Advanced

Realistic tissue dosimetry models using Monte Carlo simulations. Applications for radionuclide therapies

Larsson, Erik LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Vid radionuklidterapi används ett radioaktivt läkemedel för behandling av vissa sjukdomar, bl.a. struma och vissa tumörsjukdomar. En radionuklidmärkt målspecifik molekyl administreras till patienten och läkemedlet transporteras via blodomloppet till det sjuka området där molekylens egenskaper gör att läkemedlet ansamlas. Den joniserande strålningen som sänds ut från läkemedlet ger upphov till skador på DNA i cellkärnan. Desto fler skador som inträffar på DNA, desto mindre är chansen att cellen ska kunna reparera skadorna vilket slutligen leder till att cellen slutar fungera eller till och med dör. Måttet som används för att bestämma den deponerade strålningsenergin per massenhet är absorberad dos... (More)
Popular Abstract in Swedish

Vid radionuklidterapi används ett radioaktivt läkemedel för behandling av vissa sjukdomar, bl.a. struma och vissa tumörsjukdomar. En radionuklidmärkt målspecifik molekyl administreras till patienten och läkemedlet transporteras via blodomloppet till det sjuka området där molekylens egenskaper gör att läkemedlet ansamlas. Den joniserande strålningen som sänds ut från läkemedlet ger upphov till skador på DNA i cellkärnan. Desto fler skador som inträffar på DNA, desto mindre är chansen att cellen ska kunna reparera skadorna vilket slutligen leder till att cellen slutar fungera eller till och med dör. Måttet som används för att bestämma den deponerade strålningsenergin per massenhet är absorberad dos [Gy]. Att beräkna den absorberade dosen är viktigt för att kunna undvika allvarliga bieffekter av strålningen och därmed kunna optimera behandlingseffekten. Före en ny behandling eller behandlingsstrategi testas på människor utförs ofta studier på råttor och möss. Utvärderingen av behandlingseffekt bör då korreleras mot absorberad dos.

Ett led att beräkna absorberad dos ligger i att bestämma var den emitterade energin deponeras. Denna transport av partiklarna kan inte beräknas analytiskt, så istället simuleras transporten av partiklarna i ett datorprogram enligt den så kallade Monte Carlo metoden. För att kunna simulera partiklarnas transport krävs en matematisk modell som beskriver anatomin. De konventionella dosimetrimodellerna använder sig av en väldigt förenklad representation av organen och dess inbördes läge, vilket i slutändan innebär stora osäkerheter i absorberad dos. Detta resulterar i svaga samband mellan beräknad absorberad dos och en studerad biologisk effekt. Målet med denna avhandling har varit att använda sig av realistiska beskrivningar av anatomin för att utveckla nya noggrannare dosimetrimodeller.

I de tre första arbetena presenteras dosimetrimodeller som bygger på anatomiskt realistiska matematiska modeller av mus och råtta, vilka kan användas vid dosimetristudier. I arbete III beräknas den absorberade dosen till benmärg hos råtta vid en radionuklidterapi med antikroppar och korreleras med observerad nedgång i cirkulerande blodceller. Två nya metoder att kvantifiera denna biologiska effekt presenteras och visar sig ge en starkare korrelation än tidigare metoder.

I de två sista arbetena presenteras två dosimetrimodeller, en för testikel och en för tunntarmens vägg. De konventionella metoderna ger en medelabsorberad dos till hela vävnaden, meden dessa nya modeller tar hänsyn till vävnadens cellstruktur och var de mest strålkänsliga cellerna finns. Detta innebär även att man kan ta hänsyn till hur aktiviteten fördelar sig i organet. Beroende på vilken dosimetrimodell som används, så blir det ofta stora skillnader i beräknad absorberad dos. Med dessa nya modeller får vi en noggrannare bestämning av absorberad dos för de strålkänsliga cellerna och hoppas därmed finna starkare samband med biologiska respons. (Less)
Abstract
Radionuclide therapy (RNT) is a generic term for treatment modalities that use a radionuclide labeled to a target-specific molecule. This so-called radiopharmaceutical accumulates in the target, where the ionizing radiation damages the cells. At sufficient levels of radiation, the cells cannot repair themselves. The quantity of the energy deposited in a target region is referred to as the absorbed dose [Gy]. Absorbed dose calculations in RNTs are associated with large uncertainties, originating from determination of the activity as well as uncertainties in absorbed dose conversion factors (S factors). S factors are derived for mathematical described source-target combinations (so called phantoms) using Monte Carlo techniques to simulate... (More)
Radionuclide therapy (RNT) is a generic term for treatment modalities that use a radionuclide labeled to a target-specific molecule. This so-called radiopharmaceutical accumulates in the target, where the ionizing radiation damages the cells. At sufficient levels of radiation, the cells cannot repair themselves. The quantity of the energy deposited in a target region is referred to as the absorbed dose [Gy]. Absorbed dose calculations in RNTs are associated with large uncertainties, originating from determination of the activity as well as uncertainties in absorbed dose conversion factors (S factors). S factors are derived for mathematical described source-target combinations (so called phantoms) using Monte Carlo techniques to simulate the particle transport from various radionuclides. The accuracy of the S factor depends on how well the phantom reflects the patient anatomy. The phantoms most used in conventional dosimetry models rely on crude anatomic descriptions; therefore, calculated absorbed doses and radiation-induced biological effects are rarely well correlated. The aim of this thesis was to develop more realistic phantoms to create more accurate dosimetry models.

