Создание базы данных клинически значимых радиобиологических показателей опухолей и нормальных тканей для фотонной и нейтронной терапии

Актуальность. Лучевая терапия является одним из основных методов лечения злокачественных новообразований, эффективность которого зависит от соотношения доз излучения, поглощенных опухолевыми и здоровыми клетками. Качество дозиметрического плана традиционно оценивается на основе физико-дозиметрических критериев, однако для достижения максимального прогнозируемого терапевтического эффекта необходимо учитывать радиобиологические аспекты. Существующее разнообразие радиобиологических моделей и отсутствие единого подхода к систематизации их численных параметров затрудняют их практическое применение, что делает актуальной задачу создания специализированной базы данных.
Цель исследования – разработка базы данных клинически значимых радиобиологических показателей опухолей и нормальных тканей для фотонной и нейтронной терапии как единого специализированного инструмента для повышения точности дозиметрического планирования и прогнозирования клинических результатов лечения злокачественных новообразований.
Материал и методы. Проведен анализ более 100 научных работ из открытых источников, посвященных расчетам клинически значимых радиобиологических показателей широко используемых радиобиологических моделей. В ходе исследования данные систематизированы с учетом различных режимов фракционирования, энергии и вида излучения, методик лучевой терапии, локализации и объема области облучения, а также индивидуальных особенностей пациентов.
Результаты. Создана база данных клинически значимых радиобиологических показателей для фотонной и нейтронной терапии. На основе структурированных данных разработано веб-приложение с использованием языков программирования Python и JavaScript. Веб-приложение интегрировано в программное обеспечение «Калькулятор TCP/NTCP» и обеспечивает возможность хранения, быстрого поиска и анализа радиобиологических показателей.
Заключение. Созданная база данных систематизирует клинически значимые радиобиологические показатели и предоставляет специалистам единый инструмент для прогнозирования вероятного результата лечения и оценки риска нежелательных последствий для критических органов и тканей. Данный инструмент может применяться в клинической практике, образовательных программах для подготовки специалистов в области медицинской физики и лучевой терапии, а также для углубленного изучения радиобиологических эффектов и разработки новых методов лечения.

1. Галченко Л.И., Маточкин В.В. Лучевые осложнения при лучевой терапии. Иркутск, 2015; 30 с. EDN: SLMKNC.

2. Nahum A.E., Uzan J. (Radio)biological optimization of externalbeam radiotherapy. Comput Math Methods Med. 2012; 2012: 329214. doi: 10.1155/2012/32921.

3. Столбовой А.В., Залялов И.Ф. Радиобиологические модели и клиническая радиационная онкология. Онкология. Журнал им. П.А. Герцена. 2016; 6: 88–96. doi: 10.17116/onkolog20165688-96. EDN: XHJOUV.

4. Fowler J.F. The linear-quadratic formula and progress in fractionated radiotherapy. Br J Radiol. 1989; 62(740): 679–94. doi: 10.1259/0007-1285-62-740-679.

5. Jones B., Dale R.G., Deehan C., Hopkins K.I., Morgan D.A.L. The Role of Biologically Efective Dose (BED) in Clinical Oncology. Clin Oncol. 2001; 13(2): 71–81. doi: 10.1053/clon.2001.9221.

6. Tucker S.L., Thames H.D., Taylor J.M. How well is the probability of tumor cure after fractionated irradiation described by Poisson statistics? Radiat Res. 1990; 124(3): 273–82.

7. Allen Li X., Alber M., Deasy J.O., Jackson A., Ken Jee K.W., Marks L.B., Martel M.K., Mayo C., Moiseenko V., Nahum A.E., Niemierko A., Semenenko V.A., Yorke E.D. The use and QA of biologically related models for treatment planning: short report of the TG-166 of the therapy physics committee of the AAPM. Med Phys. 2012; 39(3): 1386–409. doi: 10.1118/1.3685447.

