Clinical dosimetry in Molecular Radiotherapy

Abstract

La radiothérapie moléculaire (RTM) est une radiothérapie systémique, où le produit radiopharmaceutique se lie spécifiquement sur les tumeurs pour détruire sélectivement les cibles cancéreuses tout en préservant les organes sains. Lutathera® (177Lu-DOTATATE) est un radiopharmaceutique récemment approuvé par la FDA/EMA pour le traitement des tumeurs neuroendocrines gastro-entéro-pancréatiques (GEP-NETs). Dans la pratique clinique, les patients reçoivent une activité fixe de Lutathera®, 4 cycles de 7,4 GBq, en supposant que la pharmacocinétique du radiopharmaceutique est même entre les patients. La dosimétrie spécifique au patient permet un changement de paradigme majeur dans l'administration de la RTM, passant d'une approche "taille unique" à une véritable médecine personnalisée où l'activité administrée est évaluée spécifiquement sur la base de l'irradiation délivrée à chaque patient. Pour ce faire, il faut généralement déterminer la distribution spatiale du radiopharmaceutique dans les organes par imagerie à différents moments (imagerie quantitative), estimer le nombre total de désintégrations radioactives en intégrant l'activité dans le temps (évaluation pharmacocinétique) et calculer la dose absorbée à partir des caractéristiques physiques du radionucléide et du transport de l'énergie dans les tissus du patient. Actuellement, il n'existe pas de procédures normalisées pour effectuer la dosimétrie clinique. En outre, l'évaluation des incertitudes associées à la procédure de dosimétrie n'est pas triviale. Le projet DosiTest a été lancé pour évaluer les incertitudes associées à chacune des étapes du flux de travail de la dosimétrie clinique, via une inter-comparaison multicentrique basée sur la modélisation de Monte Carlo (MC). La première phase de la thèse a consisté à comparer les analyses dosimétriques effectuées par différents centres utilisant le même logiciel et le même protocole sur le même ensemble de données de patients dans le cadre du projet IAEA-CRP E23005 afin d'évaluer la précision de la dosimétrie clinique. À notre connaissance, c'est la première fois qu'une comparaison dosimétrique multicentrique d'un seul ensemble de données cliniques sur un patient a été entreprise en utilisant le même protocole et le même logiciel par de nombreux centres dans le monde entier. Elle a mis en évidence le besoin crucial d'établir des points de contrôle et d'effectuer des vérifications de bon sens pour éliminer les disparités significatives entre les résultats et distinguer les pratiques erronées de la variabilité inter-opérateurs acceptable. Un résultat important de ce travail a été le manque d'assurance qualité en dosimétrie de médecine nucléaire clinique et la nécessité de développer des procédures de contrôle qualité. Alors que la dosimétrie gagne en popularité en médecine nucléaire, les meilleures pratiques doivent être adoptées pour garantir la fiabilité, la traçabilité et la reproductibilité des résultats. Cela met également en avant la nécessité de dispenser une formation suffisante après l'acquisition des progiciels relativement nouveaux, au-delà de quelques jours. Ceci est clairement insuffisant dans le contexte d'un domaine émergent où l'expérience professionnelle fait souvent défaut. Ensuite, l'étude de l'exactitude de la dosimétrie clinique nécessite de générer des ensembles de données de test, afin de définir la vérité de base par rapport à laquelle les procédures de dosimétrie clinique peuvent être comparées.[...]Molecular radiotherapy (MRT) is a systemic radiotherapy where the radiopharmaceutical binds specifically to tumours to selectively destroy cancer targets while sparing healthy organs. Lutathera® (177Lu-DOTATATE) is a radiopharmaceutical that was recently FDA/EMA approved for the treatment of the GastroEnteroPancreatic NeuroEndocrine Tumours (GEP-NETs). In clinical practice, patients are administered with a fixed activity of Lutathera®, assuming that radiopharmaceutical distribution is the same for all patients. Patient-specific dosimetry allows for a major paradigm shift in the administration of MRT from "one-size-fits-all" approach, to real personalised medicine where administered activity is assessed specifically on the base of the irradiation delivered to each patient. This usually requires determining the spatial distribution of the radiopharmaceutical in various organs via imaging at different times (quantitative imaging), estimating the total number of radioactive decays by integrating activity over time (pharmacokinetic assessment) and calculating the absorbed dose using the physical characteristics of the radionuclide and implementing radiation transport in patient's tissues. Currently, there are no standardised procedures to perform clinical dosimetry. In addition, the assessment of the uncertainties associated with the dosimetry procedure is not trivial. The DosiTest project (http://www.dositest.org/) was initiated to evaluate uncertainties associated with each of the steps of the clinical dosimetry workflow, via a multicentric inter-comparison based on Monte Carlo (MC) modelling. The first phase of the thesis compared dosimetry analysis performed by various centres using the same software and protocol on the same patient dataset as a part of IAEA-CRP E23005 project in order to appraise the precision of clinical dosimetry. To our knowledge, this is the first time that a multi-centric dosimetry comparison of a single clinical patient dataset has been undertaken using the same protocol and software by many centres worldwide. It highlighted the critical need to establish checkpoints and conduct sanity checks to eliminate significant disparities among results, and distinguish erroneous practice with acceptable inter-operator variability. A significant outcome of this work was the lack of quality assurance in clinical nuclear medicine dosimetry and the need for the development of quality control procedures. While dosimetry is gaining popularity in nuclear medicine, best practices should be adopted to ensure that results are reliable, traceable, and reproducible. It also brings forward the need to deliver sufficient training after the acquisition of the relatively new software packages beyond a couple of days. This is clearly insufficient in a context of an emerging field where the professional experience is quite often lacking. Next, the study of clinical dosimetry accuracy requires generating test datasets, to define the ground truth against which clinical dosimetry procedures can be benchmarked. The second section of the thesis addressed the simulation of three-dimensional scintigraphic SPECT imaging by implementing auto-contouring detector motion in the GATE Monte Carlo toolkit. Following the validation of SPECT/CT projections on anthropomorphic models, a series of realistic clinical patient images were generated. The last part of the thesis established the proof of concept of the DosiTest project, using a virtual (simulated) SPECT/CT dataset at various time points, with various gamma cameras, enabling comparison of various dosimetric techniques and to assess the clinical feasibility of the project in selected nuclear medicine departments