La terapia con neutrones rápidos utiliza neutrones de alta energía, normalmente entre 50 y 70 MeV para tratar el cáncer. La mayoría de los haces de terapia con neutrones rápidos se producen mediante reactores, ciclotrones (d+Be) y aceleradores lineales. La terapia de neutrones estaba disponible en la década de 2020 en Alemania, Rusia, Sudáfrica y Estados Unidos. En Estados Unidos hay un centro de tratamiento en funcionamiento en Seattle, Washington. El centro de Seattle utiliza un ciclotrón que produce un haz de protones que incide sobre un objetivo de berilio.
Ventajas La radioterapia mata las células cancerosas de dos maneras, dependiendo de la energía efectiva de la fuente de radiación. La cantidad de energía depositada cuando las partículas atraviesan una sección de tejido se denomina transferencia lineal de energía (TLE). Los rayos X producen radiación de TLE baja, y los protones y neutrones producen radiación TLE alta. La radiación de baja TLE daña las células predominantemente mediante la generación de especies reactivas de oxígeno, véase radicales libres. El neutrón carece de carga eléctrica y daña las células por efecto directo sobre las estructuras nucleares. Los tumores malignos tienden a tener niveles bajos de oxígeno y, por lo tanto, pueden ser resistentes a la radiación TLE baja. Esto da una ventaja a los neutrones en determinadas situaciones. Una ventaja es un ciclo de tratamiento generalmente más corto. Para matar la misma cantidad de células cancerosas, los neutrones requieren un tercio de la dosis efectiva que los protones.Keyhandokht Shahri, Laleh Motavalli, and Hashem Hakimabad."Neutron Applications in Cancer Treatment" Hellenic Journal of Nuclear Medicine 14:2(May–August 2011) Otra ventaja es la capacidad establecida de los neutrones para tratar mejor algunos cánceres, como el de glándula salival, carcinomas adenoides quísticos y ciertos tipos de tumores cerebrales, especialmente gliomas de alto grado.Feng-Yi Yang, Wen-Yuan Chang, Jia-Je Li, Hsin-Ell Wang, Jyh-Cheng Chen, and Chi-Wei Chang."Pharmacokinetic Analysis and Uptake of 18F-FBPA-Fr After Ultrasound-Induced Blood–Brain Barrier Disruption for Potential Enhancement of Boron Delivery for Neutron Capture Therapy" Journal of Nuclear Medicine 55:616–621(2014)
Transferencia lineal de energía (TLE)
thumb|right|Comparación de electrones de TLE baja y electrones de TLE alta
Cuando los rayos X de energía terapéutica (de 1 a 25 MeV) interactúan con las células del tejido humano, lo hacen principalmente mediante interacciones de Compton y producen electrones secundarios de energía relativamente alta. Estos electrones de alta energía depositan su energía aproximadamente en 1keV/µm.Johns HE and Cunningham JR. The Physics of Radiology. Charles C Thomas 3rd edition 1978 En comparación, las partículas cargadas producidas en un punto de interacción con neutrones pueden entregar su energía con una intensidad de 30 a 80 keV/µm. La cantidad de energía depositada cuando las partículas atraviesan una sección de tejido se conoce como transferencia de energía lineal (TLE). Los rayos X producen radiación TLE baja y los neutrones producen radiación TLE alta.
Debido a que los electrones producidos a partir de rayos X tienen alta energía y baja TLE, cuando interactúan con una célula normalmente solo se producirán unas pocas ionizaciones. Es probable entonces que la baja radiación TLE provoque solo roturas de una sola hebra de la hélice del ADN. Las roturas de una sola hebra de las moléculas de ADN se pueden reparar fácilmente, por lo que el efecto sobre la célula diana no es necesariamente letal. Por el contrario, las partículas con carga alta de TLE producidas por la irradiación de neutrones provocan muchas ionizaciones a medida que atraviesan una célula, por lo que son posibles roturas de doble hebra de la molécula de ADN. Las reparaciones de roturas de doble cadena son mucho más difíciles de reparar para una célula y es más probable que provoquen la muerte celular.
