Experience in Developing Radiation Sources for Personalized Brachytherapy Based on Titanium Alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Purpose: The study explores the possibility of manufacturing radiation sources for personalized brachytherapy using titanium alloys, activated in a neutron flux reactor, by measuring the radiation composition of applicator implants and their dosimetric characteristics.

Material and methods: A 3D implant of a brachytherapy source was made from a titanium alloy using an additive selective laser melting setup. The titanium 3D prototype was irradiated for three days in the horizontal experimental channel of the IR-8 reactor. Subsequently, measurements of the gamma-ray spectrum from the irradiated implant were carried out on a spectrometer, and dose characteristics of the 3D implant were measured using a dosimeter-radiometer.

Results: In the experimental 3D implant obtained by us, the radionuclide 47Sc exhibits the highest activity. Currently, 47Sc is considered a promising candidate for brachytherapy. It possesses attractive nuclear and physical properties as a β-emitter, decaying into the ground state (27 %) of 47Ti (Eβmax = 600 keV) and the excited state of 47Ti (Eβmax = 439 keV) with a half-life of 3.4 days. Additionally, 47Sc emits γ-radiation at an energy of 159 keV (68 %), which is suitable for imaging, allowing for SPECT or planar scintigraphy and obtaining a picture of the drug’s distribution in the body. In the experimental implant, small amounts of scandium radionuclides – 46Sc and 48Sc, were also detected, emitting sufficiently hard gamma radiation, which can pose a problem for patient dosage determination. The advantages of using titanium-47 with an enrichment of over 95 %, economically available, have been demonstrated, allowing for high radiochemical yields of 47Sc, sufficient for therapy.

Conclusion: The 3D printing technology allows the production of a customized applicator for brachytherapy of specific dimensions and the delivery of arbitrarily-shaped sources to the tumor area for personalized therapy of oncological diseases. When implanting sources based on titanium alloys activated in a neutron flux of a research nuclear reactor, the radionuclide scandium-47 exhibits the highest activity.

About the authors

D. Yu. Chuvilin

National Research Centre "Kurchatov Institute"

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

I. I. Skobelin

National Research Centre "Kurchatov Institute"

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

A. V. Kurochkin

National Research Centre "Kurchatov Institute"

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

K. A. Makoveeva

National Research Centre "Kurchatov Institute"

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

A. N. Strepetov

National Research Centre "Kurchatov Institute"

