Cząstki, które leczą

Przyspieszanie protonów w akceleratorach cząstek kojarzy się zwykle z Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą oraz z tajemniczymi eksperymentami rodem z książki Dana Browna pt. "Anioły i demony". Mało kto jednak wie, że protony, przyspieszone do bardzo niewielkiego ułamka energii, jaką naukowcy osiągają w CERN-ie, znalazły zastosowanie w medycynie.

Użycie protonów w radioterapii nowotworów zaproponował Robert R. Wilson, amerykański fizyk, członek sławetnego Projektu Manhattan. Było to w 1946 r., a więc już ok. 30 lat po odkryciu tych cząstek przez Ernesta Rutherforda. Energie protonów potrzebne do przeprowadzenia radioterapii można osiągnąć przy pomocy małych, w porównaniu do mierzącego 27 km długości LHC, cyklotronów lub synchrotronów, z łatwością mieszczących się w przyszpitalnym budynku.

Precyzyjna wiązka

Zarówno protony, jak i używane w konwencjonalnej radioterapii elektrony oraz promieniowanie elektromagnetyczne o określonej energii zaliczają się do promieniowania jonizującego. Jest ono zdolne do uszkadzania komórek, a w szczególności DNA, w którym ulokowana jest informacja genetyczna. Jeśli uszkodzeń w DNA będzie mało i nie będą one zbyt skomplikowane, wówczas aparat naprawczy komórki - czyli odpowiednie białka oraz enzymy - będzie zdolny je naprawić. Jeśli takich uszkodzeń będzie dużo lub będą bardzo skomplikowane, to komórka nie będzie sobie potrafiła z nimi poradzić i umrze. Ilość oraz złożoność uszkodzeń w komórkach zależy od ilości energii, która do nich trafi za sprawą przechodzącego przez nie promieniowania. Promieniowanie jonizujące może uszkodzić zarówno komórki zdrowe, jak i nowotworowe. Zatem celem radioterapii jest napromienienie chorego w taki sposób, aby dostarczyć w obszar guza dostatecznie dużo energii zdolnej zniszczyć komórki nowotworowe, a jednocześnie zminimalizowanie strat, które mogą ponieść komórki zdrowe.

Tymczasem zastosowanie w radioterapii protonów przyspieszonych w przyszpitalnym akceleratorze może być szczególnie korzystne w przypadku nowotworów głęboko umiejscowionych - gdy promieniowanie, zanim dotrze do guza, musi najpierw przeniknąć przez warstwę zdrowych komórek. W przeciwieństwie do elektronów i promieniowania elektromagnetycznego stosowanego w konwencjonalnej radioterapii, protony na początku swojej drogi w materii przekazują stosunkowo niewiele energii. W związku z tym ilość zniszczeń w zdrowych komórkach jest niewielka. Maksymalną energię przekazują dopiero na końcu swej drogi, a tym samym ilość uszkodzeń w komórkach nowotworowych jest największa. Jednocześnie można tak dobrać energię protonów, aby zatrzymywały się precyzyjnie tam, gdzie zdiagnozowano nowotwór. Dzięki temu także zdrowe tkanki położone głębiej niż nowotwór nie zostają napromienione.

To właśnie dlatego radioterapia protonowa pozwala na zniszczenie guza przy możliwie najmniejszym napromienieniu zdrowej tkanki.

Pierwszy raz zastosowano protony klinicznie w 1954 r. w Lawrence Laboratory na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley (USA). Później prowadzono tam z powodzeniem radioterapię nowotworów, używając do tego celu również innych przyspieszonych cząstek, takich jak jony helu, węgla, neonu czy argonu. Przez długi czas ośrodki, w których odbywała się protonowa radioterapia, tworzono przy większych laboratoriach naukowych, jak Instytut Paula Scherrera w Szwajcarii czy Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej pod Moskwą. Początkowo napromienienia pacjentów dokonywano tam niejako "przy okazji" - gdy wiązka protonów wychodzących z akceleratora nie była akurat wykorzystywana przez fizyków do przeprowadzania eksperymentów.

Ośrodkom poświęconym tylko i wyłącznie radioterapii protonowej dał początek szpital w Loma Linda w USA, powstały w 1990 r. Dziś zainteresowanie radioterapią protonową wciąż rośnie. Obecnie na świecie działa 35 ośrodków radioterapii jonowej i z roku na rok otwiera się ich coraz więcej. Prym wiodą Stany Zjednoczone (dziewięć ośrodków działających i siedem w budowie) oraz Japonia (siedem działających, trzy w budowie).

Niedługo takim ośrodkiem będzie się mogła pochwalić także Polska.

