terapia con neutrones rápidos

Cuando los rayos X terapéuticos (de 1 a 25  MeV) interactúan con las células del tejido humano, lo hacen principalmente mediante interacciones Compton y producen electrones secundarios de energía relativamente alta. Estos electrones de alta energía depositan su energía a aproximadamente 1 keV / μm . ^{[ 3 ]} En comparación, las partículas cargadas producidas en un sitio de interacción de neutrones pueden entregar su energía a una tasa de 30–80 keV/μm. La cantidad de energía depositada a medida que las partículas atraviesan una sección de tejido se denomina transferencia lineal de energía (LET). Los rayos X producen radiación de baja LET, y los neutrones producen radiación de alta LET.  

Debido a que los electrones producidos por los rayos X tienen alta energía y baja transferencia lineal de energía (LET), al interactuar con una célula, generalmente solo se producen unas pocas ionizaciones. Por lo tanto, es probable que la radiación de baja LET cause únicamente rupturas de una sola hebra de la hélice del ADN. Estas rupturas se reparan fácilmente, por lo que el efecto sobre la célula diana no es necesariamente letal. En cambio, las partículas cargadas de alta LET producidas por la irradiación de neutrones causan numerosas ionizaciones al atravesar la célula, lo que posibilita rupturas de doble hebra en la molécula de ADN. La reparación de estas rupturas es mucho más difícil para la célula y tiene mayor probabilidad de provocar su muerte.

Los mecanismos de reparación del ADN son bastante eficientes, ^{[ 4 ]} y durante la vida de una célula se repararán miles de roturas de ADN de cadena simple. Sin embargo, una dosis suficiente de radiación ionizante produce tantas roturas de ADN que sobrepasa la capacidad de los mecanismos celulares para hacerles frente.

La terapia con iones pesados ​​(por ejemplo, iones de carbono) utiliza el LET igualmente alto de los iones ¹² C ⁶⁺ . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Debido a su alto LET, el daño relativo por radiación (efecto biológico relativo o EBR ) de los neutrones rápidos es 4 veces mayor que el de los rayos X, ^{[ 7 ] [ 8 ]} lo que significa que 1 rad de neutrones rápidos equivale a 4 rads de rayos X. El 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.

La presencia de oxígeno en una célula actúa como radiosensibilizador , aumentando los efectos dañinos de la radiación. Las células tumorales suelen tener un menor contenido de oxígeno que el tejido normal. Esta condición médica se conoce como hipoxia tumoral y, por lo tanto, el efecto del oxígeno disminuye la sensibilidad del tejido tumoral. ^{[ 9 ]} El efecto del oxígeno puede describirse cuantitativamente mediante el Índice de Mejora del Oxígeno (OER). Generalmente se cree que la irradiación con neutrones contrarresta el efecto de la hipoxia tumoral, ^{[ 10 ]} aunque existen argumentos en contra. ^{[ 11 ]}

El Departamento de Oncología Radioterápica ^{[ 32 ]} opera un ciclotrón de protones que produce neutrones rápidos al dirigir  protones de 50,5 MeV hacia un blanco de berilio. El ciclotrón de la UW está equipado con un sistema de suministro montado sobre un pórtico y un MLC para producir campos conformados. El sistema de neutrones de la UW se denomina Sistema Clínico de Terapia de Neutrones (CNTS). ^{[ 33 ]} El CNTS es típico de la mayoría de los sistemas de terapia de neutrones. Se requiere un edificio grande y bien blindado para reducir la exposición a la radiación del público en general y para albergar el equipo necesario.

Un sistema de transporte de haz dirige el haz de protones desde el ciclotrón hasta un pórtico. Este pórtico contiene imanes para desviar y enfocar el haz de protones sobre el blanco de berilio. El extremo del pórtico, denominado cabezal, contiene sistemas de dosimetría para medir la dosis, junto con el colimador multiláminas (MLC) y otros dispositivos de conformación del haz. La ventaja de contar con un sistema de transporte de haz y un pórtico radica en que el ciclotrón puede permanecer fijo y la fuente de radiación puede girar alrededor del paciente. Además de variar la orientación de la camilla de tratamiento, la variación de la posición del pórtico permite dirigir la radiación desde prácticamente cualquier ángulo, lo que permite proteger el tejido sano y maximizar la dosis de radiación en el tumor.

Durante el tratamiento, solo el paciente permanece dentro de la sala de tratamiento (denominada cabina) y los terapeutas controlan el tratamiento de forma remota, observando al paciente mediante cámaras de vídeo. Cada aplicación de una geometría de haz de neutrones predefinida se denomina campo o haz de tratamiento. La aplicación del tratamiento se planifica para administrar la radiación con la mayor eficacia posible y, por lo general, da como resultado campos que se ajustan a la forma del objetivo macroscópico, con alguna extensión para cubrir la enfermedad microscópica.

La unidad de terapia de neutrones del Centro de Oncología Radioterápica Gershenson del Centro Oncológico Karmanos/Universidad Estatal de Wayne (KCC/WSU) en Detroit presentaba algunas similitudes con el CNTS de la Universidad de Washington, pero también tenía muchas características únicas. Esta unidad fue desmantelada en 2011.

Mientras que el CNTS acelera protones, la instalación KCC produjo su haz de neutrones acelerando  deuterones de 48,5 MeV sobre un blanco de berilio. Este método produce un haz de neutrones con características de dosis en profundidad similares a las de un  haz de fotones de 4 MV. Los deuterones se aceleraron mediante un ciclotrón superconductor montado en pórtico (GMSCC), lo que eliminó la necesidad de imanes de dirección de haz adicionales y permitió que la fuente de neutrones girara 360° alrededor de la camilla del paciente.

El centro KCC también estaba equipado con un dispositivo de conformación de haz MLC, ^{[ 34 ]} el único otro centro de terapia de neutrones en los EE. UU. además del CNTS. El MLC en el centro KCC se había complementado con un software de planificación de tratamiento que permite la implementación de la radioterapia de neutrones de intensidad modulada (IMNRT), un avance reciente en la terapia de haz de neutrones que permite una mayor dosis de radiación en el sitio tumoral objetivo que la terapia de neutrones 3D. ^{[ 35 ]}

KCC/WSU tiene más experiencia que nadie en el mundo en el uso de la terapia de neutrones para el cáncer de próstata , habiendo tratado a casi 1.000 pacientes durante los últimos 10 años .

El centro de terapia de neutrones de Fermilab trató a sus primeros pacientes en 1976 ^{[ 36 ]} y desde entonces ha tratado a más de 3000 pacientes. En 2004, la Universidad del Norte de Illinois comenzó a administrar el centro. Los neutrones producidos por el acelerador lineal de Fermilab tienen las energías más altas disponibles en los EE. UU. y se encuentran entre las más altas del mundo ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ].}

El centro Fermilab fue desmantelado en 2013. ^{[ 40 ]}