Presentazione Protonterapia. Marco Cianchetti

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1 Presentazione Protonterapia Marco Cianchetti

2 L uso dei protoni in radioterapia Rispetto ai raggi X: Migliore distribuzione di dose LET e RBE equivalente ( )

3 Improve the Physical Dose Distribution by Using a Different Type of Radiation DOSE low entrance dose DEPTH (CM) very narrow peak (few mm) depth of penetration depends on the proton s energy NO exit dose

4 Miglior rapporto dose-profondità dei Protoni MeV proton BP Dose (%) Depth (cm)

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6 Raggi X Protoni

7 Proton CSI: thecal sac only Note: Whole vertebral body is treated in patients who have not completed growth. Krejcarek, Yock, IJROBP 68: , 2007

8 Vantaggi clinici della protonterapia (legati alla migliore localizzazione della dose) Minor dose ai tessuti normali Minore tossicità ai tessuti normali Migliore radiotolleranza (< interruzioni) Migliore integrazione con terapia sistemica Riduzione effetti tardivi Possibile dose-escalation Maggior controllo tumorale

9 Quali fattori hanno limitato l applicazione della protonterapia? 1. Motivi tecnici (fasci fissi, posizione seduta...) 2. Motivi organizzativi (sharing beam time, schedule...) 3. Motivi economici (n. pazienti, tecnologia...) Strutture ospedaliere dedicate (gantry, aumento n. pazienti, riduzione costi)

10 Strutture di adroterapia in fase di pianificazione o in costruzione.totale 42 nuovi progetti!

11 Centri in attività nel 2013: 40!

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17 Documento A.I.R.O R O I Sulla base dei pazienti potenzialmente trattabili in Italia, è stata stimata la necessità di sviluppare 5 centri distribuiti nel territorio nazionale: uno ogni 8-10 milioni di abitanti

18 Categoria A: numero di pazienti trattabili con protonterapia in Italia (forte indicazione) Patients / year Treatable with protons Uveal Melanoma % Skull base Chordoma % Skull base Chondrosarcoma % Skull base Meningioma % Paraspinal Tumors % Cranial nerves Schwannoma % Hypophysis Adenoma % TOTAL %

19 Categoria B: numero di pazienti trattabili con protonterapia in Italia con potenziale vantaggio Tumor types patients / year treatable with protons Brain neuroepithelial tumors % Brain Metastases % Head neck tumors % Thyroid tumors % NSCLC % Tymomas % Esophageal tumors % Biliary tract tumors % Hepatocellular tumors % Pancreatic tumors % Rectal tumors % Cervix tumors % Bladder tumors % Prostate tumors % Pelvic recurrences after surgery >500 >250 50% Pediatric solid tumors % Non-neoplastic lesions AVMs % Macular degeneration??? TOTAL > > %

20 Tumori Oculari: localizzazione storica della PT

21 Area Bunker

22 Base del cranio-sistema Nervoso centrale

23 QUALI DATI? HGG TIPO DI TUMORE CEREBRALE NUMERO DI STUDI Cordomi e Condrosarcomi 8 Gliomi di Basso Grado (LGG) 3 Gliomi di Alto Grado (HGG) 2 Meningiomi Benigni 6 LGG Meningiomi Atipici e Maligni 4 Adenomi Ipofisari 2 Schwannomi vestibolari 4 Schwannoma vestibolare Cordoma Adenoma Ipofisario Meningioma

24 Review in neoplasie del basicranio Radiosurgery with photons or protons for benign and malignant tumours of the skull base: a review. Amichetti M, Amelio D, Minniti G. - Radiat Oncol A systematic review of proton therapy in the treatment of chondrosarcoma of the skull base. Amichetti M, Amelio D, Cianchetti M, Enrici RM, Minniti G. - Neurosurg Rev Radiotherapy and radiosurgery for benign skull base meningiomas. Minniti G, Amichetti M, Enrici RM. - Radiat Oncol Proton therapy in chordoma of the base of the skull: a systematic review. Amichetti M, Cianchetti M, Amelio D, Enrici RM, Minniti G. - Neurosurg Rev The role of fractionated radiotherapy and radiosurgery in the management of patients with craniopharyngioma. Minniti G, Esposito V, Amichetti M, Enrici RM. - Neurosurg Rev. 2009

25 Riduzione dose integrale a tessuto cerebrale normale Dosimetric Advantage of PBS over Double-Scattering for the Treatment of Brain Cancer Patients Maura Kirk, Sabina Vennarini et Al Dept. of Radiation Oncology, Hospital of the University of Pennsylvania ESSEN 2013 PTCOG 52 PBS Tecnica in funzione delle localizzazioni anatomiche!!!!!