Los mecanismos de reparación del ADN son bastante eficientes,Goodsell DS. Fundamentals of Cancer Medicine The Molecular Perspective: Double-Stranded DNA Breaks; The Oncologist, Vol. 10, No. 5, 361–362, May 2005 y durante la vida de una célula se repararán muchos miles de roturas de una sola hebra de ADN. Sin embargo, una dosis suficiente de radiación ionizante provoca tantas roturas en el ADN que abruma la capacidad de los mecanismos celulares para hacerle frente.
La terapia de partículas (por ejemplo, iones de carbono) utiliza el TLE igualmente alto de los iones de 12C6+.Kubota N, Suzuki M, Furusawa Y, Ando K, Koike S, Kanai T, Yatagai F, Ohmura M, Tatsuzaki H, Matsubara S, et al. A comparison of biological effects of modulated carbon-ions and fast neutrons in human osteosarcoma cells. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 33, Issue 1, 30 August 1995, Pages 135–141German Cancer Research Center
Debido a la alta TLE, el daño relativo por radiación (efecto biológico relativo o EBR) de los neutrones rápidos es 4 veces mayor que el de los rayos X,Pignol JP, Slabbert J and Binns P. Monte Carlo simulation of fast neutron spectra: Mean lineal energy estimation with an effectiveness function and correlation to RBE. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 49, Issue 1, 1 January 2001, Pages 251–260Theron T, Slabbert J, Serafin A and Böhm L. The merits of cell kinetic parameters for the assessment of intrinsic cellular radiosensitivity to photon and high linear energy transfer neutron irradiation. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 37, Issue 2, 15 January 1997, Pages 423–428 es decir, 1 rad de neutrones rápidos equivale a 4 rads de rayos X. La EBR de los neutrones también depende de la energía, por lo que los haces de neutrones producidos con diferentes espectros de energía en diferentes instalaciones tendrán diferentes valores de EBR.
Efecto del oxígeno La presencia de oxígeno en una célula actúa como radiosensibilizador, haciendo que los efectos de la radiación sean más dañinos. Las células tumorales suelen tener un contenido de oxígeno menor que el tejido normal. Esta condición médica se conoce como hipoxia tumoral y por lo tanto, el efecto del oxígeno actúa para disminuir la sensibilidad del tejido tumoral.Vaupel P, Harrison L. Tumor Hypoxia: Causative Factors, Compensatory Mechanisms, and Cellular Response The Oncologist 2004;9(suppl 5):4–9 El efecto del oxígeno puede describirse cuantitativamente mediante la relación de mejora de oxígeno (REA). Generalmente se cree que la irradiación de neutrones supera el efecto de la hipoxia tumoral,Wambersie A, Richard F, Breteau N. Development of fast neutron therapy worldwide. Radiobiological, clinical and technical aspects. Acta Oncol. 1994;33(3):261-74. aunque existen argumentos en contra.Warenius HM, White R, Peacock JH, Hanson J, Richard A. Britten, Murray D. The Influence of Hypoxia on the Relative Sensitivity of Human Tumor Cells to 62.5 MeV (p→Be) Fast Neutrons and 4 MeV Photons. Radiation Research 154, 54–63 (2000)
Usos clínicos La eficacia de los haces de neutrones utilizados en el tratamiento del cáncer de próstata se ha demostrado mediante ensayos aleatorios.Russell KJ, Caplan RJ, Laramore GE, et al. Photon versus fast neutron external beam radiotherapy in the treatment of locally advanced prostate cancer: results of a randomized prospective trial. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics 28(1): 47–54, 1993.Haraf DJ, Rubin SJ, Sweeney P, Kuchnir FT, Sutton HG, Chodak GW and Weichselbaum RR. Photon neutron mixed-beam radiotherapy of locally advanced prostate cancer. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 33, Issue 1, 30 August 1995, Pages 3–14Forman J, Ben-Josef E, Bolton SE, Prokop S and Tekyi-Mensah S . A randomized prospective trial of sequential neutron-photon vs. photon-neutron irradiation in organ confined prostate cancer. