Boron determination in biological samples - Intercomparison of three analytical methods to assist development of a treatment protocol for neoplastic diseases of the liver with Boron Neutron Capture Therapy

Die Bor-Neuroneneinfang-Therapie (engl.: Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) ist eine indirekte Strahlentherapie, welche durch die gezielte Freisetzung von dicht ionisierender Strahlung Tumorzellen zerstört. Die freigesetzten Ionen sind Spaltfragmente einer Kernreaktion, bei welcher das Isotop 10B ein niederenergetisches (thermisches) Neutron einfängt. Das 10B wird durch ein spezielles Borpräparat in den Tumorzellen angereichert, welches selbst nicht radioaktiv ist. rnAn der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde die Forschung für die Anwendung eines klinischen Behandlungsprotokolls durch zwei Heilversuche bei Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen an der Universität Pavia, Italien, angeregt, bei denen die Leber außerhalb des Körpers in einem Forschungsreaktor bestrahlt wurde. Als erster Schritt wurde in Kooperation verschiedener universitärer Institute eine klinische Studie zur Bestimmung klinisch relevanter Parameter wie der Borverteilung in verschiedenen Geweben und dem pharmakokinetischen Aufnahmeverhalten des Borpräparates initiiert.rnDie Borkonzentration in den Gewebeproben wurde hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung in verschiedenen Zellarealen bestimmt, um mehr über das Aufnahmeverhalten der Zellen für das BPA im Hinblick auf ihre biologischen Charakteristika zu erfahren. Die Borbestimung wurde per Quantitative Neutron Capture Radiography, Prompt Gamma Activation Analysis und Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy parallel zur histologischen Analyse des Gewebes durchgeführt. Es war möglich zu zeigen, dass in Proben aus Tumorgewebe und aus tumorfreiem Gewebe mit unterschiedlichen morphologischen Eigenschaften eine sehr heterogene Borverteilung vorliegt. Die Ergebnisse der Blutproben werden für die Erstellung eines pharmakokinetischen Modells verwendet und sind in Übereinstimmung mit existierenden pharmakokinetische Modellen. Zusätzlich wurden die Methoden zur Borbestimmung über speziell hergestellte Referenzstandards untereinander verglichen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse festgestellt, ferner wurde für alle biologischen Proben Standardanalyseprotokolle erstellt.rnDie bisher erhaltenen Ergebnisse der klinischen Studie sind vielversprechend, lassen aber noch keine endgültigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Wirksamkeit von BNCT für maligne Lebererkrankungen zu. rn

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is a biologically targeted, indirect form of radiation therapy, relying on the release of densely ionising radiation to destroy tumour cells selectively. The released ions are the fragments of a nuclear reaction upon capture of a low-energy neutron (thermal neutron) by a boron isotope (10B). The 10B is placed selectively in tumour cells by using a specially designed boron compound, which itself is not radioactive. rnResearch at the Johannes Gutenberg-University of Mainz was initiated on a treatment protocol for neoplastic diseases of the liver protocol, stirred by two curative treatment attempts for patients with colorectal liver metastases (CRLM) at the University of Pavia, Italy, during which the liver was irradiated outside the body in a research reactor. As a first step, a clinical study was started in cooperation between different deparments of the University of Mainz to investigate clinically relevant parameters like the boron distribution in different kinds of tissue and pharmacokinetic behaviour of the administered boron compound in more detail.rnThe boron concentration in tissue was analysed with respect to the spatial distribution among different cell types, in order to know more about the uptake behaviour of the boron carrier p-boronophenylalanine (BPA) in correlation to the biological characteristics of tissue. Blood and tissue analysis was carried out by Quantitative Neutron Capture Radiography, Prompt Gamma Activation Analysis and Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy combined with histological analysis. It could be demonstrated for both cancerous and non-cancerous samples that a very heterogeneous boron uptake in tissue areas of different morphology took place. The results of the blood samples contribute to the creation of a pharmacokinetical prediction model for the blood-boron kinetics in a future treatment and are in accordance with pharmacokinetic models published by other research groups. Furthermore, the analytical methods chosen were validated against each other by using specially made reference samples. The data obtained from all methods are in good agreement and standard protocols for the analysis of blood and tissue samples have been created. rnSo far, from the clinical point of view, the results were promising, but due to the small number of patients enrolled so far, a conclusion about the effectiveness of BNCT for neoplastic diseases of the liver cannot be drawn yet. rn