26 IMPLEMENTAZIONE DEI PROTOCOLLI DI TRATTAMENTO NEL CENTRO DI PROTONTERAPIA DI TRENTO (Principali) Patologie di interesse clinico CORDOMA e CONDROSARCOMA della BASE CRANICA GLIOMI DI BASSO GRADO MENINGIOMA ALTRE NEOPLASIE DELLA BASE CRANICA (meningioma, schwannoma vestibolare, adenomi ipofisari) CORDOMA SPINALE CRANIOFARINGIOMA EPENDIMOMA GLIOMI DI ALTO GRADO

27 RISPARMIO MEDIE-BASSE DOSI MINORI DEFICIT NEUROLOGICI MINORI DEFICIT NEUROCOGNITIVI MINORI DEFICIT IPOTALAMO-IPOFISARI MINORI DEFICIT UDITIVI RIDUZIONE NEOPLASIE RADIOINDOTTE RISPARMIO ALTE DOSI AGLI OAR RIDUZIONE RISCHIO TOSSICITA ACUTA E TARDIVA (nervi ottici, chiasma, tronco.)

28 TRATTAMENTO CON PROTONI DI NEOPLASIE PEDIATRICHE RIPORTATE IN LETTERATURA SNC tumors Low-grade glioma Optic pathway glioma Germ cell tumors Medulloblastoma, Ependymoma Craniopharyngioma Skull base tumors Pineal tumors Chordoma/chondrosarcoma Soft tissue tumors Rhabdomyosarcoma Ewing s tumor Retinoblastoma Wilm s tumor Neuroblastoma

29 Effetti delle radiazioni nei pazienti pediatrici Oltre il 70% dei tumori pediatrici sono curati Gli effetti collaterali della radioterapia possono essere severi La radiazione inibisce la crescita e lo sviluppo in maniera dose dipendente La radioterapia sul cervello altera la funzione neurocognitiva e neuroendocrina A livello extracerebrale, rischio di effetti funzionali e cosmetici Secondi tumori (10-15% a 15 anni)

30 Razionale per l uso dei protoni nel trattamento dei tumori pediatrici Benefici Potenziali : Migliorare la Qualità di vita riducendo la morbidità trattamento-correlata Ridurre la dose ai tessuti normali circostanti = ridurre morbidità acuta e tardiva Potenziale incremento del controllo locale e sopravvivenza - aumento della dose senza incremento degli eff. collaterali Riduzione secondi tumori Potenziale miglioramento della compliance alla chemioterapia

31 Proton radiation therapy for pediatric chordoma of the skull base Liebsch NJ, Krengli M, Cianchetti M 105 pazienti pediatrici dal 1981 al 2009 hanno ricevuto radioterapia post-operatoria con tecnica mista fotoni-protoni Dose mediana totale: 78,5 Gy(RBE) in frazioni da 1,8-2.0 Gy (RBE) Follow-up mediano: 9,5 anni Controllo locale a anni: 81%-78%-72%-72% Sopravvivenza globale a anni: 76%-64% Nessuna tossicità superiore al G3 Collaborazione con MGH Boston Tumori, Vol 10, Numero 2, Novembre 2010, S 76

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33 TRATTAMENTO MEDULLOBLASTOMA PEDIATRICO 3DCRT TOMO IMPT % Gy Dose 35% Dose 10% Dose 0% Collaborazione con CRO Aviano, 2010 Mascarin M. Tumori 2010;96:316-21

