Zastosowanie protonów i neutronów w radioterapii.(cz. V)

3.2 Radioterapia neutronowa

 

WIĄZKA NEUTRONOWA W RADIOTERAPII
– CZYLI JAK WALCZYĆ Z NOWOTWORAMI ZŁOŚLIWYMI

Terapia neutronowa jest jedną ze skutecznych metod radioterapii. Wieloletnie doświadczenia w leczeniu różnych form nowotworowych wskazuje jak trudno jest zlikwidować główne rodzaje nowotworów, korzystając z konwencjonalnych metod radioterapii. Część z tych nowotworów należy do grupy tzw. nowotworów odpornych na promieniowanie. Terapia neutronowa stosowana jest przede wszystkim w leczeniu nieoperacyjnym nowotworów odpornych na promieniowanie, występujących w różnych częściach ciała pacjenta.

Wiązkę promieniowania neutronowego uzyskuje się przy użyciu akceleratorów protonów czy deutronów. Podstawowym założeniem jonizacji jest likwidacja możliwości podziału komórek rakowych, czyli zapobieganie ich dalszemu rozwojowi, poprzez niszczenie ich struktur DNA. W przypadku radioterapii fotonowej czy protonowej efekt niszczenia tych struktur uzyskiwany jest dzięki uruchomienie produkcji rodników poprzez oddziaływania atomowe. Ten rodzaj radioterapii określany jest jako niski liniowy współczynnik przenoszenia energii (low LET), a w przypadku terapii neutronami jest to wysoki liniowy współczynnik przenoszenia energii (high LET), gdzie uszkodzenia struktur DNA są dokonywane przy użyciu nuklearnych oddziaływań. W praktyce wygląda to tak, że przy stosowaniu niskiego LET w komórki nowotworowe, mają one sporą możliwość odbudowy i dalszego rozwoju, podczas gdy stosujemy wysokie LET, prawdopodobieństwo odnowy zniszczonych komórek rakowych jest niewielkie.

Ogólnie rzecz ujmując szybkie neutrony mogą kontrolować większe powierzchnie zaatakowane nowotworem, ponieważ w przeciwieństwie do radioterapii z niskim LET, neutrony nie są zależne od obecności tlenu, niezbędnego do niszczenia komórek rakowych. Co istotne, biologiczna skuteczność terapii neutronowej nie jest uwarunkowana stopniem rozwoju nowotworu, jak to jest w przypadku radioterapii o niskim LET. Często się zdarza, że większe nowotwory mają przeżuty na inne części ciała nim chory znajdzie odpowiednia metodę leczenia. W takich przypadkach neutrony mogą być jedynym ratunkiem, ponieważ mogą być zastosowane do likwidacji nowotworu pierwotnego, niemniej jednak do minimalizacji obszaru przerzutów i ich leczenia konieczne będzie zastosowanie chemioterapii.

W związku z tym, że skuteczność radioterapii neutronowej jest bardzo wysoka, wymagana dawka do zniszczenia komórek nowotworowych jest równa ok. 1/3 wymaganej dawki
w przypadku radioterapii protonowej, elektronowej czy fotonowej. Przebieg leczenia neutronowego składa się z 10 – 12 wizyt, podczas których pacjent jest leczony radioterapią neutronową. Dla porównania: niskie LET wymaga ok. 30 – 40 takich zabiegów.

PROMIENIOWANIE NEUTRONOWE

Promieniowanie neutronowe opiera się na wyzwoleniu energii atomu w postaci neutralnych elektrycznie cząsteczek o dość dużej masie. Emisja neutronów może mieć miejsce w trackie reakcji rozszczepienia jąder atomowych lub też w procesie rozpadu swego rodzaju radionuklidów, które przeważnie powstają naturalnie. Promieniowanie kosmiczne oraz jądra, jakie powstają w toku rozpadu alfa są największymi źródłami naturalnego promieniowania neutronowego. Konwencjonalnym sztucznym źródłem emitowania neutronów są akceleratory. Na skutek oddziaływań promieniowania neutronowego z jądrami atomów, promieniowanie to może być zarówno rozpraszane jak i absorbowane. Jeśli chodzi
o absorpcję neutronów prawdopodobne będą reakcje jądrowe z wielokrotną emisją wtórnego promieniowania.

Neutrony to neutralne elektrycznie cząstki, których masa zbliżona jest do masy protonu, jednak zdecydowanie słabiej oddziałują z materią, przeważnie przeszywając ją i nie tracąc zbytnio energii.  Wydawać by się mogło, że są bezpieczne, jednak w rzeczywistości powodują w żywej materii radykalne a nawet katastrofalne zmiany.

METODY RADIOTERAPII NEUTRONOWEJ

Terapia szybkimi neutronami (FNEBT) miała swój początek w Gray Laboratory
w Hammersmith w Angli, gdzie wiązkę neutronów prędkich na cyklotronie U – 120 otrzymano dzięki bombardowaniu tarczy berylowej strumieniem deuteronów o energii 13,5 MeV. Wiązką promieniotwórczych neutronów  z powodzeniem leczono nowotwory gruczołów ślinowych, a także nowotwory choroby po mastektomii.

Brachyterapia neutronowa kalifornem 252 (²⁵²Cf) została odrzucona jako metoda skutecznej radioterapii na skutek braku pozytywnych wyników klinicznych, komplikacje związane
z ochroną radiologiczną oraz bardzo wysokimi kosztami[1].