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 54, Issue 2, Supplement 1, 1 October 2002, Pages 10–11 La terapia con neutrones rápidos se ha aplicado con éxito contra el tumor de glándula salival.Douglas JD, Koh WJ, Austin-Seymour, M, Laramore GE. Treatment of Salivary Gland Neoplasms with fast neutron Radiotherapy. Arch Otolaryngol Head Neck Surg Vol 129 944–948 Sep 2003Laramore GE, Krall JM, Griffin TW, Duncan W, Richter MP, Saroja KR, Maor MH, Davis LW. Neutron versus photon irradiation for unresectable salivary gland tumors: final report of an RTOG-MRC randomized clinical trial. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1993 Sep 30;27(2):235-40.Laramore GE. Fast neutron radiotherapy for inoperable salivary gland tumors: is it the treatment of choice?Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1987 Sep;13(9):1421-3.Prott FJ, Micke O, Pötter R, Haverkamp U, Schüller P and Willich N. 2137 Results of fast neutron therapy of adenoid cystic carcinoma of the salivary glands. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 39, Issue 2, Supplement 1, 1997, Page 309Saroja KR, Mansell J, Hendrickson FR, et al.: An update on malignant salivary gland tumors treated with neutrons at Fermilab. Int J Radiat Oncol Biol Phys 13 (9): 1319–25, 1987.Buchholz TA, Laramore GE, Griffin BR, et al.: The role of fast neutron radiation therapy in the management of advanced salivary gland malignant neoplasms. Cancer 69 (11): 2779–88, 1992.Krüll A, Schwarz R, Engenhart R, et al.: European results in neutron therapy of malignant salivary gland tumors. Bull Cancer Radiother 83 (Suppl): 125-9s, 1996Véase también NCI Salivary Cancer Page También han sido tratados con este sistema carcinomas adenoides quísticos.Douglas JG, Laramore GE, Austin-Seymour M, Koh WJ, Lindsley KL, Cho P and Griffin TW. Neutron radiotherapy for adenoid cystic carcinoma of minor salivary glands. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, Volume 36, Issue 1, 1 August 1996, Pages 87–93 Así mismo, se ha probado con varios otros tumores de cabeza y cuello.MacDougall RH, Orr JA, Kerr GR, and Duncan W. Fast neutron treatment for squamous cell carcinoma of the head and neck: final report of Edinburgh randomised trial. BMJ. 1990 December 1; 301(6763): 1241–1242.Asgarali S, Errington RD, Jones AS. The treatment of recurrence following fast neutron therapy for head and neck malignancy. Clin Otolaryngol Allied Sci. 1996 Jun;21(3):274-7.K.J. Stelzer, K.L. Lindsley, P.S. Cho, G.E. Laramore and T.W. Griffin. Fast Neutron Radiotherapy: The University of Washington Experience and Potential Use of Concomitant Boost with Boron Neutron Capture. Radiation Protection Dosimetry 70:471–475 (1997)
Efectos secundarios Ninguna terapia contra el cáncer está exenta de riesgos de efectos secundarios. La terapia de neutrones es un bisturí nuclear muy potente que debe utilizarse con mucho cuidado. Por ejemplo, algunas de las curas más notables que ha podido lograr son las de tumores en la cabeza y el cuello. Muchos de estos cánceres no pueden tratarse eficazmente con otras terapias. Sin embargo, el daño de neutrones en áreas vulnerables cercanas, como el cerebro y las neuronas sensoriales, puede producir atrofia cerebral irreversible o ceguera entre otros efectos secundarios, cuyo riesgo puede mitigarse en gran medida mediante varias técnicas, pero no se pueden eliminar. Además, algunos pacientes son más susceptibles a estos efectos secundarios que otros y esto no se puede predecir. En última instancia, el paciente debe decidir si las ventajas de una cura posiblemente duradera superan los riesgos de este tratamiento cuando se enfrenta a un cáncer que de otro modo sería incurable.
Centros de neutrones rápidos