[논문]Consideration of the benefits of using a high current accelerator in BNCT

Cho, Ilsung; Min, Sun-Hong; Park, Chawon; Kim, Minho; Lee, Kyo Chul; Lee, Yong Jin; Hong, Bong Hwan; Lim, Sang Moo

doi:10.22643/jrmp.2020.6.1.10

Consideration of the benefits of using a high current accelerator in BNCT 원문보기

Journal of radiopharmaceuticals and molecular probes : JRMP = 대한방사성의약품학회지, v.6 no.1, 2020년, pp.10 - 19

Cho, Ilsung (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Min, Sun-Hong (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Park, Chawon (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Kim, Minho (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Lee, Kyo Chul (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Lee, Yong Jin (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Hong, Bong Hwan (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences) , Lim, Sang Moo (Department of Korea Institute of Radiological & Medical Sciences)

Abstract ▼ AI-Helper

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) has the advantage of selectively removing cancer cells ingesting boron compounds. In this study, the benefits for treatment time and boron compound injection dose were compared between current neutron sources and a high current neutron sources to be developed in near future. The time-activity curve (TAC) of GBM (Glioblastoma) for one bolus injection was obtained by applying modified 3 compartment model. The treatment time was determined for an accelerator-based neutron sources at the present time and a high current accelerator based neutron source to be developed in the near future. In the case of the double amount of IAEA-recommended neutron flux, the treatment time was shortened to 15 minutes. In the case of high current accelerators, which are five times the amount of IAEA-recommended neutron flux, the irradiation time is within 5 minutes. The use of a high current accelerator based neutron source in BNCT is advantageous in terms of treatment time. In addition, it can increase the efficiency of use of neutrons and reduce the boron compound injection dose to patients, thus reducing pharmacological toxicity.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Basic principles of born neutron capture therapy.
그림 Figure 2. Conceptual diagram of accelerator based born neutron capture therapy system.
표 Table 1. Neutron production reaction and generated neutron energy.
표 Table 2. Pharmacodynamic parameters of ¹⁸F-¹⁰B-FBPA ^a) in patients with glioblastoma.
표 Table 3. Number of epithermal neutrons and dose rate recommended by IAEA ^a).
그림 Figure 3. Modified 3-compartment model of ¹⁸F-¹⁰B-FBPA.
표 Table 4. Irradiation method for boron compound injection method and neutron sources.
표 Table 5. Neutron irradiation time for neutron flux and injection.
그림 Figure 4. Time-activity curve of ¹⁸F-¹⁰B-FBPA for gliobrastoma.
그림 Figure 5. Normalized time-activity curve of ¹⁸F-¹⁰B-FBPA for one bolus injection and continuous infusion.
그림 Figure 6. Area under curve of normalized time-activity curve for neutron fluxes. Black dotted line means irradiation time of 30 minutes recommended by IAEA ^a) Technical document 1223.
그림 Figure 7. Each figure shows irradiated neutrons(hatched) and captured neutrons(dot filled) (a) IAEA ^a) recommended neutron flux (b) two times larger IAEA recommended neutron flux (c) five times larger IAEA recommended neutron flux. Captured neutron follows the time-activity curve of boron compound. Figure (d) shows irradiation time corresponds to reactor based treatment.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 BNCT의 경우 치료시간의 단축은 다량의 낮은 에너지의 열외 중성자 발생장치를 통해 개선될 수 있다. 본 연구에서는 가속기의 빔전류가 클수록 치료시간에 어떤 영향을 미치는지 시간방사능 곡선(TAC: Time Activity Curve)를 통해 알아보고 이에 따른 임상적 이득을 논의하고자 한다.
본 연구에서는 정확한 선량의 계산보다는 중성자 플럭스의 증가에 따른 선량 전달 시간에 관점을 두었다. 합성곱의 경우 수학적으로 스칼라곱에 대해 결합법칙과 교환법칙이 성립한다.
중성자 조사시간은 국제원자력기구 (IAEA)의 기술문서 1223을 참고하여 30분으로 정했다[1]. 해당 조사 시간은 원자로 기반 중성자원에서 치료 할 경우에 대하여 피부 부작용이 없는 조사시간으로 본 연구에서 지속적주입에 대한 AUC를 구하기 위해 사용했다.

가설 설정

Captured neutron follows the time-activity curve of boron compound. Figure (d) shows irradiation time corresponds to reactor based treatment.
6. 열중성자 플럭스(thermal neutron flux)가 일정하면 조사된 총 중성자 수는 열중성자 플럭스를 시간에 따른 적분으로 얻은 면적과 비례한다
b) IAEA recommends epithermal neutron flux value larger than 10⁹ cm^-2s^-1 for BNCT.
가속기에서 생성되는 열중성자빔에 대한 조사시간 중의 시간 -방사능 곡선의 AUC를 구하기 위해 일반 가속기에서 발생되는 열 중성자수를 기술문서 권고사항의 2배로 보았고 미래형 대전류 가속기에서 생성되는 중성자는 5배로 가정했다 . 발생되는 중성자 수가 높으면 짧은 시간 조사가 가능하므로 일회순간주사로 주사하고 치료 할 수 있다.
본 연구에서 국제원자력기구 기술문서를 참고하여 열외 중성자 플럭스에서 30분 조사를 가정 했다[1]. 이는 피부 부작용이 없는 안전한 조사시간이기도 하다.
합성곱의 경우 수학적으로 스칼라곱에 대해 결합법칙과 교환법칙이 성립한다. 중성자 플럭스의 증가는 스칼라 곱으로 볼 수 있어 본 연구에서 말하고자 하는 중성자 플럭스 증가에 따른 선량의 증가 비율에는 영향을 주지 않는다.