8. Okunieff P., Morgan D., Niemierko A., Suit H.D. Radiation doseresponse of human tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1995; 32(4): 1227–37. doi: 10.1016/0360-3016(94)00475-z.

9. Gay H.A., Niemierko A. A free program for calculating EUD-based NTCP and TCP in external beam radiotherapy. Phys Med. 2007; 23(3-4): 115–25. doi: 10.1016/j.ejmp.2007.07.001.

10. Wu Q., Mohan R., Niemierko A., Schmidt-Ullrich R. Optimization of intensity-modulated radiotherapy plans based on the equivalent uniform dose. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2002; 52(1): 224–35.

11. Kutcher G.J., Burman C. Calculation of complication probability factors for non-uniform normal tissue irradiation: The efective volume method gerald. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1989; 16(6): 1623–30. doi: 10.1016/0360-3016(89)90972-3.

12. Lyman J.T. Complication Probability as Assessed from DoseVolume Histograms. Radiation Research Supplement. 1985; 8: 13–9.

13. Mohan R., Mageras G.S., Baldwin B., Brewster L.J., Kutcher G.J., Leibel S., Burman C.M., Ling C.C., Fuks Z. Clinically relevant optimization of 3-D conformal treatments. Med Phys. 1992; 19(4): 933–44. doi: 10.1118/1.596781.

14. Källman P., Lind B.K., Brahme A. An algorithm for maximizing the probability of complication-free tumour control in radiation therapy. Phys Med Biol. 1992; 37(4): 871–90. doi: 10.1088/0031-9155/37/4/004.

15. Wagner F.M., Specht H., Loeper-Kabasakal B., Breitkreutz H. Современное состояние терапии быстрыми нейтронами. Сибирский онкологический журнал. 2015; 6: 5–12. EDN: VCHQSF.

16. Грибова О.В., Старцева Ж.А., Великая В.В., Сухих Е.С., Новикова В.А., Чойнзонов Е.Л., Селихова Е.А., Рябова А.И. Опыт применения дистанционной терапии быстрыми нейтронами в городе Томске. Вопросы онкологии. 2025; 71(5): 1183–90. doi: 10.37469/0507-3758-2025-71-5-OF-2372. EDN: ZLKDWQ.

17. Великая В.В., Мусабаева Л.И., Старцева Ж.А. Случай лучевых повреждений нормальных тканей после нейтронно-фотонной терапии рака молочной железы. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2011; 56(2): 67–69. EDN: TAYCVN.

18. Лисин В.А. Способ оптимизации фракционирования дозы в лучевой терапии злокачественных опухолей в рамках концепции Эллиса. Медицинская радиология. 1984; 29(12): 83–87. EDN: SPZFUB.

19. Лисин В.А., Великая В.В., Милойчикова И.А. Адаптация линейно-квадратичной модели для планирования режимов облучения в дистанционной нейтронной терапии. Сибирский онкологический журнал. 2015; (1): 33–37. EDN: TLJTOR.

20. Orton C., Ellis F. A simplifcation in the use of the NSD concept in practical radiotherapy. Br J Radiol. 1973; 46(547): 529–37.

21. Лисин В.А. Модель ВДФ для дистанционной терапии злокачественных опухолей быстрыми нейтронами. Медицинская радиология. 1988; 33(9): 9–12. EDN: SJPEYJ.

22. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных. М., 1984. 375 с.

23. Лисин В.А. Линейно-квадратичная модель в планировании нейтронной терапии на циклотроне У-120. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2018; 63(5): 41–47. doi: 10.12737/article_5bc896bae399e0.21861306. EDN:YMMOHB.

24. Лисин В.А., Мусабаева Л.И. Количественная оценка лучевых реакций опухолей с учетом их радиобиологических параметров. Медицинская радиология. 1983; 28(12): 30–34. EDN: SOESZZ.

