Fluorescent Nuclear Track Detectors application for Boron microdistribution reconstruction in biological samples

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is a cancer treatment method that exploits a nuclear reaction that, following the 10B neutron capture, produces an α particle and a 7Li ion. Boron is transported into tumour cells via organic compound. Its precise location at subcellular level is crucial for the therapy effectiveness; therefore, the aim of this thesis is to find an experimental method capable of observing the precise microdistribution of boron in cells. Fluorescent Nuclear Track Detectors (FNTDs) have been analysed in detail as possible detectors in order to pursue this objective. Their promising intrinsic characteristics, max- imally exploited through Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) reading, allow to reconstruct the traces released by the particles. Analysing the intensity of the fluores- cence produced at the different depths of the detector, FNTDs enable the recovery of the direction and even the precise starting position of the particle in the cell. First of all, it has been experimentally verified that these operations were possible, us- ing the alpha particles emitted by a 241Am source, which, having an energy of 5.5 MeV, create deep traces in the detector that are relatively easy to reconstruct. The next stage involved inserting a Mylar layer, between the 241Am source and detector, to decrease the alpha particles energy to a level comparable to that of the ones emitted after the neutron capture on boron. Finally, in order to assess the alpha particles and lithium ions directly produced by the reaction, a detector, in contact with a standard reference material with boron implanted on its surface, was irradiated inside the thermal column of the Applied Nuclear Energy Laboratory (L.E.N.A) reactor. The future step will be to deposit a boron-containing cell layer on it, reproducing the particular set-up of Cell-Fit-HD, already used to calculate the doses released into cells with Hadrontherapy.

La Boron Neutron Capture Theraphy (BNCT) è una terapia tumorale in cui viene sfrut- tata la reazione nucleare che, in seguito alla cattura neutronica da parte del 10B , produce particelle α e ioni 7Li. Il boro è trasportato nei tessuti tumorali tramite specifici composti. Per ottimizzare l’efficacia di questa terapia è cruciale conoscere la precisa localizzazione del boro a livello subcellulare. Questo lavoro ha l’obbiettivo di studiare un metodo sper- imentale in grado di misurare la precisa microdistribuzione del boro nelle cellule. Come possibili rivelatori per raggiungere questo scopo, sono stati analizzati nel dettaglio i Fluorescent Nuclear Track Detectors (FNTD). Le loro promettenti caratteristiche intrin- seche, sfruttate al meglio tramite la lettura col microscopio laser confocale, permettono una ricostruzione delle tracce dovute al passaggio delle particelle. Analizzando l’intensità della fluorescenza prodotta alle diverse profondità del rivelatore, gli FNTDs consentono la ricostruzione della traccia e, quindi, il recupero del punto di partenza della particella all’interno della cellula. Innanzitutto è stato riscontrato sperimentalmente che queste operazioni fossero possibili, utilizzando le particelle α emesse da una sorgente di 241Am che, avendo un’energia di 5.5 MeV, creano nel rivelatore tracce profonde, le quali sono relativamente più facilmente ricostruibili. Il passo successivo è stato quello di porre, tra la sorgente e il rivelatore, uno strato di Mylar, per degradare l’energia delle particelle α fino a un livello simile a quello delle particelle emesse nella reazione di cattura neutronica sul boro. Infine, nella colonna termica del reattore del L.E.N.A. (Laboratorio Energia Nucleare Applicata) è stato irrag- giato un FNTD messo a contatto con un materiale standard di riferimento con del boro impiantato in superficie. É stata verificata quindi la potenzialità dell’uso degli FNTD per la localizzazione dei punti di emissione delle particelle α e si è aperta la strada al passo successivo; esso prevede di depositare sul rivelatore uno strato cellulare contente boro riproducendo un particolare assetto cellule-rivelatore, detto Cell-Fit-HD, già utilizzato per calcolare le dosi rilasciate nelle cellule con l’adroterapia.