제안 방법

가속기 기반의 열중성자원을 가정하여 중성자 플럭스가 증가할 경우에 대해서도 중성자 조사시간을 정했다. 시간-방사능 곡선은 종양 세포의 섭취량과 관계되어 있으므로 조사되는 중성자 선과는 관계없다.
정점을 시작으로 30분 중성자를 조사하면 치료 시간은 35분부터 65분이 되며 해당AUC는 종양세포에 전달되는 붕소선량에 비례한다. 각 주사방법의 시간-방사능 곡선 비교의 편의를 위해 정점값을 1 로 규격화 했다. 지속적주입의 경우 1로 규격화되어 30분 조사를 하면 AUC _continuous 값은 30이 된다.
지속적주입에 대해서는 중성자 조사를 종양세포 섭취량이 최고가 되게 하여 조사를 시작하므로 일회순간주사(one bolus injection)에 대해 구한 시간-방사능 곡선의 정점값에 규격화 했다. 규격화 할 때 최대 섭취량을 1로 보고 상대적으로 비교했다. 열중성자가 조사되면 종양세포에 섭취된 붕소화합물에 의해 중성자 포획이 일어나게 되며 포획된 중성자량과 시간-방사능 곡선의 조사 시간에 대한AUC(area under curve)는 비례하게 된다.
따라서, 표 4에 나오는 방법 1과 동일한 AUC를 주는 시간이 각 방법 별로 중성자 조사 시간이 된다. 본 연구에서는 각 주사 방범에 따른AUC의 비를 비교하기 위해 정점을 1로 규격화 했다.
이렇게 가능한 치료 방법을 표 4에 정리했다. 본 연구에서는 표 4에 나와있는 중성자 조사방법을 기준으로 원자로기반에서 30분 조사했을 때 주는 AUC값과 동일한 조사시간을 앞에서 구한 시간-방사능 곡선을 통해 구했다.
붕소화합물인 ¹⁸F-¹⁰B-FBPA가 종양세포에 천천히 한번 주사되는 것을 가정하여 변형 3-구역 모델을 적용해 시간-방사능 곡선 (TAC :Time activity curve)을 얻었다. 그림 4의 x 축은 분 단위 시간을 나타내며 y축은 mL당 방사능 농도(Radioactivity concentration)를 나타낸다.
원자로에서는 붕소화합물을 연속 주사하여 충분히 섭취되었을 때 중성자를 조사했다. 본 연구에서는 충분히 중성자 수가 보장되면 일시주사로 치료를 단시간에 할 수 있음을 보여준다.
지속적주입에 대해서는 중성자 조사를 종양세포 섭취량이 최고가 되게 하여 조사를 시작하므로 일회순간주사(one bolus injection)에 대해 구한 시간-방사능 곡선의 정점값에 규격화 했다.
표 2 에 나와있는 값을 사용하여 일시 주사에 대한 시간-방사능 곡선을 구했다. 지속적주입에 대해서는 중성자 조사를 종양세포 섭취량이 최고가 되게 하여 조사를 시작하므로 일회순간주사(one bolus injection)에 대해 구한 시간-방사능 곡선의 정점값에 규격화 했다.

대상 데이터

변형 3구역 모델에 대한 개요는 그림 3에 나와있다. 붕소화합물에 사용된 약동학적 3구역모델 파라미터는 교토대학교 신경외과에서 PET영상을 통해 ¹⁸F-¹⁰B-FBPA에 대하여 구한 값을 사용했다. 교모세포종에 대한 세포를 종양세포로 사용한 동역학적 변수는 아래의 표 2와 같다[9].

이론/모형

1. 종양 세포는 붕소화합물을 섭취하며 종양세포에 섭취된 붕소화합물 섭취량은 변형 3-구획모델 (Modified 3-compartment model)을 따른다.
종양세포가 섭취하는 붕소화합물의 농도를 약동학적 모델(Pharmacokinetics model)을 적용해 시간-방사능 곡선(TAC: Time Activity Curve)으로 구했다 . 일반적으로 시간에 따른 약물의 동태는 정맥을 통해서 약물이 주입되는 구역과 상대적으로 빠르게 작용되는 구역 그리고 느리게 작용되는 구역 이렇게 3개의 구역으로 나누어 모델링 한다.
중성자 조사시간은 국제원자력기구 (IAEA)의 기술문서 1223을 참고하여 30분으로 정했다[1]. 해당 조사 시간은 원자로 기반 중성자원에서 치료 할 경우에 대하여 피부 부작용이 없는 조사시간으로 본 연구에서 지속적주입에 대한 AUC를 구하기 위해 사용했다.

