Η Φυσική της Πρωτονοθεραπείας, εν συντομία…!!

image credit: "Quark structure proton" από τον Arpad Horvath

Εισαγωγή

Η ιστορία για τη θεραπεία πρωτονίων ξεκίνησε το 1946, όταν ο Robert Wilson δημοσίευσε ένα πρωτοποριακό άρθρο, στο οποίο πρότεινε το χρήση δεσμών πρωτονίων, παραγόμενων από επιταχυντές, για θεραπεία όγκων σε ανθρώπους. Η πρώτη θεραπεία πραγματοποιήθηκε το 1954 στο Lawrence Berkeley Laboratory. Η έρευνα πάνω στη θεραπεία πρωτονίων συνεχίστηκε στο Harvard για περισσότερα από 40 χρόνια. Κατά την ίδια περίοδο, φυσικοί σε όλο τον κόσμο ανακάλυπταν νέες τεχνολογίες όπως επιταχυντές, MRI, CT, treatment planning etc.

Η αποδοχή της πρωτονοθεραπείας γίνεται σχετικά αργά (π.χ. ως προς την ακτινοθεραπεία φωτονίων). Αυτό οφείλεται κυρίως σε τεχνικές δυσκολίες, στο αυξημένο κόστος αλλά και στην έλλειψη αποτελεσμάτων συγκριτικά και με το κόστος. Τα πρώτα μηχανήματα για ευρεία χρήση, εμφανίστηκαν το 2001. Σήμερα (PTCOG, 2014), υπάρχουν 16 κέντρα για θεραπεία με πρωτόνια στις ΗΠΑ και 46 σε όλο τον κόσμο. Έως το τέλος του 2013 σε θεραπεία είχαν υποβληθεί 105.743 ασθενείς.

Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης πρωτονίων

Εικόνα 1. Σχηματική αναπαράσταση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης των πρωτονίων.

Όπως φαίνεται στο σχήμα, αρχικά (a) έχουμε την προσέγγιση πρώτης τάξης, όπου ένα πρωτόνιο, της δέσμης, χάνει συνεχώς κινητική ενέργεια λόγω συνεχών ανελαστικών ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων με ατομικά ηλεκτρόνια, χωρίς ωστόσο να παρεκτρέπεται από την πορεία του (η μάζα των πρωτονίων είναι 1832 φορές μεγαλύτερη από των ηλεκτρονίων). Στην δεύτερη περίπτωση (b), παρατηρούμε ότι ένα πρωτόνιο σκεδάζεται ελαστικά με έναν ατομικό πυρήνα, οπότε και εκτρέπεται από την αρχική του κατεύθυνση. Στην τρίτη περίπτωση (c), που είναι και η πιο σπάνια αλλά και η πιο δραστική, έχουμε ανελαστική σκέδαση πρωτονίου και ατομικού πυρήνα. Το πρωτόνιο εισέρχεται στον πυρήνα. Τότε, μπορεί να εκπεμφθεί ένα πρωτόνιο ή δευτέριο ή τρίτιο ή και κάποιο βαρύτερο ιόν ή και ένα η περισσότερα νετρόνια. Υπάρχει και ένα ακόμη φαινόμενο το οποίο θεωρητικά είναι πιθανό, αλλά σε θεραπευτικό επίπεδο είναι αμελητέο, το φαινόμενο του πρωτονικού Bremsstrahlung. 

Εικόνα 2. Η δύναμη επιβράδυνσης (S) συναρτήσει της ενέργειας των πρωτονίων. Και η αντίστοιχη εμβέλεια (R) των πρωτονίων συναρτήσει της ενέργειάς τους.

Από το διάγραμμα της εικόνας 2, παρατηρείται ότι η πιθανότητα να σταματήσει ένα πρωτόνιο την πορεία του είναι αυξημένη στις μικρές ενέργειες, ενώ για μεγάλες ενέργειες η πιθανότητα πρακτικά μηδενίζεται (αντιστοιχία με το stopping power). Συγκρινόμενο και με την εμβέλεια των πρωτονίων, πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι πρωτόνια υψηλής ενέργειας, αρχικά χάνουν μικρή ενέργεια, λόγω των ανελαστικών «συγκρούσεων» με τα ατομικά ηλεκτρόνια, αλλά μόλις η ενέργειά τους μειωθεί κάτω από το 1MeV, η πιθανότητα να σταματήσουν και να αποθέσουν απότομα όλη τους την ενέργεια, αυξάνεται εκθετικά.

Εικόνα 3. Σχετική δόση μονοενεργειακών δεσμών συναρτήσει του βάθους διείσδυσης (Larsson, 1993).