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36 CONFRONTO IMRT vs. IMPT IN NEUROBLASTOMA IMRT IMPT Collaborazione con MGH Boston, 2011 B. Rombi, Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2012;83:

37 Implementazione attività radio-oncologica in pediatria Rafforzamento struttura onco-ematologica attuale Necessità attività anestesiologica Sviluppo rete assistenza socio-psicologica

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39 Protoni per i tumori del distretto testa-collo Riduzione di dose al globo oculare ed alle vie ottiche Risparmio di dose alle ghiandole salivari Riduzione di dose agli organi coinvolti nella deglutizione Possibilità di dose escalation su cellule ipossiche mantenendo al contempo la qualità di vita PTCOG 52

40 Head & Neck tumors Oropharynx Sinonasal tumours Nasopharynx Skin with perineural invasion Lacrimal gland Salivary gland Paragangliomas Sarcomas

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42 Tomotherapy 75 Gy IMPT 1 1 Head & Neck (nasopharynx) Tumoral volumes: Macroscopic Tumor (66 Gy) Lymphnodes at risk (54 Gy) Principal OAR 1 20 Gy 1 Parotid Mucoses Chiasm Spinal cord Brainstem Larynx Esophagus Thyroid Integral Dose! Collaborazione ATreP H.S. Raffaele MI Widesott et al. Int.J.Rad.Oncol.Biol.Phys.2008,72:589-96

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44 Collaborazione ATreP MGH Boston

45 Recidiva di parete Boost DS vs photon

46 Neoplasie comuni: ca. mammella POSSIBILI INDICAZIONI: - Anatomie sfavorevoli - Irradiazione volumi linfonodali - Lesioni avanzate (T4) - Trattamenti concomitanti - Patologie cardiache e polmonari - Parete toracica

47 Proton Beam Versus Photon Beam Dose to the Heart and Left Anterior Descending Artery for Left-Sided Breast Cancer Lilie Lin MD 1, Sabina Vennarini MD 2, Andreea Demofte PhD 1, Sonny Batra MD 1, Katie Shillington CMD 1, Stefan Both PhD 1, Francesco Dionisi MD 2, Zelig Tochner MD 1, Gary Freedman MD 1 1 Department of Radiation Oncology, Perelman University of Pennsylvania, Philadelphia, PA; 2 ATREP Agenzia Provinciale per la Protonterapia, Purpose/Objectives APSS Trento, Italy A B Ischemic cardiac disease is a known complication after radiotherapy for breast cancer(3). Dose to the whole organ heart structure has been shown to be reduced for left-sided breast radiation by techniques including photon IMRT, deep inspiration breath hold (DIBH), and proton beam irradiation(1). However, dose to the whole heart may not correlate well with dose to the critical structure for late events particularly coronary events involving the left anterior descending (LAD) artery. Our purpose was to compare the dose to heart, LAD, and lung between tangential proton and photon beam irradiation for left-sided early stage breast cancer patients receiving radiotherapy. Materials/Methods Ten women with early stage left-sided breast cancer were treated with breast-conserving surgery and radiation. Each gave permission to participate on an IRB-approved prospective study of DIBH and proton beam radiation planning. Whole breast radiation was delivered via a tangential technique utilizing DIBH (SDX ), inverse planning and sliding window IMRT (Eclipse ). The DIBH scan was used for this protocol in order to eliminate the potential effects of motion on the dose distributions. Each patient was replanned using en face PBS proton beam radiation. The heart and LAD were contoured by a single radiologist/radiation oncologist (SV) as per Feng et al(2). Prescription dose to the whole breast was 50 Gy in 2 Gy fractions with breast clinical target volume coverage of 95% >95%. Results The coverage of the breast clinical target volumes was comparable between photon and proton plans. All parameters for heart, lung, and LAD were significantly better with PBS vs photon IMRT. Table 1 summarizes the dose volume parameters to the heart, lung, LAD and Breast CTV. C Figure 1: PBS proton plan in low dose(5%) colorwash in axial (A), coronal (B), and (C) sagittal view A B C Figure 2: A) Contour of LAD in Lateral DRR; B) DVH of CTV (red), lung (purple), C)DVH of Heart (yellow) LAD (red), white arrowheads denote photons Modality Conclusions: Breast Heart Lung LAD CTV95 V20 (%) (%) V10 (%) V5 (%) Mean (%) V20 (%) V5 (%) Mean (%) Mean (%) Min (%) Max (%) D0.2 cc (cgy) Photon PBS P Value <0.001 <0.001 <0.001 < < <0.001 Table 1: Dose volume parameters for heart, lung, LAD and CTV The dose to whole heart was relatively low in this study of patients treated under conditions of DIBH. However, proton beam radiation was associated with lower minimum, maximum, and dose to 0.2 cc of the LAD which is the critical structure for late RT effects. Due to the variations in the magnitude of benefit within each patient, comparative planning may be needed for each patient prior to treatment to determine the benefit of protons. References 1) Postoperative proton radiotherapy for localized and locoregional breast cancer: potential for clinically relevant improvements? Ares C, Khan S, Macartain AM, Heuberger J, Goitein G, Gruber G, Lutters G, Hug EB, Bodis S, Lomax AJ. Int J Radiat Oncol Biol Phys Mar 1;76(3): ) Development and validation of a heart atlas to study cardiac exposure to radiation folowing treatment for breast cancer. Feng M, Moran JM, Koelling T, Chughtai A, Chan JL, Freedman L, Hayman JA, Jagsi R, Jolly S, Larouere J, Soriano J, Marsh R, Pierce LJ. Int J Radiat Oncol Biol Phys Jan 1;79(1): )Risk of ischemic heart disease in women after radiotherapy for breast cancer. Darby SC, Ewertz M, McGale P, Bennet AM, Blom-Goldman U, Brønnum D, Correa C, Cutter D, Gagliardi G, Gigante B, Jensen MB, Nisbet A, Peto R, Rahimi K, Taylor C, Hall P. N Engl J Med Mar 4;368(11):