Most preclinical evaluations of new radiopharmaceuticals or treatment strategies are performed on small animals, and the efficacy should be evaluated with the absorbed dose. In practice, dosimetry calculations are not a standard procedure; instead, activity levels below those reported to produce severe side effects are used. Papers I, II, and III present dosimetry models based on Monte Carlo simulations using realistic phantoms of mice and rats that produce reliable S factors, which could be useful in dosimetry studies. In Paper III, we used our rat dosimetry model with data from an activity-escalating study of 90Y- and 177Lu-BR96 monoclonal antibodies. Two novel parameters that can be used to quantify decreases in peripheral blood cells were derived. We showed that the data derived with these parameters correlated well with the absorbed dose in red bone marrow.

In Papers IV and V, we propose two small-scale anatomic models for the small intestine and the testis, respectively. The large difference from conventional models is that different tissue structures are incorporated, allowing for the calculation of absorbed doses to the most radiosensitive cells in the tissue while considering heterogeneous uptake therein. Differences in order of magnitude are possible when calculating absorbed doses using these new dosimetry models. These dosimetry models will be important when making correlations with biological effects. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Johansson, Lennart, Institutionen för strålningsvetenskaper, Umeå Universitet
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
internal dosimetry, radionuclide therapy, Monte Carlo, small scale dosimetry
pages
75 pages
publisher
Department of Medical Radiation Physics, Clinical Sciences, Lund, Lund University
defense location
Föreläsningssal 1, Skånes Universitetssjukhus, Lund
defense date
2011-12-16 13:15
ISBN
978-91-7473-193-4
language
English
LU publication?
yes
id
c7eb5fdc-0e7f-422a-9bc9-903582e32c01 (old id 2205146)
date added to LUP
2011-11-18 08:53:24
date last changed
2016-09-19 08:45:13
@phdthesis{c7eb5fdc-0e7f-422a-9bc9-903582e32c01,
  abstract     = {Radionuclide therapy (RNT) is a generic term for treatment modalities that use a radionuclide labeled to a target-specific molecule. This so-called radiopharmaceutical accumulates in the target, where the ionizing radiation damages the cells. At sufficient levels of radiation, the cells cannot repair themselves. The quantity of the energy deposited in a target region is referred to as the absorbed dose [Gy]. Absorbed dose calculations in RNTs are associated with large uncertainties, originating from determination of the activity as well as uncertainties in absorbed dose conversion factors (S factors). S factors are derived for mathematical described source-target combinations (so called phantoms) using Monte Carlo techniques to simulate the particle transport from various radionuclides. The accuracy of the S factor depends on how well the phantom reflects the patient anatomy. The phantoms most used in conventional dosimetry models rely on crude anatomic descriptions; therefore, calculated absorbed doses and radiation-induced biological effects are rarely well correlated. The aim of this thesis was to develop more realistic phantoms to create more accurate dosimetry models. <br/><br>
Most preclinical evaluations of new radiopharmaceuticals or treatment strategies are performed on small animals, and the efficacy should be evaluated with the absorbed dose. In practice, dosimetry calculations are not a standard procedure; instead, activity levels below those reported to produce severe side effects are used. Papers I, II, and III present dosimetry models based on Monte Carlo simulations using realistic phantoms of mice and rats that produce reliable S factors, which could be useful in dosimetry studies. In Paper III, we used our rat dosimetry model with data from an activity-escalating study of 90Y- and 177Lu-BR96 monoclonal antibodies. Two novel parameters that can be used to quantify decreases in peripheral blood cells were derived. We showed that the data derived with these parameters correlated well with the absorbed dose in red bone marrow.<br/><br>
In Papers IV and V, we propose two small-scale anatomic models for the small intestine and the testis, respectively. The large difference from conventional models is that different tissue structures are incorporated, allowing for the calculation of absorbed doses to the most radiosensitive cells in the tissue while considering heterogeneous uptake therein. Differences in order of magnitude are possible when calculating absorbed doses using these new dosimetry models. These dosimetry models will be important when making correlations with biological effects.},
  author       = {Larsson, Erik},
  isbn         = {978-91-7473-193-4},
  keyword      = {internal dosimetry,radionuclide therapy,Monte Carlo,small scale dosimetry},
  language     = {eng},
  pages        = {75},
  publisher    = {Department of Medical Radiation Physics, Clinical Sciences, Lund, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Realistic tissue dosimetry models using Monte Carlo simulations. Applications for radionuclide therapies},
  year         = {2011},
}