Modelowanie wyników radioterapii w mikroskali
W ostatnich latach kliniczne leczenie raka za pomocą radioterapii uległo znacznej poprawie dzięki ulepszeniu technik obrazowania i dostarczania dawki promieniowania. Jednakże narzędzia do planowania radioterapii koncentrują się wyłącznie na dawce, bez uwzględnienia reakcji fizycznych i biologicznych na leczenie. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z finansowanego ze środków unijnych projektu RADRESPRO zaproponowali opracowanie wieloaspektowego wzorcowego modelu, aby wyeliminować lukę między obecnym makroskopowym planowaniem radioterapii a dokładnym zrozumieniem tego procesu w mikroskali. Celem projektu jest wspieranie przyszłych zindywidualizowanych metod radioterapii dostosowanych do potrzeb i wrażliwości poszczególnych pacjentów na promieniowanie. Naukowcy stworzyli system obliczeniowy do modelowania reakcji na promieniowanie na poziomie pojedynczych komórek. Model ten przewidywał wielkość mutacji, aberracji chromosomowych oraz żywotność komórek w różnych warunkach ekspozycji na promieniowanie i w przypadku różnych rodzajów promieniowania jonizującego. Szczególny nacisk położono na charakterystykę podstawowych odpowiedzi komórkowych, takich jak naprawa DNA, cykl komórkowy i obumieranie komórki po podaniu dawki promieniowania jonizującego. Po walidacji obejmującej kilkaset różnych linii komórkowych i warunków eksperymentalnych wykazano dobrą zdolność predykcyjną w oparciu o cechy komórkowe, genetyczne i fenotypowe. Na podstawie gatunków pochodzenia i genów związanych z wadami cyklu komórkowego oraz procesu naprawy DNA model dokładnie wyjaśnił niemal 80% różnic między różnymi liniami komórkowymi w odniesieniu do czułości. Model został rozbudowany o fizyczne modele magazynowania energii w skali subkomórkowej w celu opisania różnych rodzajów promieniowania (promieniowanie rentgenowskie, protonowe oraz terapia jonami węgla). Pozwoliło to naukowcom na scharakteryzowanie zwiększonej skuteczności biologicznej promieniowania o większej gęstości jonizacji. Ponadto włączenie składnika czasowego do modelu pozwoliło ocenić ekspozycję związaną z podawaniem frakcjonowanej dawki promieniowania lub przedłużonym wystawieniem na promieniowanie, ze szczególnym uwzględnieniem stresu komórkowego i przeżywalności komórek. Model wykazał zdolność predykcyjną umożliwiającą szerokie zastosowanie i integrację tego rozwiązania z procesem planowania klinicznego. Umiejętność zmierzenia wrażliwości i względnej skuteczności biologicznej promieniowania dla poszczególnych pacjentów może przyczynić się do znacznej poprawy wyników leczenia.
Słowa kluczowe
Radioterapia, RADRESPRO, ramy obliczeniowe, cykl komórkowy, naprawa DNA
