A FLASH radiotherapy modeling study using water radiolysis by irradiating fast protons delivered at ultra-high dose rates

Abstract

La radiothérapie est une partie importante des soins aux patients atteints de cancer. Théoriquement, le cancer pourrait être guéri par de fortes doses de rayonnements ionisants. Cependant, son application pratique à fortes doses provoque des effets secondaires indésirables dans les tissus normaux. La plupart des améliorations thérapeutiques se sont ainsi concentrées sur la réduction des effets secondaires sur les tissus sains. En 2014, une nouvelle technique d’irradiation, appelée « FLASH-RT », a été proposée pour détruire les cellules cancéreuses tout en protégeant efficacement les tissus sains. Vu que l’on sait peu de choses sur le mécanisme physico-chimique qui sous-tend les effets FLASH, à savoir, par exemple, les événements qui se produisent immédiatement après le dépôt initial d’énergie, le but de ce projet était de découvrir comment les premiers stades physique et physico chimiques de l’action du rayonnement sont affectés par des débits de dose élevés. Pour vérifier notre approche, nous avons d’abord utilisé nos codes Monte Carlo pour étudier l’effet de faibles débits de dose de protons sur la radiolyse de l’eau dans la gamme d’énergie 150 keV–500 MeV. Le bon accord entre les données expérimentales et nos calculs des rendements des espèces radiolytiques primaires générées à faibles débits de dose montre que nous pouvons utiliser nos codes pour étudier les effets de débits de dose élevés sur la radiolyse de l’eau induite par irradiation protonique. Nous avons ensuite pu déterminer le moment critique dans le temps où l’interaction entre les trajectoires commence au stade non homogène de la radiolyse. Il est démontré que l’apparition des effets de débit de dose est inversement proportionnelle au débit de dose, comme l’indiquent nos résultats de simulation utilisant un modèle d’irradiation cylindrique. D’après une comparaison avec des expériences/modèles utilisant des électrons pulsés, il apparaît que la géométrie du volume d’irradiation affecte de manière significative à la fois la période au cours de laquelle les effets de débit de dose se développent et les rendements radiolytiques. Enfin, nous avons étendu nos travaux précédents pour étudier l’effet du transfert d’énergie linéaire (TEL) sur la déplétion de l’oxygène avec des protons à débits de dose élevés. Nous avons constaté que, au contraire de ce qui est observé à faible TEL, la consommation transitoire en O2 qui se produit à TEL élevée est importante. Prise dans son ensemble, notre modélisation des effets des débits de dose élevés sur les stades physico-chimiques initiaux de la radiolyse de l’eau démontre sa pertinence dans l’étude de l’effet FLASH.

Abstract: Radiation therapy is an important part of the care of cancer patients. Theoretically, cancer could be cured by high doses of ionizing radiation. However, its practical application at high doses causes undesirable side effects in normal tissues. For this reason, most therapeutic improvements have focused on reducing side effects on healthy tissues. In 2014, a novel irradiation technique called "FLASH-RT" was proposed to more effectively kill cancer cells while protecting healthy tissue. Since little is known about the physicochemical mechanism underlying the effects of FLASH, e.g., the early events that occur after energy deposition, the aim of this project was to find out how the early physical and physicochemical stages along the radiation tracks are affected by high dose rates. To verify our approach, we first used our Monte Carlo code to study the effect of low dose rates of protons on radiolysis of water in the 150 keV-500 MeV energy range. The good agreement between the experimental data and our simulation results (our yield calculations for the primary radiolytically generated species) at low dose rates shows that we can use our code to study the effects of high dose rates on proton irradiation-induced radiolysis of water. As a second step, we were able to determine the critical point in time when the interaction between tracks starts in the track stage of radiolysis. The "onset" of dose-rate effects is shown to be inversely proportional to the dose rate, as demonstrated by our simulation results using our cylinder model. Based on a comparison with experiments/models using pulsed electrons, it appears that the geometry of the irradiation volume significantly affects both the time period over which dose-rate effects develop and the radiolytic yields. Finally, we extended our previous work to study the effect of linear energy transfer on oxygen depletion with protons at high dose rates. We found that in contrast to what is observed with low LET irradiation, the transient O2 consumption that occurs with high LET irradiation is quite significant. Taken together, our modeling demonstrates its suitability to study the effects of ultra-high dose rates on the initial physicochemical stages of water radiolysis.