Obsevanje s hitrimi protoni

Protonska terapija je vrsta obsevanja z delci, ki uporablja protone, da uniči obolelo tkivo, najbolj pogosto rakave celice. Večina energije se sprosti na točno določeni globini, pri čemer je absorbirana energija pred in za to globino zanemarljivo nizka. Zato ima tovrstno obsevanje manj stranskih učinkov v primerjavi z obsevanjem z žarki ɣ.

Princip delovanja

Atom je sestavljen iz jedra in elektronskega oblaka. Jedro je sestavljeno iz nukleonov, torej protonov in nevtronov. Protoni so delci s pozitivnim nabojem in maso, in te lastnosti izrablja protonska terapija. Ko visokoenergijski protoni prodirajo skozi snov, s snovjo interagirajo na tri načine:

• ionizacija, tj. izbitje elektrona iz elektronske ovojnice, pri čemer nastane ion.
• trki z jedrom, pri čemer je pomembna močna jedrska sila. Pride lahko do prožnih ali neprožnih trkov, ki povzročijo spremembo vrstnega števila atoma in s tem spremembo elementa. Osnovna mehanizma sta fuzija, torej združenje protona in jedra, ter fisija, pri kateri pride do razpada na dve manjši jedri.
• sipanje, pri čemer proton pri prehodu skozi snov zaradi odbojne elektrostatske sile spremeni smer.

Pri ionizaciji in pri jedrskih trkih, se atom tako spremeni, da ne more biti več del (biološke) molekule, ker so njegove karakteristike (naboj, masa, vrstno število) in obnašanje (tvorba vezi) spremenjene. To vodi do spremenjenih ali nepopolnih funkcionalnosti teh molekul, kot je npr. pri različnih proteinih ali pri ireverzibilnih poškodb DNA. Rakave celice imajo pogosto okvarjeno sposobnost popravljanja DNA, kar lahko vodi do nefunkcionalnih produktov in v odmrtje celice.

Braggova krivulja podaja izgubljanje energije delcev, ob prehodu skozi snov. Oddana energija ob vstopu je majhna, nato narašča in pri točno določenii globini doseže maksimim. Ko doseže maksimum, hitro pada proti vrednost nič. S tem je sevanje lokalizirano, poškodbe tkiva nekoliko pred globino, kjer delci izgubljajo največ energije, so minimalne, nekoliko za njo pa jih sploh ni.

Pridobivanje visokoenergijskih protonov

Visokoenergijske protone pridobivamo s pospeševalniki. Za pospeševanje protonov se uporablja njihova lastnost - naboj. Postavljeni v zunanje električno polje, protoni čutijo elektrostatsko silo, ki povzroči pospeševanje proti nasprotno (negativno) nabiti plošči.

Najbolj enostavno pospeševanje bi bilo v pospeševalniku, ki bi vseboval le katodo in anodo. Da bi zadostno pospešili protone, bi tak pospeševalnik moral biti ekstremno dolg, prav tako pa bi moral biti tudi priklopljen na ogromno napetost.

Krožni pospeševalniki uporabljajo še magnetno polje za usmerjanje delcev, oziroma omogočajo gibanje v krogu, dokler delci ne dobijo zadostne energije. Zaradi tega so lahko krožni pospeševalniki manjši. Enako veliko električno polje v vsakem novem krogu povzroči povečanje hitrosti.

Glede na to, da imajo vsi protoni enako maso in naboj, ter da čutijo enako silo v električnem polju, so vsi enako pospešeni. S tem vsi dosežejo enako hitrost in imajo posledično enako energijo. Med potekom specifične ionizacije in s tem absorpcije za posamezen delec ter za snop delcev skoraj ni razlike.

Primerjava z drugimi tipi zdravljenja

Obsevanje tumorja na nosnem delu grla (nasopharynx) s fotonsko (rentgensko) terapijo (levo) in protonsko terapijo (desno)

Vprašanje izbire zdravljenja tumorja je pri terapiji s hitrimi protoni predvsem vprašanje denarja. Protonska terapija je mnogo dražja od rentgenske, zato je razumljivo, da še ni zelo razširjena.

Glavna razlika med protoni in rentgenskimi žarki so fizikalne lastnosti samega žarka. Protoni so relativno veliki delci, ki prodrejo v snov do določene globine, ki je odvisna od energije. Rentgenski žarki so elektromagnetni valovi brez mase oziroma energetsko nabiti delci brez naboja in so po naravi fotoni. Pri prehodu skozi snov se gostota energijskega toka približno eksponentno zmanjšuje. Relativni biološki učinek za rentgenske žarke je 1, za protone pa 1.1, zato je biološki efekt na tkivo približno enak –tumorske celice uničujejo rentgenski žarki in protoni pri terapiji približno enako učinkovito, če gre za isto gostote energijskih tokov.