Pierwsze napromienienia w Bronowicach

W połowie lutego w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie po raz pierwszy w naszym kraju napromieniono protonami nowotwór gałki ocznej u chorego. Tym samym dołączyliśmy do elitarnej czołówki państw mogących się poszczycić tą metodą leczenia. Stanowisko do radioterapii protonowej oka zostało stworzone w IFJ PAN kierowanym przez prof. dr. hab. Marka Jeżabka. Do przyspieszenia protonów wykorzystuje się cyklotron AIC 144. Choć powstał on kilkadziesiąt lat temu, po modernizacji jest on w stanie przyspieszyć protony na potrzeby radioterapii nowotworów oka.

Młodym i zapalonym do pracy naukowcom, którzy stworzyli stanowisko do radioterapii protonowej, przewodzi prof. Paweł Olko oraz dr Jan Swakoń - kierownik Samodzielnej Pracowni Radioterapii Protonowej IFJ PAN. Zabieg napromieniania oka był możliwy dzięki zaangażowaniu okulistów i radioterapeutów z Kliniki Okulistyki i Onkologii Okulistycznej Szpitala Uniwersyteckiego UJ, kierowanej przez prof. Bożenę Romanowską-Dixon.

A to dopiero wstęp do znacznie poważniejszego projektu.

Otóż w 2006 r. powołano konsorcjum Narodowego Centrum Radioterapii Hadronowej, jednoczące dziś dwanaście ośrodków naukowo-badawczych oraz terapeutycznych z całej Polski. NCRH, którego prace koordynuje krakowski Instytut Fizyki Jądrowej PAN, ma prowadzić wspólne badania nad radioterapią, fizyką medyczną, radiobiologią oraz rozwijać polską infrastrukturę kliniczną i naukową dla terapii jonowej.

Na początek ma w IFJ PAN powstać Centrum Cyklotronowe Bronowice, które oprócz badań będzie także prowadzić radioterapię protonową głęboko umiejscowionych nowotworów. Znajdzie się tam nowoczesny cyklotron, który przyspieszy protony do większych energii niż cyklotron obecnie pracujący w IFJ PAN. Jego budowa ma się zakończyć w 2013 r.

Napromienianie protonami przy nowo budowanym cyklotronie będzie prowadzone na dwóch stanowiskach. Pierwsze, z poziomą wiązką protonów, posłuży leczeniu nowotworów oka. Drugie stanowisko będzie zaś wyposażone w specjalne, obracane wokół chorego ramię (tzw. gantry): tu radioterapii będzie się poddawać nowotwory znajdujące się w innych partiach ciała. Takie ważące około stu ton obrotowe ramię, które ma zostać zakupione jeszcze w tym roku, pozwala bowiem na bardzo szybkie napromienienie protonami nowotworu z różnych kierunków.

Po Krakowie przyjdzie czas na stolicę: na terenie Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego (Kampus Ochota) powstanie ośrodek kliniczny poświęcony radioterapii protonowej oraz radioterapii przy użyciu wiązki jonów węgla.

To nie science fiction

Mimo ewidentnych zalet, radioterapia protonowa zapewne nieprędko zastąpi standardową - a to ze względu na koszty. Co więcej, w przypadku wielu nowotworów konwencjonalna radioterapia w zupełności wystarcza. Leczenie wiązką protonów ma sens tam, gdzie chodzi o jak największą precyzję: np. gdy w bardzo bliskim sąsiedztwie nowotworu znajduje się organ bardzo wrażliwy na promieniowanie.

Technologie służące tej radioterapii powstają na naszych oczach. Ale ludzka myśl poszła już o krok dalej: otóż od kilku lat ośrodek CERN bada zastosowanie w radioterapii... antyprotonów. Tak! To ta sama antymateria, która w powieści Dana Browna miała posłużyć do zniszczenia Watykanu. Cząstki te mają takie same, korzystne z punktu widzenia radioterapii, właściwości jak protony - ale oprócz tego, jako że są antymaterią, w momencie zatrzymania anihilują z napotkanymi w okolicy protonami. Dochodzi wówczas do uwolnienia dodatkowej energii, proporcjonalnej do łącznej masy obu tych rodzajów cząstek. Pojawienie się tej dodatkowej energii w obszarze guza mogłoby jeszcze bardziej zwiększyć skuteczność radioterapii.

Okazuje się, że na wpół mityczna dziś antymateria może posłużyć do rozwiązywania realnego problemu dzisiejszego świata. I bynajmniej nie będzie to naukową herezją.

Mgr MARTA KORCYL pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Przygotowuje w Instytucie Fizyki UJ doktorat z modelowania radiobiologicznego w radioterapii jonowej.