48 Clinical experience with proton therapy for GI cancers: a review F. Dionisi, D. Amelio, M. Cianchetti, E. Iannacone, D. Ravanelli, B. Rombi, S. Vennarini, L. Vinante, M. Amichetti Gastroenterol. Hepatol. Res. accepted October Thus, the clinical experience is still scarce. Most of the studies regarding the use of PT in GI cancer treatment focused on HCC and reported good outcomes. A survival benefit could also be achieved in pancreatic cancer. A potential benefit can be presumed in all other malignancies by the reduction of treatment-related toxicity with a possible improvement in cancer survivors' quality of life. Several trials are currently ongoing such as

49 patient 1 patient 2 patient 3 patient 1 patient 2 patient 3 patient 1 patient 2 patient 3 patient 1 patient 2 patient 3 S. Batra 1, F. Dionisi 2, M. Kirk 1, S. Both 1, S. Vennarini 2, J. McDonough 1, J. M. Metz 1, J. P. Plastaras 1 1 Dep. of Radiation Oncology, Hospital of the University of Pennsylvania, 2 ATREP Agenzia provinciale per la Protonterapia, APSS Trento, Italy AIM To report the initial experience using pencil beam scanning proton therapy (PBSPT) in the treatment of locally advanced rectal cancer (LARC), to evaluate initial outcomes, and to compare dosimetric results with photon therapy plans. METHODS Patients with LARC were treated concurrently with continuous infusion 5-FU 225mg/m 2 /d and radiotherapy to a dose of 50.4 Gy RBE preoperatively. Pts were positioned supine with a comfortably full bladder. Clinical target volumes included the mesorectum and the regional nodes. In addition to a planning target volume, a proton specific target volume was created to account for range uncertainty in the beam direction. PBSPT was delivered using a fixed beam line with two opposed lateral fields. Daily pretreatment verification was performed with orthogonal kilovoltage images registered to bony anatomy and weekly offline CT scans were performed for verification purposes. Back-up photon treatment plans were devised using volumetric arc therapy (RapidArc, RA). For PBSPT vs. RA plan comparison, conformity index (CI), homogeneity index, main organ at risk (OAR) sparing and the integral dose (ID) were calculated. Fig. 1 Dose distribution of PBST(left) and RA (right) for pt. 1 RESULTS Outcomes of the first 3 pts who completed neoadjuvant PBSPT are presented. Dosimetric Both PBSPT and RA covered 99% of the PTVs with 95% of the prescription dose. CI was slightly better with RA and homogeneity (0.95 ± 0.11 PBSPT vs 1.01 ± 0.14 RA) was similar (fig. 1,2). PBSPT achieved better OAR sparing (small bowel, femoral heads, bladder) and lower ID values (fig. 3,4) Clinical The average overall treatment time was 41.3 days. No G3 toxicities were observed. No major perioperative complications were reported. With an average post-radiation interval of 8.5 weeks both downstaging (to Stage I) and downsizing were obtained in the two patients that underwent surgery as of May Fig. 3 Comparison of OAR sparing and Integral dose between PBSPT and RA PTCOG ESSEN 52 Trento - UPENN Fig. 2 Residual dose (pt. 1) from RA minus PBSPT Fig. 4 DVH evaluation of target coverage and OAR sparing (pt 2) bladder PT Small bowel RA R Femoral head RA PTV PT R Femoral head PT Small bowel PT bladder RA PTV RA CONCLUSIONS These preliminary results suggest a potential role for PT to minimize morbidity, especially bowel related, in the treatment of LARC with a possible impact on patients quality of life. Future opportunities include investigation of hypofractionation and novel chemotherapies with PT. A clinical protocol is under development.

