Il dottor Pavel Bláha, ricercatore post-doc presso il Laboratorio di Biofisica delle Radiazioni del Professor Lorenzo Manti, presso la sezione INFN di Napoli, ha ricevuto il finanziamento del progetto BAFOMET (proton Boron cApture and FLASH apprOach coMbination to Enhance protonTherapy efficiency). Il suo è stato uno dei sei progetti premiati dall'INFN CSN V con un Grant Giovani per promuovere l'eccellenza tra i giovani ricercatori che lavorano nei campi di ricerca dell'Istituto (ricerca interdisciplinare nel caso di Pavel Bláha).
Il progetto biennale finanziato BAFOMET ha lo scopo di combinare due approcci innovativi e all'avanguardia nella protonterapia e nella radioterapia del cancro in generale: Proton Boron Capture Therapy (pBCT) e la protonterapia a rate di dose molto elevata (FLASH- PT). La protonterapia si sta rapidamente espandendo in tutto il mondo a causa delle proprietà fisiche con cui le particelle cariche accelerate rilasciano la loro energia nella materia, cioè la deposizione di energia invertita dose-profondità lungo la curva di Bragg. Ciò consente di ridurre la dose di radiazione ricevuta dal tessuto sano, abbassando il rischio di cancro secondario indotto dalla radioterapia, e di adattare la dose al volume del tumore in modo molto più preciso rispetto alla radioterapia convenzionale con fotoni. Per una data dose, tuttavia, i protoni riescono ad eliminare all’incirca la stessa quantità di cellule cancerose dei fotoni. La Proton Boron Capture Therapy, che sfrutta una reazione di fusione nucleare tra protoni e atomi di 11B (p + 11B à 3α), è stata recentemente proposta come un approccio innovativo per rendere la terapia protonica più biologicamente efficace e utile per trattare anche i tumori radioresistenti.
La Sezione INFN di Napoli guida la parte radiobiologica della CALL NEPTUNE (Nuclear process driven Enhancement of Proton Therapy UnravEled), finanziato nel 2019 dalla CSN V, e ha mostrato un aumento significativo dell’eliminazione di cellule tumorali umane dovuta all'irradiazione protonica come un risultato della reazione p + 11B à 3α. Grazie alle loro diverse proprietà radiobiologiche, le particelle alfa rilasciate, sono molto più dannose per il DNA rispetto ai protoni. Allo stesso tempo, un altro fenomeno, chiamato effetto FLASH, ha attirato molta attenzione: quando l'irradiazione viene eseguita a rate di dose molto elevati (ossia quando la dose che normalmente viene somministrata in un minuto viene somministrata in una frazione di secondo), sembra che ci sia una riduzione dei danni ai tessuti sani, pur mantenendo inalterata l'efficienza di uccisione delle cellule tumorali. Questi esperimenti sono stati eseguiti principalmente con fotoni ed elettroni, ma c'è stato interesse a testare questo approccio anche con i protoni.
BAFOMET, per la prima volta, combinerà queste due modalità al fine di aumentare l'effetto di eliminazione delle cellule cancerose dovuto all’approccio della pBCT e, allo stesso tempo, ridurre la possibilità di effetti avversi tardivi nei tessuti sani grazie ai tassi di dose FLASH. Questi effetti saranno studiati indagando gli endpoint citogenetici precoci e tardivi con esperimenti in vitro su cellule e in colture cellulari normali. Il progetto sarà condotto in collaborazione con il centro Orsay Proton Therapy, Institut Curie, Francia (come istituzione partecipante) e con ELI Beamlines, Repubblica Ceca. Il raggiungimento dei ratei di dose molto elevati ai quali si osserva l’effetto FLASH (a partire da 40 Gy/s) richiede una strumentazione complessa, e l'Istituto Curie ha esperienza nel raggiungimento di tali dosi utilizzando un acceleratore convenzionale modificato (con un dose rate fino a circa 150 Gy/s). ELI Beamlines, invece, si sta concentrando su tecniche sperimentali di accelerazione laser dei protoni - grazie alle quali è possibile raggiungere elevati dose rate - nel range di 109 Gy/s.