25. Иванов В.И., Машкович В.П., Центер Э.М. Международная система единиц (СИ) в атомной науке и технике. Справочное руководство. М., 1981. 200 c.

26. Нейтронная терапия злокачественных новообразований. Ред. Л.И. Мусабаева, В.А. Лисин. Томск, 2008. 285 с. ISBN: 978-5-89503-391-3. EDN: QLSHMP.

27. Burman C., Kutcher G., Emami B., Goitein M. Fitting of normal tissue tolerance data to an analytic function. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1991; 21(1): 123–35.

28. Benadjaoud M.A., Blanchard P., Schwartz B., Champoudry J., Bouaita R., Lefkopoulos D., Deutsch E., Diallo I., Cardot H., de Vathaire F. Functional data analysis in NTCP modeling: a new method to explore the radiation dose-volume efects. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2014; 90(3): 654–63. doi: 10.1016/j.ijrobp.2014.07.008.

29. Martel M.K., Ten Haken R.K., Hazuka M.B., Turrisi A.T., Fraass B.A., Lichter A.S. Dose-volume histogram and 3-D treatment planning evaluation of patients with pneumonitis. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1994; 28(3): 575–81. doi: 10.1016/0360-3016(94)90181-3.

30. Kwa S.L., Lebesque J.V., Theuws J.C., Marks L.B., Munley M.T., Bentel G., Oetzel D., Spahn U., Graham M.V., Drzymala R.E., Purdy J.A., Lichter A.S., Martel M.K., Ten Haken R.K. Radiation pneumonitis as a function of mean lung dose: an analysis of pooled data of 540 patients. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1998; 42(1): 1–9. doi: 10.1016/s0360-3016-(98)00196-5.

31. Seppenwoolde Y., Lebesque J.V., de Jaeger K., Belderbos J.S., Boersma L.J., Schilstra C., Henning G.T., Hayman J.A., Martel M.K., Ten Haken R.K. Comparing diferent NTCP models that predict the incidence of radiation pneumonitis. Normal tissue complication probability. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2003; 55(3): 724–35. doi: 10.1016/s0360-3016(02)03986-x.

32. Martel M.K., Sahijdak W.M., Ten Haken R.K., Kessler M.L., Turrisi A.T. Fraction Size and Dose Parameters Related to the Incidence of Pericardial Efusions. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1998; 40(1): 155–61. doi: 10.1016/s0360-3016(97)00584-1.

33. Moiseenko V., Wu J., Hovan A., Saleh Z., Apte A., Deasy J.O., Harrow S., Rabuka C., Muggli A., Thompson A. Treatment planning constraints to avoid xerostomia in head-and-neck radiotherapy: an independent test of QUANTEC criteria using a prospectively collected dataset. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2012; 82(3): 1108–14. doi: 10.1016/j.ijrobp.2011.04.020.

34. Rancati T., Wennberg B., Lind P., Svane G.,Gagliardi G. Early clinical and radiological pulmonary complications following breast cancer radiation therapy: NTCP ft with four diferent models. Radiother Oncol. 2007; 82(3): 308–16. doi:10.1016/j.radonc.2006.12.001.

35. Moiseenko V., Craig T., Bezjak A., Van Dyk J. Dose-volume analysis of lung complications in the radiation treatment of malignant thymoma: a retrospective review. Radiother Oncol. 2003; 67(3): 265–74. doi: 10.1016/s0167-8140(03)00003-3.

36. Eisbruch A., Ten Haken R.K., Kim H.M., Marsh L.H., Ship J.A. Dose, volume, and function relationships in parotid salivary glands following conformal and intensity-modulated irradiation of head and neck cancer. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1999; 45(3): 577–87. doi:10.1016/s0360-3016(99)00247-3.

37. Schilstra C., Meertens H. Calculation of the uncertainty in complication probability for various dose–response models, applied to the parotid gland. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2001; 50(1): 147–58. doi: 10.1016/s0360-3016(00)01553-4.

