos biológicos de la radiación, constituye el nexo entre la dosimetría convencional y la radiobiología. Tanto el núcleo celular (la principal región sensible al daño por radiación en una célula eucariota) como la trayectoria de una partícula cargada, pueden ser tratados como objetos geométricos aleatorios, de cuya intersección al azar devienen los efectos inducidos por la radiación. Esta posibilidad permite aplicar exitosamente los conceptos y métodos de las Probabilidades Geométricas y de la Geometría Integral. BNCT es una técnica para el tratamiento del cáncer, que se basa en la producción de reacciones de captura de neutrones térmicos en 10B, isótopo que es preponderantemente localizado en tejido tumoral, gracias a las características bioquímicas del compuesto transportador utilizado. Sin embargo, su distribución no es en general uniforme a escala celular, y la eficiencia de la reacción dependerá fuertemente de su localización microscópica. En esta tesis estudiamos la microdosimetría de las partículas alfa y 7Li, productos de la reacción de captura en 10B, y de otros iones pesados generados por la interacción de los neutrones con los elementos constitutivos del tejido biológico. Estos iones depositan toda su energía cinética en distancias del orden del tamaño típico de una célula. Cuando estas trayectorias intersectan aleatoriamente un región microscópica, la energía depositada en ésta dependerá de muchos factores, los que en conjunto determinan la forma de la función densidad de probabilidad de dicha cantidad. El conocimiento de esta función y el cálculo de todas las cantidades relevantes que de ella se deducen fueron los primeros objetivos de este trabajo. Para ello se ha explorado la superposición aleatoria de segmentos y volúmenes convexos, clasificando el tipo de intersección y relacionando su densidad de probabilidad con la densidad de cuerdas del volumen, la que surge entonces como el elemento básico de la geometría del problema. Dado que es menester obtener esta información para distintos tipos de tejidos biológicos, se concibió una manera de relacionar la densidad de cuerdas obtenida sobre secciones aleatorias de un cuerpo convexo con la propia densidad de cuerdas del cuerpo, en un desarrollo basado en conceptos de geometría integral y estereología. Se aplicó esta metodología a distintos tipos de tejidos de interés. Para el cálculo de la densidad de energía depositada, primero se estudió el caso de distribuciones uniformes y no uniformes de trazas de iones pesados de una misma especie y luego se encaró el caso más complejo de las reacciones de boro, que generan partículas correlacionadas espacialmente. Se obtuvo una descripción analítica completa de la dependencia de las cantidades microdosimétricas de interés con la geometría de la región sensible y la distribución espacial de reacciones con generación de iones, explorándose los casos uniforme, bivaluado o en la superficie de la región. Se contrastó el formalismo con resultados obtenidos por simulación estocástica de las reacciones generadoras de iones pesados de interés. Finalmente se llevó a cabo un análisis exhaustivo de las consecuencias microdosimétricas de la naturaleza probabilística de las reacciones de boro, remarcando la influencia que la no uniformidad tiene en la dosis media realmente recibida por las células. Como consecuencia de esto, se obtuvieron factores microscópicos que permiten corregir la dosis calculada macroscópicamente. Se llegó además a una expresión que describe la eficacia de la reacción de boro como un producto de un factor geométrico y de un factor de radiosensibilidad intrínseca del tejido en particular, que son aplicados sobre un valor de eficacia biológica relativa medido experimentalmente en condiciones que garanticen la uniformidad del boro. The stochastic nature of the energy deposition process by radiation in microscopic sites, and the relatively small number of heavy ions required to produce appreciable doses in them, turn Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) into an especially suitable research field for the application of the formalism and methods of Microdosimetry. Microdosimetry is the branch of radiation physics that studies the stochastic process of energy deposition in microscopic structures. When microdosimetry is applied to the study of the biological effects of radiation, it constitutes the connection between the conventional dosimetry and radiobiology. Both the cell nucleus (the main region sensitive to radiation damage in eukaryotic cells) and the charged particle trajectory can be conceived as random geometric objects, whose stochastic intersection gives place to radiation-induced effects. This possibility permits applying successfully the concepts and methods of Geometric Probabilities and Integral Geometry. BNCT is a technique for the treatment of cancer which is based on the production of thermal neutron capture reactions in 10B, isotope prevalently localized in tumor tissue by virtue of the biochemical characteristics of the carrier compound used. However, its distribution is not, in general, uniform at cellular scale, and the reaction efficiency will strongly depend on its microscopic localization. In this thesis we study the microdosimetry of the alpha and 7Li particles, products of the 10B capture reaction, and several different heavy ions that are created by neutron interactions with the constitutive elements of biological tissues. These ions deposit their energy within distances of the order of the size of a typical cell. As the ion trajectories intersect randomly a microscopic region, the energy deposited in it will be a function of several factors, which jointly determine the shape of the energy probability density function. Knowledge of this function and derivation of all the associated relevant quantities were the first goals of this work. In order to achieve this, the random overlapping between segments and convex volumes was explored, classifying the kind of intersection, and relating its probability density with the chord length density of the volume, which becomes then the basic element describing the geometry of the problem. Since it is important to obtain this information for different kinds of biological tissues, a relationship between the volume’s chord length density and the chord length densities of its random sections was established, based on concepts of integral geometry and stereology. The resulting methodology was applied to several tissues of interest. Regarding the calculation of the deposited energy density, the cases of uniform and non uniform distributions of heavy ion tracks were first studied, and then the more complex case of boron reactions, where spatially correlated particles are produced. A complete analytical description of the dependence of the microdosimetric quantities of interest with the geometry of the sensitive region and the spatial localization of ionproducing reactions was obtained, exploring the cases of uniform, bi-valued and surface distributions. Finally, an exhaustive analysis of the microdosimetric consequences of the random nature of boron reactions was accomplished, highlighting the influence of the non uniformity on the average dose actually deposited in cells. As a consequence, microscopic correction factors were obtained that can be applied to the macroscopically calculated dose to get the actual cell average dose. We also arrived to an expression that describes the efficiency of boron reactions as a product of geometrical and intrinsic radiosensitivity factors of the particular tissue studied, which are applied to a relative biological effectiveness value experimentally measured assuring boron uniformity conditions. Fil: Santa Cruz, Gustavo A.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. 2005 Tesis Doctoral PDF Español info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3918_SantaCruz

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