성능/효과

2. 원자로에서 치료 할 때는 연속 주사를 진행하므로 시간-방사능곡선은 종양세포 최대 섭취지점에서 일정한 값을 지속적으로 유지한다.
3. 국제원자력기구의 기술문서 1223을 연속주사 방법과 병행하여 치료 할 때 중성자 조사시간은 30분으로 하고 이는 피부 부작용이 없는 중성자 조사량으로 본다.
4. 시간-방사능 곡선을 시간으로 적분한 면적, 즉 AUC 종양주변에서 포획되는 열중성자 양에 비례한다.
처방선량의 경우 선택된 동역학적 모델에 대하여 원자로 기반치료를 가정한 일회순간주사와 지속적 주입의 경우 치료시간 차이는 2분으로 큰 차이는 없었다 . IAEA에서 권장하는 중성자 플럭스 양의 2배되는 가속기 기반 중성자원의 경우 치료시간은 15분으로 중성자 조사시간이 단축되었으며, 중성자를 5배 많이 발생하는 대전류 가속기의 경우 조사시간은 5분이내로 나타나 대전류로 가속기 기반 중성자원의 조사시간이 짧았다.
원자로에서는 붕소화합물을 연속 주사하여 충분히 섭취되었을 때 중성자를 조사했다. 본 연구에서는 충분히 중성자 수가 보장되면 일시주사로 치료를 단시간에 할 수 있음을 보여준다. 대전류 가속기 기반 중성자원을 사용한 BNCT는 환자에게 투여할 붕소화합물의 양을 줄일 수 있어 약리학적 부작용을 줄일 수 있다.

후속연구

우리나라는 BNCT에 대한 연구를 지원해 줄 수 있는 방사선종양학, 핵의학, 의학물리, 중성자물리 등 의료기기공학의 탁월한 연구역량을 확보하고 있다. 대전류 열외중성자 가속장치의 개발을 통해 기존의 BNCT 패러다임을 혁신시키고 방사선 암 치료 수준을 한 단계 더 높이며 암 환자에게 치료효과 향상을 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
원자로 기반 BNCT는 일반병원에서 원자로 시설 관리의 어려움 등 현실적으로 여러 문제를 가지고 있다. 따라서 추후 BNCT치료 시스템의 개발에 있어 병원에 설치 가능성과 환자 및 의료진의 접근성이 필수적으로 고려되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	붕소중성자포획치료란?	붕소중성자포획치료 (BNCT: Boron Neutron Cap ture Therapy ) 는 그림 1에서 보여지듯이 열중성자와 붕소화합물과의 핵반응을 이용하는 암 치료법으로 핵반응에 의해 발생하는 α선과 7 Li입자 의하여 종양 세포만을 선택적으로 치료할 수 있다 [ 1 ] . 암환자에게 붕소 약물을 주입하면 암세포가 붕소를 포획하는 특징을 이용한 BNCT는 의료용 가속기에서 발생한 열외중성자를 조사해 수술 없이도 암세포만을 선택적으로 사멸시킬 수 있는 차세대 암 치료법이다.
	붕소중성자포획치료의 핵반응에서 발생하는 것들은?	붕소중성자포획치료 (BNCT: Boron Neutron Cap ture Therapy ) 는 그림 1에서 보여지듯이 열중성자와 붕소화합물과의 핵반응을 이용하는 암 치료법으로 핵반응에 의해 발생하는 α선과 7 Li입자 의하여 종양 세포만을 선택적으로 치료할 수 있다 [ 1 ] . 암환자에게 붕소 약물을 주입하면 암세포가 붕소를 포획하는 특징을 이용한 BNCT는 의료용 가속기에서 발생한 열외중성자를 조사해 수술 없이도 암세포만을 선택적으로 사멸시킬 수 있는 차세대 암 치료법이다.
	붕소중성자포획치료는 어떤 치료법들과 상호 보완적으로 함께 운용하여 유용성을 높일 수 있는가?	암환자에게 붕소 약물을 주입하면 암세포가 붕소를 포획하는 특징을 이용한 BNCT는 의료용 가속기에서 발생한 열외중성자를 조사해 수술 없이도 암세포만을 선택적으로 사멸시킬 수 있는 차세대 암 치료법이다. BNCT는 종양 세포만을 선택적으로 치료하는 특징으로 인해서 환자의 상태에 맞는 맞춤형 치료를 제공할 수 있으며 수술치료법, 화학치료법 , 면역치료법 등과 상호 보완적으로 운용함으로써 방사선치료의 유용성을 높일 수 있다. 기존 임상사례 보고에 의하면 악성 뇌종양과 악성피부암(흑색종, me lanoma)에 적용되었으며 현재는 난치성두경부종양, 다발성간종양, 흉막중피종 등의 치료에 확대하여 적용되고 있다[2].

참고문헌 (11)

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Hum BG, Daniel JM, John EB, Arthur LB. Validation of a dose-point kernel convolution technique for internal dosimetry Phys. Med. Biol. 1995:40:365

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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