탄소 이온의 방사선생물학적 특성

탄소 이온 중입자 가속기 치료

■ 탄소 이온의 방사선생물학적 특성: 환자 선택의 근거

• 임상에서 중요한 탄소 이온의 특성 두 가지는 다음과 같다.
• (a) 깊이-선량 분포를 보면, 특정 깊이에서 매우 높은 에너지를 전달하며(Bragg peak), 이후에는 에너지를 거의 전달하지 않는다(그림 20.1).
• (b) 빔 비정의 끝 부분에서 생물학적 효과 증가한다(Bragg peak) .

 

Dose Distribution: Bragg Peak and Spread-Out Bragg Peak(SOBP)

• 양성자와 탄소 이온의 깊이-선량 분포는 유사하지만, 임상적으로 의미가 있는 몇 가지 차이(탄소 이온의 경우 핵 상호작용으로 인한 "fragmentation tail"이 존재하여, 고품질 PET 영상 촬영이 가능)가 있다. 또한 탄소 이온은 양성자에 비해 반음영(penumbra)이 매우 좁다. 

• 탄소 이온 빔 역시 양성자와 유사하게 표적에 맞춰 빔을 확산시킴으로써, 낮은 선량의 "plateau"를 지나 표적에 spread-out Bragg peak(SOBP)를 형성한다(그림 20.2 및 20.3).

 

Treatment Plan Intercomparisons

• 선량 분포의 관점에서 세기변조방사선치료(IMR)와 입자 치료(양성자 또는 탄소 이온)간의 큰 차이는 없었으나, 입자 치료의 경우 표적체적(target volume)이 크더라도 주변 정상 조직에 전달되는 선량을 줄일 수 있다는 차이가 있었다.
• Schulz-Ertner et al.은 척수 척삭종(spinal chordoma) 및 두개골 기저부를 침범한 선양낭성암종(adenoid cystic carcionma, ACC) 환자에게서 광자 IMRT 단독보다 탄소 이온 단독 또는 탄소 이온과 광자 IMRT의 병합이 우수하다는 것을 입증했다.
• Amirul et al.은 일부 두경부 종양 환자에게서 종양 포함도(tumor coverage) 와 OAR 보호에서 모두 이점을 보인다고 보고했다.

 

Integral Dose

• 입자 빔의 또 다른 장점은 적산선량(integral dose)이 낮다는 점이다.
• 선량 분포를 맞추기 어려운 경우에서도 입자 빔의 경우 적은 필드로도 치료가 가능하며, 이로써 쇄기변조 X선치료(intensity-modulated x-ray therapy, IMXT)에 비해 적산선량(특히 소아에서 방사선으로 인한 암 발생 가능성을 줄일 수 있다)을 극적으로 줄일 수 있다.

 

Biologic Effectiveness and Equivalent Biologic Rate

• 저 LET 선인 광자 및 양성자와 달리, 탄소 이온은 중성자와 함께 고 LET 선으로서 높은 생물학적 효과를 보인다는 특징이 있다.
• 흥미로운 점은, 방사선 저항성 종양에 대한 더 높은 TCP(tumor control probability)를 보이면서도 NTCP(normal tissue complication probability)의 는 브래그 피크(SOBP)로 인해 제한된다는 점이다. 따라서 OAR에는 추가적인 생물학적 효과가 없게 된다.

 

Dose Fractionation

• 정상 조직과 암 세포는 어느 정도의 방사선 손상(sublethal radiation injury)에 대해서는 회복 할 수 있는 능력이 있다. 하지만 고 LET 선에 의한 손상에서는 이러한 회복 작용이 일어나기 힘들다.
• 따라서 저 LET 선 치료에서 sublethal radiation injury에 대한 정상 조직과 암 세포의 회복 능력 차이를 근거로 적용했던 기존의 선량 분할(dose fractionation)을 그대로 적용해야 하는가 하는 의문이 생긴다.
• 실험 데이터 상으로는 고 LET 선에 대한 정상 세포와 종양 세포의 RBE 값은 차이를 보이지 않았다.
• 하지만 속중성자와 탄소 이온 실험 결과에 따르면 분할 선량(dose per fraction)을 증가시키는 것이 종양과 정상 조직의 모두에서 RBE를 낮추는 경향이 있지만, short-course hypofractionation의 탄소 이온 방사선 치료시 정상 조직의 RBE를 더 현격이 낮춤으로써 치료비(therapeutic ratio)를 높일 수 있었다.
• 일본 치바의 NIRS에서는 저분할 탄소 이온 방사선 치료( hypofractionated carbon ion radiotherapy)를 연구하고 있다.

 

Applications for Patient Selection and Radiotherapy Schemes

• 요약하자면, 탄소 이온은 광자 및 양성자와 같은 저 LET선에 비해 우수한 생물학적 효과와 광자와 중성자보다 깊이-선량 분포가 우수하다. 따라서 광자로 치료할 때 방사선 민감도가 낮은 종양이 탄소 이온 치료의 적응증이 되며, 특히 종양이 방사선 민감성 정상 조직에 의해 둘러싸여 있는 경우에 더욱 유리하다.
• 또한, 탄소 이온 생물학적 및 물리적 특성으로 인해 기존의 방사선 치료에 비해 높은 분할 선량(fraction dose)으로 치료가 가능하다. 그로인해 경제적인 효과(건강 보험 비용 절감)가 기대될 뿐만 아니라 환자 삶의 질(전체 치료 시간 단축)에 영향을 미칠 것으로 기대된다.

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원본 : Perez and Brady's Principles and Practice of RADIATION ONCOLOGY 중 Chanpter 20 Carbon Ions