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

P. A. Karalkin

First Sechenov State Medical University

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

M. A. Karalkina

Federal Center of Brain Research and Neurotechnologies

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

I. V. Reshetov

First Sechenov State Medical University

Email: pkaralkin@gmail.com
Moscow

References

  1. Berger D., Van Dyk S., Beaulieu L., Major T., Kron T. Modern Tools for Modern Brachytherapy. Clin. Oncol. (R Coll Radiol). 2023;35;8:e453-e468.
  2. Белоусов А.В., Лыкова Е.Н. Введение в брахитерапию: Учебное пособие. М., 2019. [Belousov A.V., Lykova E.N. Introduction to Brachytherapy. Textbook. Moscow Publ., 2019 (In Russ.)].
  3. Chargari C., Deutsch E., Blanchard P., Gouy S., Martelli H., Guerin F., Dumas I., Bossi A., Morice P., Viswanathan A.N., et al. Brachytherapy: An Overview for Clinicians. CA Cancer J. Clin. 2019;69;5:386-401.
  4. Hannoun-Levi J.M. Brachytherapy for Prostate Cancer: Present and Future. Cancer Radiother. 2017;21;6-7:469-72.
  5. Коллеров М.Ю., Спектор В.С., Мамонов А.М., Скворцова С.В., Гусев Д.В., Гуртовая Г.В. Проблемы и перспективы применения титановых сплавов в медицине // Титан. Научно-технический журнал. 2015. № 2. С. 42-53. Kollerov M.U., Spektor V.S., Mamonov A.M., Skvortsova S.V., Gusev D.V., Gurtovaya G.V. Problems and Prospects of Using Titanium Alloys in Medicine. Journal Titanium. 2015;2:42-53 (In Russ.).
  6. Liang Y., Wang Z., Zhang H., Gao Z., Zhao J., Sui A., Liu Z., Wang J. Three-Dimensional-Printed Individual Template-Guided125I Seed Implantation for the Cervical Lymph Node Metastasis: A Dosimetric and Security Study. J Cancer Res. Ther. 2018;14:1:30-35.
  7. Kang W., Zhang H., Liang Y., Chen E., Zhao J., Gao Z., Wang J. Comparison of Three-Dimensional-Printed Template-Guided and Traditional Implantation of125I Seeds for Gynecological Tumors: A Dosimetric and Efficacy Study. J. Cancer Res. Ther. 2021;17;3:688-94.
  8. Рязанцев Е.П., Насонов В.А., Егоренков П.М., Яковлев В.В., Яшин А.Ф., Кузнецов И.А., Рожнов В.Н. Современное состояние и перспективы использования реактора ИР-8 РНЦ «КИ» // Материалы международной научно-технической конференции «Исследовательские реакторы в XXI веке». Москва, ГУП НИКИЭТ, 20-23 июня 2006. М. 2006. Ryazantsev E.P., Nasonov V.A., Egorenkov P.M., Yakovlev V.V., Yashin A.F., Kuznetsov I.A., Rozhnov V.N. Current State and Prospects of Using the IR-8 Reactor of the RNC «KI». Proceedings of the International Scientific and Technical Conference Research reactors in the 21st century. Moscow, GUP NIKIET, June 20-23, 2006. Moscow Publ., 2006 (In Russ.).
  9. Strepetov A.N., Panin Y.N. , Parshin P.P., Monochromatic Neutron Flux at Experimental Facilities of the IR-8 Reactor. Physics of Atomic Nuclei. 2022;85;8:1294–1298.
  10. Evaluated Nuclear Data File (ENDF). 2023. URL: https://www-nds.iaea.org/exfor/endf.htm.
  11. Loveless C.S., Blanco J.R., Diehl G.L., 3rd, Elbahrawi R.T., Carzaniga T.S., Braccini S., Lapi S.E. Cyclotron Production and Separation of Scandium Radionuclides from Natural Titanium Metal and Titanium Dioxide Targets. J Nucl Med. 2021;62;1:131-6.
  12. Kilian K., Pyrzynska K. Scandium Radioisotopes-Toward New Targets and Imaging Modalities. Molecules. 2023;28;22.
  13. Meier J.P., Zhang H.J., Freifelder R., Bhuiyan M., Selman P., Mendez M., Kankanamalage P.H.A., Brossard T., Pusateri A., Tsai H.M., et al. Accelerator-Based Production of Scandium Radioisotopes for Applications in Prostate Cancer: Toward Building a Pipeline for Rapid Development of Novel Theranostics. Molecules. 2023;28;16.
  14. Mikolajczak R., Huclier-Markai S., Alliot C., Haddad F., Szikra D., Forgacs V., Garnuszek P. Production of Scandium Radionuclides for Theranostic Applications: Towards Standardization of Quality Requirements. EJNMMI Radiopharm Chem. 2021;6;1:19.
  15. Jalilian A.R., Engle J.W., Osso J.A. Cyclotron Production of Non-conventional Theranostic Radionuclides and Radiopharmaceuticals. Curr. Radiopharm. 2021;14;4:304–5.
  16. Dellepiane G., Casolaro P., Mateu I., Scampoli P., Voeten N., Braccini S.47Sc and46Sc Cross-Section Measurement for an Optimized47Sc Production with an 18 MeV Medical PET Cyclotron. Appl Radiat Isot. 2022;189:110428.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».