38. Roesink J.M., Moerland M.A., Battermann J.J., Hordijk G.J., Terhaard C.H.J. Qantitative dose-volume response analysis of changes in parotid gland function after radiotheraphy in the head-and-neck region. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2001; 51(4): 938–46. doi: 10.1016/s0360-3016(01)01717-5.

39. Braam P.M., Roesink J.M., Moerland M.A., Raaijmakers C.P.J., Schipper M., Terhaard C.H.J. Long-term parotid gland function after radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2005; 62(3): 659–64. doi: 10.1016/j.ijrobp.2004.12.015.

40. Semenenko V.A., Li X.A. Lyman–Kutcher–Burman NTCP model parameters for radiation pneumonitis and xerostomia based on combined analysis of published clinical data. Phys Med Biol. 2008; 53(3): 737–55. doi: 10.1088/0031-9155/53/3/014.

41. Dawson L.A., Normolle D., Balter J.M., McGinn C.J., Lawrence T.S., Ten Haken R.K. Analysis of radiation-induced liver disease using the Lyman NTCP model. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2002; 53(4): 810–21. doi: 10.1016/s0360-3016(02)02846-8.

42. Gay H.A., Niemierko A. A free program for calculating EUD-based NTCP and TCP in external beam radiotherapy. Phys Med. 2007; 23(3-4): 115–25. doi: 10.1016/j.ejmp.2007.07.001.

43. Cheng J.C., Wu J.K., Huang C.M., Liu H.S., Huang D.Y., Cheng S.H., Tsai S.Y., Jian J.J., Lin Y.M., Cheng T.I., Horng C.F., Huang A.T. Radiationinduced liver disease after three-dimensional conformal radiotherapy for patients with hepatocellular carcinoma: dosimetric analysis and implication. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2002; 54(1): 156–62. doi: 10.1016/s0360-3016(02)02915-2.

44. Belderbos J., Heemsbergen W., Hoogeman M., Pengel K., Rossi M., Lebesque J. Acute esophageal toxicity in non-small cell lung cancer patients after high dose conformal radiotherapy. Radiother Oncol. 2005; 75(2): 157–64. doi: 10.1016/j.radonc.2005.03.021.

45. De Jaeger K., Hoogeman M.S., Engelsman M., Seppenwoolde Y., Damen E.M., Mijnheer B.J., Boersma L.J., Lebesque J.V. Incorporating an improved dose-calculation algorithm in conformal radiotherapy of lung cancer: re-evaluation of dose in normal lung tissue. Radiother Oncol. 2003; 69(1): 1–10. doi: 10.1016/s0167-8140(03)00195-6.

46. Willner J., Baier K., Caragiani E., Tschammler A., Flentje M. Dose, volume, and tumor control prediction in primary radiotherapy of non-small-cell lung cancer. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2002; 52(2): 382–89. doi: 10.1016/s0360-3016(01)01823-5.

47. Cheung R., Tucker S.L., Dong L., Kuban D. Dose-response for biochemical control among high-risk prostate cancer patients after external beam radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2003; 56(5): 1234–40. doi: 10.1016/s0360-3016(03)00278-5.

48. Levegrün S., Jackson A., Zelefsky M.J., Venkatraman E.S., Skwarchuk M.W., Schlegel W., Fuks Z., Leibel S.A., Ling C.C. Risk group dependence of dose-response for biopsy outcome after three-dimensional conformal radiation therapy of prostate cancer. Radiother Oncol. 2002; 63(1): 11–26. doi: 10.1016/s0167-8140(02)00062-2.

49. Okunieff P., Morgan D., Niemierko A., Suit H.D. Radiation doseresponse of human tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1995; 32(4): 1227–37. doi:10.1016/0360-3016(94)00475-z.