50 Fegato Proton therapy in the treatment of Hepatocellular carcinoma (HCC): systematic review F. Dionisi, L. Widesott, S. Lorentini, M. Amichetti Submitted to Radiother. & Oncol.

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54 Protontherapy for pleural mesothelioma IMRT IMPT IMRT-IMPT Collaborazione con Ist. del Radio Univ. Brescia Lorentini S. et al. Strahlenther. Onkol. 2012

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56 Loggia prostatica Tomoterapia IMPT 2 campi 78 Gy 10 Gy collaborazione ATreP S. Raffaele Widesott et al. IJROBP 2011; 80: 1589

57 Linfonodi pelvici Tomoterapia IMPT 2 campi 78 Gy 10 Gy collaborazione ATreP S. Raffaele Widesott et al. 2009

58 ASTRO s five recommendations 2013: Don t initiate whole breast radiotherapy as a part of breast conservation therapy in women age 50 with early stage invasive breast cancer without considering shorter treatment schedules. Don t initiate management of low-risk prostate cancer without discussing active surveillance. Don t routinely use extended fractionation schemes (>10 fractions) for palliation of bone metastases. Don t routinely recommend proton beam therapy for prostate cancer outside of a prospective clinical trial or registry. Don t routinely use intensity modulated radiation therapy (IMRT) to deliver whole breast radiotherapy as part of breast conservation therapy.

59 Sarcomi tessuti molli - Osteosarcomi 1-field proton spot scanning 9-field IMRT Tumore desmoide recidivante in ragazzo di 12 anni Collaborazione ATreP PSI Villigen (SWI)

60 Collaborazioni sul tema sarcomi Partecipazione in teleconsulto agli incontri multidisciplinari e valutazione casi clinici Sarcoma Unit Royal Marsden Hosp. Londra Partecipazione attiva medici agli incontri multidisciplinari e valutazione casi clinici presso Istituto Rizzoli e Università di Bologna CRO Aviano Collaborazione a carattere di ricerca e formativa Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

61 Collaborazioni sul tema sarcomi Confronto fra Protonterapia ad intensità modulata e Tomoterapia elicoidale nel trattamento dei sarcomi retroperitoneali Marco Bettuzzi, Tesi Laurea Anno Accademico , Università di Modena e Reggio Emilia

62 Protonterapia: necessità di collaborazione in tema psicologico TEMATICHE: pazienti pediatrici - adolescenti problema cancro ambiente con grosso carico tecnologico accettazione varie fasi del trattamento (CT, RM, immobilizazione, anestesia, trattamento al gantry) più figure di riferimento provenienza extraregionale, spiazzamento formazione ex-novo del team reinserimento follow - up psicologia del lavoro

