1. Boron Neutron Capture Therapy
Prof. Mauro Valente, PhD.
Medical Physics – FaMAF
I due argomenti trattati in questa tesina sono un breve review sulle motivazioni fisiche e la storia dell’adroterapia e una presentazione dei recenti progressi e delle nuove prospettive soprattutto in Italia.
CONICET & Universidad Nacional de Cordoba
ARGENTINA

2. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
The GOAL
It is well known that radiation therapies tray to assess tumor control by means of killing cancer cells while sparing health tissues.
Therefore, is there any kind of treatment modality able to accomplish an “ideal” cancer cell control whereas no health tissue being affected?
HINT: Radiation damage selectivity
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
Mauro Valente, PhD.
Prof. Mauro Valente - CONICET & Universidad Nacional de Cordoba

3. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
What is BNCT?
Today Neutron Capture Therapy (NCT) is a promising form of radiation therapy, which includes 2 interconnected features:
The infusion or delivery of a capture compound, which preferentially concentrates in the tumor.
Then the irradiation of the tumor site by neutrons.
As the isotope 10B is often used as the neutron capture agent, in this case NCT is called Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
Mauro Valente, PhD.
Prof. Mauro Valente - CONICET & Universidad Nacional de Cordoba

4. Boron Neutron Capture Therapy10 B 7 Li a
Exposure to thermal or epithermal neutrons
10B (n,γ) 7Li ( σ = 3837 barn)
10B selectively accumulated in tumors
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
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5. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
Why 10B?
The large cross section of thermal neutron interactions with 10B isotope (σth ~ barn) causes high probability of a slitting of boron nucleus onto He and Li.
As ionization capability of He and Li ions is high, and their runs (range) are short, then the cells, preferably enriched by boron, are killed and the healthy cells are damaged much less.
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
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6. BNCT – physical background
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
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7. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
Therapy selectivity
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8. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
Neutron Sources
Cell-killing 10B-Capture in Tumor
Neutron sources
Moderator Material
Tissue (moderator)
fast neutrons
epithermal neutrons
slow neutrons
Within patient’s body
Epithermal neutron (0.4 eV - 10 keV) beams are available from existing nuclear reactors.
Charged-particle accelerators, compact neutron generators and hospital radiotherapy facilities for BNCT (PHONES - INFN) are now under development.
Epithermal neutrons lose energy in the patient body and become capturable slow (thermalized) neutrons while proceeding to the tumour.
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
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9. Pathologies treated with BNCT
Brain tumor (epithermal)
Fir-1 Espoo Helsinki, Finland
Massachusetts Institute of Technology
Brookhaven National Laboratory;
RA-6 Reactor at the Bariloche Atomic Center Buenos Aires, Argentina
Studsvik, Sweden
High Flux Reactor Petten, Netherlands
H&N tumor (epithermal)
Kyoto University Reasearch Reactor, Japan
Melanoma (thermal)
Massachusetts Institute of Technology
RA-6 Reactor at the Bariloche Atomic Center Buenos Aires, Argentina
Explanted Liver (thermal)
Triga Mark II reactor Pavia, Italy
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10. BNCT facilities around the world
U K
MIT
Accelerators (under study)
Japan
LBL
Mainz
Budker & IPPE
Japan
LNL
Pavia
Beijing
CNEA
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RA-6
CNEA
Reactors
Mauro Valente, PhD.
15/04/2017
Algunos conceptos de Radiobiologia de BNCT
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11. Treatment facility for BNCT
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12. Treatment facility for BNCT: explanted liver
Spheroidal Holder for Liver Treatment at the HFR (Petten)
Liver holder placed in PMMA block
Block and holder placed in graphite cage
Beam-eye view of final configuration, covered with polyethylene sheet
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13. BNCT facility for explanted liver
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14. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
BNCT main features
Neutron reactions in tissue without 10B:
Thermal Neutrons:
1H(n,)2H  = 0.33 b E = 2.2 MeV
14N(n,p)14C  = 1.9 b E(p) = 0.63 MeV
Epithermal and fast neutrons:
elastic scattering
pmainly with H (backscattering p+)
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15. BNCT
BNCT constitutes a mixed field radiation therapy modality, therefore:
RADIOBIOLOGY