50. Cotter G.W., Baglan R.T., Wasserman T.H., Mill W. Palliative radiation treatment of cutaneous mycosis fungoides – a dose response. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1983; 9(10): 1477–80. doi: 10.1016/0360-3016(83)90321-8.

51. Peckham M.J., Ford H.T., McElwain T.J., Harmer C.L., Atkinson K., Austin D.E. The results of radiotherapy for Hodgkin’s disease. Br J Cancer. 1975; 32(3): 391–400. doi: 10.1038/bjc.1975.239.

52. Russell A.H., Pajak T.E., Selim H.M., Paradelo J.C., Murray K., Bansal P., Cooper J.D., Silverman S., Clement J.A. Prophylactic cranial irradiation for lung cancer patients at high risk for development of cerebral metastasis: results of a prospective randomized trial conducted by the Radiation Therapy Oncology Group. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1991; 21(3): 637–43. doi: 10.1016/0360-3016(91)90681-s.

53. Overgaard J., Overgaard M., Vejby Hansen P., von der Maase H. Some factors of importance in the radiation treatment of malignant melanoma. Radiother Oncol. 1986; 5(3): 183–92. doi: 10.1016/s0167-8140(86)80048-2.

54. Bedwinek J.M., Perez C.A., Keys D.J. Analysis of failures after definitive irradiation for epidermoid carcinoma of the nasopharynx. Cancer. 1980; 45(11): 2725–29. doi: 10.1002/1097-0142-(19800601)45:11<2725::aid-cncr2820451105>3.0.co;2-1.

55. Bataini P., Brugere J., Bernier J., Jaulerry C.H., Picot C., Ghossein N.A. Results of radical radiotherapeutic treatment of carcinoma of the pyriform sinus: Experience of the Institut Curie. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1982; 8(8): 1277–86. doi: 10.1016/0360-3016(82)90576-4.

56. Perez C.A., Kao M.S. Radiation therapy alone or combined with surgery in the treatment of barrel-shaped carcinoma of the uterine cervix (stages IB, IIA, IIB). Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1985; 11(11): 1903–909. doi: 10.1016/0360-3016(85)90270-6.

57. Perez C.A., Breaux S., Bedwinek J.M., Madoc-Jones H., Camel H.M., Purdy J.A., Walz B.J. Radiation therapy alone in the treatment of carcinoma of the uterine cervix. II. Analysis of complications. Cancer. 1984; 54(2): 235–46. doi: 10.1002/1097-0142(19840715)54:2<235::aidcncr2820540210>3.0.co;2-h.

58. Perez C.A., Stanley K., Rubin P., Kramer S., Brady L., Perez-Tamayo R., Brown G.S., Concannon J., Rotman M., Seydel H.G. A prospective randomized study of various irradiation doses and fractionation schedules in the treatment of inoperable non-oat-cell carcinoma of the lung. Preliminary report by the Radiation Therapy Oncology Group. Cancer. 1980; 45(11): 2744–53. doi: 10.1002/1097-0142(19800601)45:11<2744::aidcncr2820451108>3.0.co;2-u.

59. Choi N.C.H., Doucette J.A. Improved survival of patients with unresectable non-small-cell bronchogenic carcinoma by an innovated high-doseEn-Bloc radiotherapeutic approach. Cancer. 1981; 48(1): 101–109. doi: 10.1002/1097-0142(19810701)48:1<101::aidcncr2820480120>3.0.co;2-s.

60. Сухих Е.С., Селихова Е.А., Сутыгина Я.Н., Конев А.В. Вебприложение для работы с базой данных радиобиологических параметров опухолей и нормальных тканей для фотонной и нейтронной лучевой терапии. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023682233. Заявл. 24.10.2023; Опубл. 24.10.2023. EDN: TLARBD.

61. Новоселов К.И., Сухих Е.С., Сутыгина Я.Н., Бразовский К.С. Калькулятор TCP/NTCP. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023664910. Заявл. 10.07.2023; Опубл. 10.07.2023. EDN: BTMHQF.