Omejitev vstopne doze je drugačna, kot v primeru obsevanja z fotoni. Ker gostota energijskega toka pri absorpciji rentgenskih žarkov pada približno eksponentno od površine, je maksimum na začetku. V radiologiji se določa največja doza, ki jo lahko sprejme povrhnje tkivo, kar pomeni, da tumor dobi le majhen del doze. Za razliko od obsevanja s fotoni je pri Braggovi krivulji razporeditev energije drugačna in tumor dobi veliko več energije, kot povrhnje tkivo. S tem je zmanjšan negativen vpliv na tkiva vseh globin razen tarčnega, ki dobi največjo dozo.

Za medicino je najbolj pomembno to, da protonska terapija poškoduje izredno malo zdravega tkiva, saj po vrhu Braggove krivulje absorpcija zamre, medtem ko visokoenergetski rentgenski žarki bolj poškodujejo tudi bližnje zdravo tkivo. (Pravimo, da pride do visoke vstopne doze preden se žarki absorbirajo v obolelem tkivu.)

Protonski žarek	Rentgenski žarkek
Nizka vstopna doza	Visoka vstopna doza
Skorajda ni doze po izbrani točki	Doza po izbrani točki je problem
Ni izhodne doze	Končna izhodna doza
Braggova krivulja ima vrh in opisuje določen doseg	Eksponenten padec doze

Protonska terapija skozi čas

Prvi predlog za obsevanje s hitrimi protoni je dal Robert R Wilson leta 1946 med vzpostavljanjem Harvardskega ciklotronskega laboratorija, prva zdravljenja pa so se sredi petdesetih let prejšnjega stoletja dogajala v Berkleyskem laboratoriju za obsevanje in v Uppsali na Švedskem. V naslednjih 40 letih se je v podobnih znanstvenih ustanovah obsevalo več kot 9000 pacientov. Leta 1990 so v Veliki Britaniji odprli prvi bolnišnični center protonske terapije Clatterbridge Centre for Oncology. Temu so do danes sledile še številne ustanove po svetu.

Leta 2013 je bilo po svetu že 43 centrov za obsevanje s hitrimi protoni, ki so imeli skupno 121 sob za obsevanje. Zdravilo se je že okoli 95000 pacientov.

Največji problem predstavlja visoka cena - gradnja novih centrov za obsevanje se giblje pri nekaj 100 milijonih $, letno vzdrževanje nanese okoli 15 milijonov $, kar je odvisno od velikosti centra. Za posameznika se začnejo cene pri 36.000 $.

Glej tudi

• Rak
• Tumor
• Rentgenski žarki
• Dozimetrija
• Ionizirajoče sevanje

Viri

• Hall, EJ & Giaccia, AJ 2011, Radiobiology for the Radiologist, Wolters Kluwer, Philadelphia

• Jafer, R 2009, Laser plasma protons with future application on cancer therapy and Proton Radiography, PhD‘s thesis, Dipartimento di fisica “G.Occhialini” Universita’ degli studi di Milano Bicocca, Milano, viewed 25 February 2014, http://boa.unimib.it/bitstream/10281/7457/1/phd_unimib_708241.pdf

• Slopsema, R 2009, Physics of Proton Therapy. [PowerPoint slides]. Baltimore:University of Florida. Available at: A Symposium of the Promises and Perils of Proton Radiotherapy https://www.aapm.org/meetings/09PRS/documents/Slopsema.pdf (accessed 25th February 2014).

• Proton Therapy IBA. 2013. How does Proton Therapy work?. [Online]. [Accessed 26th February 2014]. Available from: http://www.youtube.com/watch?v=MS590Xtq9M4

• University of California Television. 2011. Proton Therapy for Cancer. [Online]. [Accessed 26th February 2014]. Available from: http://www.youtube.com/watch?v=Jk64HY7QLpg

• MEDraysintell. 2013. Proton Therapy World Market Report. [Online]. Edition 2013. Belgium: CSIntel. [Accessed 27th February 2014]. Available from: http://www.csintell.com/attachments/File/MEDraysintell_-_Proton_Therapy_Edition_2013-TOC.pdf

• The National Association for Proton Therapy 2014, Catching the Proton Wave. [online] Available at: http://www.proton-therapy.org/hhnarticle.htm [Accessed 20 March 2014].

• Healio 2014, Proton beam therapy holds ‘great promise’ at a steep cost. [online] Available at: http://www.healio.com/hematology-oncology/practice-management/news/print/hematology-oncology/%7B37d0ac7d-ef78-4918-9a47-b4e89f55d006%7D/proton-beam-therapy-holds-great-promise-at-a-steep-cost [Accessed 20 March 2014].