The study and characterization of ionizing radiation effects on biological systems
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16. Mauro Valente, PhD. http://www.famaf.unc.edu.ar/~valente/
BNCT
IONIZING RADIATION
DIRECT IONIZING
Charged particles, like electrons, protons, alpha particles, muons and heavy ions, which cause ionization by means of electromagnetic interactions and producing direct atom/molecule ionizations. The penetration capacity (range) is low.
INDIRECT IONIZING
Non charged particles, like photons and neutrons, which cause ionization by means of a two step mechanism consisting on a first excitation of charged particles and further ionizations and energy transfer to the irradiated media. The penetration capacity (mean free path) is high.
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
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17. BNCT & equivalent dose Mixed field modality
LINEAR ENERGY TRANSFER (LET)
Low LET radiations, like photons, induce only a little quantity of ionizations along the track while traveling within the irradiated material.
High LET radiation produces high ionization density per unit track, which significantly increases the biological effectiveness (lethal & sublethal radiation damage).
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
Relative Biological Effectiveness (RBE)
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18. High vs low LET radiation damage
Direct damage
Indirect damage
High LET
Low LET
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19. Temporal scale of radiation damage
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20. Characteristics of nuclear reaction 10B(n,α)7Li
Particle type
Energy
(MeV)
Range
(μm)
Mean LET (keV/μm) α
1.47 9
196
7Li
0.84 5
162
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... What about X-rays?
LET (60Co) ~ 0.2 keV/μm & LET (250 keV) ~ 2 keV/μm
Mauro Valente, PhD.
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21. How to “deliver” 10B to tumoral cells?
Different boron compound are commercially available as good candidate for carrier agents
whitout contamination/biohazard risks for patient health:
Na2B12H11SH mercaptoundecahydrododecaborate (BSH)
Boronophenylalanine (BPA)
Both of them have proved to be non dangerous for patient treatment within the
administration range (12-90 μg per g for BPA and μg per g for BSH).
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22. Typical radiation source characterization
Neutron beam type
Spectral range
Thermal
En < 0.5 eV
Epithermal
0.5eV<En< 10 keV
Fast
En > 10 keV
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23. Typical radiation source characterization
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24. Dosimetric properties of BNCT
Radiation field on tissue during BNCT irradiation is constituted by 3 main contributions of significant different LET and therefore different RBE:
Low LET photons (γ rays) arrising mainly from neutron capture in H within the tissue [1H(n,γ)2H].
High LET 1H arrising from scattering of fast neutrons and neutron capture in N [14N(n,p)14C].
High LET 4He particles nd 7Li ions resulting from the neutron.induced fission reaction [10B (n,α ) 7Li].
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25. Dosimetric properties of BNCT
Total Dose
Fast n0
Total γ dose
10B dose (uniformly distributed)
1H: n0 capture in N
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26. Dosimetric properties of BNCT
Dose-rates in the central axis of a phantom containing 10 ppm of 10B and a simulated tumor with 35 ppm of 10B
TUMOR
TOTAL
PHOTONS
AUGER ELECTRONS
FAST NEUTRONS
Fast neutrons
Photons
Thermal neutrons
Boron ( and 7Li)
Electrons
Total
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27. Dosimetric properties of BNCT
… do you remember our initial goal-question?
Is there any kind of treatment modality able to accomplish an
“ideal” cancer cell control whereas no health tissue being affected?
BNCT seems to be an excellent candidate
Per capire cos’è l’adroterapia bisogna illustrare cos’è la radioterapia: essa consiste nell’irraggiare con radiazioni o particelle ionizzanti individui colpiti da tumore per inattivare o distruggere le cellule neoplastiche risparmiando per quanto possibile il tessuto sano circostante. Praticamente fino allo scorso decennio la terapia radiante era effettuata prevalentemente con fotoni (raggi X o raggi gamma) e più limitatamente con elettroni.
… but, what kind of “magic” dosimetric method may be able for 3D
dose contribution quantification in the mixed BNCT field?
I hope to offer you an answer in the next talk!!
Mauro Valente, PhD.
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28. Boron Neutron Capture Therapy
Prof. Mauro Valente, PhD.
Medical Physics – FaMAF
CONICET & Universidad Nacional de Cordoba
ARGENTINA
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THANKS FOR YOUR KIND ATTENTION!!!
Mauro Valente, PhD.
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