Στο σχήμα της εικόνας 3, παρατηρείται η σχετική δόση, που οφείλεται σε μονοενεργειακές δέσμες σωματιδίων, συναρτήσει του βάθους διείσδυσης. Η κλασσική ακτινοθεραπεία θα παρουσίαζε μορφή παρόμοια με αυτή του Co-60. Επομένως, αν θεωρούσαμε έναν όγκο-στόχο σε βάθος 8-12cm, θα καταφέρναμε ίδια αποτελέσματα, ως προς τη θανάτωση των καρκινικών κυττάρων, είτε με δέσμες φωτονίων, είτε με δέσμες φορτισμένων βαρέων σωματιδίων (π.χ. πρωτόνια, σωμάτια-α, πιόνια κ.α.). Όμως, ως προς τον υγιή ιστό, οι διαφορές είναι δραματικές, καθώς τα φωτόνια δίνουν σχετική δόση 2xDref ενώ τα, π.χ. πρωτόνια <0.6xDref , όπου Dref, η δόση που πρέπει να δεχθούν τα καρκινικά κύτταρα. Παράλληλα, παρατηρείται ότι μετά το πέρας των 12cm, περίπου, τα πρωτόνια σταματούν να μεταδίδουν δόση. Επομένως, οι υγιείς ιστοί πίσω από τον καρκινικό όγκο παραμένουν ανεπηρέαστοι..!! 

Εικόνα 4. (α) Η απορροφούμενη δόση ως προς το βάθος από πρωτόνια ενέργειας 154MeV (pristine Bragg peak by broad photon beam). (β) Απορροφούμενη δόση ως προς το βάθος αλλά με δέσμη διευριμένης κορυφής Bragg (SOBP, spread-out proton Bragg peak). Μετρημένη στο NPTC (Northeast Proton Therapy Center) με θάλαμο ιονισμού παραλλήλων πλακών (Newhauser & Zhang, 2015).

Στην εικόνα 4, παρουσιάζονται 2 σχήματα τα οποία παρουσιάζουν τη συμπεριφορά των πρωτονίων καθώς αλληλεπιδρούν με τον ιστό. Παρατηρείται, ότι η ενέργεια τους μπορεί να αποτεθεί ή εντελώς τοπικά με μονοενεργειακή δέσμη ή μπορεί να καλύψει μεγαλύτερη επιφάνεια με συνδυασμό δεσμών. Ό συνδυασμός τους, παρουσιάζεται στο σχήμα της εικόνας 5.

Εικόνα 5. (Newhauser & Zhang, 2015).

Επομένως, με ειδικές τεχνικές τροποποιείται η μονοενεργειακή δέσμη των πρωτονίων, η οποία και δίνει απολύτως τοπική εναπόθεση ενέργειας σε μία πιο διευρυμένη δέσμη και από πλεύρά ενεργείων και από πλευράς επιφάνειας/όγκου/εύρους βάθους. Από το σχήμα της απλής κορυφής Bragg, μεταφερόμαστε στη διευρυμένη περιοχή.

Συζήτηση

Πρόκληση για το μέλλον είναι η συνεχής βελτίωση της ακτινοθεραπείας, ώστε να μειωθούν οι παρενέργειές της. Να μειωθούν οι παρενέργειες, με παράλληλη αύξηση της θεραπευτικής της ιδιότητας και ικανότητας. Η θεραπεία με επιταχυντές ηλεκτρονίων για παραγωγή φωτονίων έχουν επικρατήσει στην αγορά λόγω της διάδοσης των treatment planning και της «εύκολης» προβλεψιμότητας της συμπεριφοράς τους. Και πολύ περισσότερο λόγω της ανάπτυξης πρωτοκόλλων που παρουσιάζουν ακριβώς τα βήματα συγκεκριμένων θεραπειών.

Παρ’ όλ’ αυτά, με την ανάπτυξη νέων τεχνικών ακτινοθεραπείας, όπως των πρωτονίων, μπορεί τελικά να επιτευχθούν (ίσως) αποτελεσματικότερες θεραπείες. Από την πειραματική εφαρμογή σε πανεπιστήμια έως την εγκαθίδρυσή τους σε νοσοκομεία και την ενσωμάτωσής τους στη ρουτίνα των υποψηφίων θεραπειών των ιατρών απαιτούνται πολλά βήματα.

Στα βασικά είναι η απενοχοποίηση της ακτινοθεραπείας γενικότερα, καθώς η ραδιενέργεια θεωρείται, λόγω ημιμάθειας, δολοφονική εξαιτίας ατυχημάτων όπως Τσερνόμπιλ κ.α.. Ακόμη, απαιτείται η εμπιστοσύνη από τον ιατρικό κλάδο, καθώς οι ιατροί προτιμούν τις κλασσικές χειρουργικές μεθόδους και τις αντίστοιχες χημειοθεραπείες, πάλι λόγω ημιμάθειας.

Κλείνοντας, αναφέρω ότι κάθε περίπτωση ασθενούς είναι διαφορετική και έτσι θα πρέπει να αντιμετωπίζεται. Χρειάζεται συνδυασμός ειδικοτήτων (ειδικά σε καρκίνους) όπως μικροβιολόγων, ιατρών ογκολόγων, φυσικών ιατρικής κ.α., που μέσα από ιατρικά συμβούλια και απαλλαγμένοι από οικονομικά οφέλη να καταλήγουν στον κατάλληλο συνδυασμό θεραπείας.