Il progetto BAFOMET copre un argomento che potrebbe estendere in modo significativo la nostra conoscenza dell'azione di base delle radiazioni in regimi temporali senza precedenti e aprire la strada all'applicazione preclinica di una nuova modalità di somministrazione della protonterapia. Se si dimostrerà efficace, la combinazione di questi approcci ha il potenziale per ampliare la finestra terapeutica della terapia protonica, aumentando l'efficacia dell'eradicazione del tumore radioresistente e possibilmente riducendo ulteriormente il rischio di tumori secondari associati ai tessuti sani.
Questo progetto rappresenta una grande opportunità per il Dr. Pavel Bláha di mettersi alla prova nel ruolo di Principal Investigator e per la sezione INFN di Napoli per stringere nuovi collegamenti e collaborazioni.
English version:
Dr. Pavel Bláha, postdoctoral researcher in the Laboratory of Radiation Biophysics of Professor Lorenzo Manti, INFN Naples section, was awarded funding for the project BAFOMET (proton Boron cApture and FLASH apprOach coMbination to Enhance protonTherapy efficiency). It was one of the six projects awarded by the INFN CSN V to foster the excellence among the young researchers working in the Institute’s fields of research (interdisciplinary research in the case of Pavel Bláha).
The funded two-year project BAFOMET is aimed to combine two novel, state-of-the-art, approaches in proton therapy and cancer radiation therapy in general: Proton Boron Capture Therapy (pBCT) and very high dose rate proton irradiation (FLASH-PT). Protontherapy is rapidly expanding worldwide because of the physical properties with which accelerated charged particles release their energy in the matter - that is, the inverted dose–depth energy deposition along the Bragg curve. This allows to reduce the dose to healthy tissue, lowering the risk of secondary radiotherapy-induced cancer, and to conform the dose to the tumour volume much more precisely than using the conventional photon radiotherapy. For a given dose, however, protons kill more or less the same amount of cancer cells as photons. Therefore, pBCT, which exploits a nuclear fusion reaction between protons and atoms of 11B (p + 11B à 3α), has been recently proposed as an innovative approach to make proton therapy more biologically effective and useful to treat also the resistant cancers that are not eradicated by a standard radiation therapy. The INFN Naples Section leads the radiobiology part of the NEPTUNE (Nuclear process driven Enhancement of Proton Therapy UnravEled) project, funded in 2019 by CSN V, and has shown a significant increase in the cell killing effect of proton irradiation in human cancer cells as a result of the p + 11B à 3α reaction. Thanks to the different radiobiological properties of the released alpha particles, they are much more DNA damaging in comparison to protons. On the other hand, another phenomenon, called FLASH effect, has been attracting a lot of attention: when irradiation is performed at very high dose rates (which means the same dose that normally is administered in a minute is given in fraction of a second), this seems to reduce healthy tissue damage, while keeping unchanged the tumor killing efficiency. These experiments have been performed mostly with photons and electrons but there has been an interest to test this approach with protons as well.
BAFOMET will, for the first time, combine these two modalities in order to, at the same time, increase the cancer cell killing effect due to pBCT and to lower the chance of delayed adverse effects in healthy tissue thanks to FLASH dose rates. These effects will be studied by investigating early and delayed cytogenetical endpoints in cancer and normal cell cultures. The project will be conducted in collaboration with Orsay Proton Therapy center, Institut Curie, France (as a participating institution) and with ELI Beamlines, Czech Republic. Achieving very high dose rates during proton irradiation requires complex instrumentation, the Institut Curie has experience in achieving this by using a modified conventional accelerator (dose rates up to around 150 Gy/s). ELI Beamlines is focusing on experimental technique of laser acceleration of protons – thanks to that they are capable of extremely high dose rates – in the range of 109 Gy/s.
The BAFOMET Project covers comprehensive topic that could significantly extend our knowledge of the basic radiation action under unprecedented temporal regimes as well as pave the way for pre-clinical application of a new modality of administering proton therapy. If proved successful, combination of these approaches has the potential to widen the therapeutic window of proton therapy – increasing effectivity of radioresistant tumor eradication while possibly further reducing the risk of secondary cancers associated with healthy tissue. It is a great opportunity for Pavel Bláha to prove himself in the role of Principal Investigator and for the INFN Naples section to forge new connections and collaborations