Terapia leczenia nowotworów za pomocą metody borowo-neutronowej (BNCT) polega na wybiórczym naświetlaniu obszarów nowotworowych między zdrowymi tkankami. Metoda ta opiera się na nasyceniu chorej na raka tkanki atomami ¹⁰B, które są aplikowane
w dopasowanym farmaceutyku, aby później tkanki nowotworowe zostały poddane napromieniowaniu neutronami o energiach termicznych i epitermicznych. Na skutek wychwytu neutronów zachodzi proces emisji cząstki β a także następuje proces odrzutu jądra ⁷Li wraz z emisją energii o mocy 2,8 MeV. W ten sposób przebiega leczenie nowotworów mózgu, np. glejaków wielopostaciowych albo czerniaków.[2] Nieustannie trwają prace nad dostosowaniem akceleratorów do terapii borowo-neutronowej, które pozwolą na tworzenie dopasowanych strumieni neutronów. Rozciągłość energetyczna protonów czy deutronów niezbędnych do zapoczątkowania wiązki neutronów sięgają rzędu pojedynczych MeV, ale konieczna jest wiązka o dużym natężeniu (ok. 1 mA). Obecnie akceleratory do stosowania teleradioterapii powstają na specjalne zamówienie[3].

Leczenie onkologiczne wysokoenergetycznymi liniowymi akceleratorami medycznymi jest stosunkowo skuteczne. Działając wg. ściśle sprecyzowanych procedur planowania leczenia,
a także biorąc pod uwagę wytyczne dotyczące dozymetrii wiązki i pomiary wydajności aparatów można przejąć kontrolę nad przebiegiem całego procesu leczenia. 

Na rysunku 8 przedstawiono proces leczenie onkologicznego metodą wychwytu neutronów przez atomy boru. Wg. najważniejszych informacji dot. terapii borowo-neutronnowej należą:

1. Podanie zastrzyku zawierającego związek chemiczny ¹⁰B pacjentowi, który  gromadzi się w komórkach rakowych.
2. Następuje naświetlanie wiązką neutronową zmian nowotworowych.
3. Następuje selektywne zniszczenie komórek rakowych cząstkami alfa oraz cząstkami ⁷Li, które są generowane przez reakcje ¹⁰B(n, α) i ⁷Li.

Cechy terapii BNCT:

·   selektywne niszczenie komórek rakowych oraz leczenie onkologiczne struktur komórkowych,

·   leczenie onkologiczne kończy się naświetlaniem neutronowym od 1 do kilku razy,

·   współczynnik jakości życia po leczeniu jest wysoki.

Kiedy m.in. zaleca się terapię BNCT?

·   złośliwy nowotwór mózgu,

·   złośliwa odmiana czerniaka (rak skóry),

·   nowotwory głowy i szyi,

·   nowotwory płuc

·   nowotwory wątroby.

Rysunek 8 BNCT

Źródło: http://www.jaea.go.jp/english/news/p06071001

---

[1] Jan Skołyszewski, Radioterapia hadronowa i jonowa: osiągnięcia, perspektywy rozwoju, NOWOTWORY, Journal of Oncology, 2007, volume 57, numer 4, s. 371.

[2] Ibid., s. 372.

[3] http://www.ifj.edu.pl/publ/reports/2007/1997.pdf?lang=pl

Zastosowanie protonów i neutronów w radioterapii.(cz. III)

3. Radioterapia hardonowa

Radioterapia, chemoterapia czy chirurgia to standardowe metody walki z rakiem. Jako pierwsza radioterapią, a raczej promieniotwórczością i jej właściwościami zajęła się Maria Skłodowska-Curie. Wtedy to próbując leczyć chorego, przykładano do jego skóry promieniotwórczy rad. Później do radioterapii wprowadzono promieniotwórczy kobalt C⁶⁰, następnie zaś pojawiły się akceleratory linowe. Radioterapia to podstawa leczenia onkologicznego. Zadaniem radioterapii jest zwalczanie komórek nowotworowych poprzez uszkodzenie struktur DNA[1]. Początkowe próby i symulacje leczenia były bardzo ograniczone ze względu na niski poziom wiedzy w tej dziedzinie. Promieniowanie było zbyt silne i mało dokładne, przez co w wyniku uszkodzeń nowotworowych komórek, promieniowaniu ulegały również zdrowe struktury, przez co chory cierpiał na choroby popromienne,
a w konsekwencji następował zgon. Wraz z postępem nauki i poznaniem możliwości jakie niesie za sobą radioterapia hardonowa: protonowa czy neutronowa, a także związane z nią generatory, tomografy, rezonanse, jesteśmy w stanie przeprowadzić szereg czynności symulacyjnych leczenie, dostosowując promieniowanie do rodzaju nowotworu, jego wielkości, stopnia złośliwości jak i samego pacjenta.

Radioterapia hardonowa dzieli się na jonową oraz neutronową (rys. 6). Jonową dzielimy jeszcze na protonową i jonami węgla, a neutronową na neutrony szybkie i boronową terapię wychwytową. W następnych podrozdziałach niniejszej pracy uwaga zostanie przeniesiona odpowiednio na radioterapię protonową i radioterapię neutronową.

Rysunek 6 Podział radioterapii hardonowej

Źródło: Opracowanie własne na podstawie: Paweł Olko, Fizyczne aspekty radioterapii wiązkami jonów.

---

[1] Krzysztof Woźniak, Radioterapia hardonowa, Warszawa 2009.