63 Attività U.O. Protonterapia in corso 1. Test di accettazione delle attrezzature 2. Attività di commissioning 3. Attività di preparazione alla clinica

64 Individuazione patologie da affrontare A. PATOLOGIE IN FASE DI AVVIO Tumori della base cranica (cordomi, condrosarcomi, meningiomi, schwannomi) Neoplasie del capo-collo (seni mascellari, carcinomi adenoideo cistici, rinofaringe) Neoplasie pediatriche selezionate (cerebrali, sarcomi) Neoplasie cerebrali (gliomi basso grado) Neoplasie prostatiche selezionate Lesioni della colonna vertebrale B. PATOLOGIE IN FASE EVOLUTIVA Neoplasie della mammella Lesioni toraco-mediastiniche (timoma, mesotelioma) Neoplasie pediatriche complesse (medulloblastoma, neuroblastoma) Sarcomi degli arti e retroperitoneali Neoplasie app. gastroenterico (pancreas, retto, esofago) C. PATOLOGIE IN FASE AVANZATA Neoplasie degli organi di movimento (polmone, fegato)

65 APPROCCIO AI TRATTAMENTI EVOLUZIONE DA CASI RELATIVAMENTE «SEMPLICI» A CASI VIA VIA PIU COMPLESSI SELEZIONE DEI CASI SULLA BASE DI UN CONFRONTO ALL INTERNO DEI GRUPPI DI LAVORO MULTIDISCIPLINARI TRATTAMENTI DEDICATI PREFERENZIALMENTE A PATOLOGIE STORICAMENTE NON AFFRONTATE DALLA RADIOTERAPIA CONVENZIONALE SELEZIONE DI SOTTOGRUPPI DI PAZIENTI TRATTABILI CON BENEFICIO ALL INTERNO DI SPECIFICI GRUPPI DI PATOLOGIA

66 Capacità potenziale di trattamento fino a regime Sale di trattamento/turni Turni sala Turni sala Sale in uso Ore per turno gg. funzionamento downtime 10% 10% 10% 10% Durata sessione Turni per giorno Sedute/settimana Sedute/periodo N. pazienti

67 Programmazione attività clinica Preparazione protocolli di trattamento Preparazione PDTA Simulazione percorsi Esercizi di contornamento target Esecuzione simulata piani di trattamento Attività di collegamento/cooperazione con altri centri

68 Contornazione volumi di irraggiamento VOLUMI CONDIVISI LIBRERIE ESERCIZI TESTO DEFINITO (LINEE GUIDA)

69 Studio percorsi pazienti e personale

70 Percorsi pazienti e personale LIVELLO 1 LIVELLO 2 LIVELLO 3 LIVELLO 4 LIVELLO DOCUMENTAZIONE Documento generale che descrive le fasi in successione dalla presa in carico alla dimissione del paziente specificando le diverse fasi successive ed il loro scopo a. Descrizione specifica per distretto (tipo capo-collo.) delle singole operazioni e della loro successione (es. TAC: mdc, spessore slice.) b. Riassunto ad uso clinico (per ambulatorio) c. Riassunto ad uso tecnico (per simulatore ) Protocollo di trattamento dettagliato con bibliografia per singola patologia con specifica di caratteristiche del piano e dose-volume Protocolli di trattamento di specifici gruppi cooperativi o di studi sperimentali

71 INTERNA ed ESTERNA Comunicazione

72 Rischio clinico Identificazione, analisi, trattamento, monitoraggio rischio clinico (Gestione del rischio) Estensione bozza manuale di qualità

73 Conclusioni Ortovoltaggio Co 60 Linacs 3D-CRT IMRT Tomo IMAT Protoni IMPT Migliore distribuzione di dose I protoni possono essere considerati il passo successivo nell avanzamento della radioterapia I protoni non sono necessariamente competitivi con la radioterapia Potrebbero semplicemente fornire un altra modalità di trattamento per quei casi che non possono essere trattati adeguatamente con i fotoni

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75 Grazie per l attenzione