Radioterapia nowotworów: w kierunku lepszej kontroli wiązki protonowej

Nowoczesne metody radioterapii mogłyby skuteczniej i bezpieczniej zwalczać nowotwory, gdyby w procesie planowania leczenia uwzględniać jakość promieniowania terapeutycznych wiązek protonowych. Osiągnięcie fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie przybliża nas do realizacji tego celu.

W dzisiejszej medycynie zależność jest prosta: jeśli chcemy, by leczenie nowotworów było skuteczniejsze i bezpieczniejsze dla pacjenta, zwykle musimy inwestować w nowocześniejszy sprzęt do napromieniania, co w przypadku wiązek protonowych oznacza koszt liczony w dziesiątkach milionów euro. Okazuje się jednak, że poprawę efektów leczenia można osiągnąć relatywnie niskim kosztem, wykorzystując urządzenia już działające, dzięki rozwiązaniu opracowanemu przez zespół fizyków z Centrum Cyklotronowego Bronowice (CCB) Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Innowacja ta, możliwa do wdrożenia przy użyciu obecnego sprzętu, pozwala fizykom medycznym jeszcze na etapie planowania terapii zweryfikować parametr dotychczas nieuwzględniany w praktyce klinicznej: jakość wiązki protonowej.

– Kiedy uwzględniamy jakość wiązki promieniowania, jesteśmy w stanie precyzyjniej określić biologiczny efekt napromieniania i skuteczniej niszczyć komórki nowotworowe, ograniczając przy tym uszkodzenia zdrowych tkanek. Nowoczesne oprogramowanie do planowania terapii protonowej umożliwia uwzględnienie tego parametru. W praktyce jednak się tego nie robi, m.in. dlatego, że dotąd brakowało prostych i szybkich metod eksperymentalnej weryfikacji jakości promieniowania. Wykazaliśmy, że istnieje praktyczne rozwiązanie tego problemu, tanie i łatwe do wdrożenia – mówi dr Jan Gajewski (IFJ PAN).

W walce z komórkami nowotworowymi lekarze najczęściej stosują promieniowanie fotonowe, natomiast jedynie niewielka grupa pacjentów radioterapii korzysta z terapii protonowej. Kluczowe są tu dwa fakty. Po pierwsze, wiązka cząstek o dużej energii uszkadza cząsteczki DNA komórek, co prowadzi do ich śmierci. Po drugie, komórki nowotworowe są zazwyczaj bardziej wrażliwe na promieniowanie niż zdrowe komórki, które potrafią skutecznie naprawiać uszkodzenia DNA. Sposób podania wiązki terapeutycznej ma kluczowe znaczenie. Aby uniknąć powikłań, takich jak martwica zdrowych tkanek, wiązka powinna oddziaływać jedynie na komórki nowotworowe. Nie jest to jednak możliwe, ponieważ promieniowanie musi zwykle przejść przez zdrowe tkanki, by dotrzeć do guza. Dodatkowo, dla bezpieczeństwa konieczne jest napromienienie całej objętości guza wraz z marginesem zdrowych tkanek, ponieważ przetrwanie nawet niewielkiej liczby komórek nowotworowych grozi nawrotem, który często jest bardziej niebezpieczny od nowotworu pierwotnego.

Każda radioterapia wymaga starannego planowania. Lekarz najpierw określa zasięg zmiany nowotworowej, a następnie przy pomocy specjalistycznego oprogramowania planuje cykl frakcji leczenia trwający zwykle kilka tygodni. Lekarze wraz z fizykami medycznymi precyzyjnie ustalają kierunki napromieniania, energie cząstek, intensywność wiązki oraz czas napromieniania. Prawidłowe zaplanowanie leczenia pozwala dostarczyć śmiertelną dawkę promieniowania do objętości guza, minimalizując uszkodzenia zdrowych tkanek. Jednak samo planowanie nie wystarcza – przed każdym zabiegiem fizyk medyczny musi zweryfikować rozkład dawek, jakie pacjent otrzyma.

Jeśli wiązka terapeutyczna składa się z fotonów, wszystkie one oddziałują podobnie z komórkami ciała. Fizyk mówi wtedy o jakości promieniowania, która dla fotonów w każdym miejscu napromienianym jest jednakowa. Protony zachowują się inaczej: na początku tracą niewiele energii, ale im wolniejsze się stają, tym szybciej ją oddają. Dzięki temu wiązka protonowa deponuje większość energii na końcu toru, na określonej głębokości w ciele pacjenta. Jakość takiej wiązki protonowej znacznie różni się od klasycznych wiązek fotonowych stosowanych w radioterapii.

Parametrem fizycznym opisującym jakość promieniowania, wpływającym na efekt biologiczny, jest tzw. liniowy przekaz energii (LET). Informuje on, ile energii cząstka deponuje na określonym odcinku toru oraz jak zmienia się to wraz z energią cząstki. Uwzględnianie LET w planowaniu terapii protonowej nie jest dziś problemem. Brakuje natomiast metod i urządzeń umożliwiających weryfikację rozkładu LET bezpośrednio w środowisku klinicznym.

Podczas badań prowadzonych w CCB z użyciem wiązki protonowej z cyklotronu Proteus C-235, naukowcy z IFJ PAN wykorzystali komercyjnie dostępny detektor Timepix3 do charakterystyki parametru LET. Ten niewielki i stosunkowo prosty w obsłudze detektor to efekt pracy zespołu Medipix3, działającego od 2005 roku przy Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN, z myślą o szerokim zastosowaniu rozwiązań opracowanych do śledzenia cząstek w eksperymentach fizyki wysokich energii. Liczne zastosowania detektorów Timepix to przykład, jak pionierskie badania, pozornie oderwane od codzienności, przekładają się na poprawę jakości życia.

– Detektor Timepix3 wyposażony jest w 300-mikrometrowy czujnik krzemowy. Układ odczytowy to matryca 256 na 256 pikseli, pozwalająca rejestrować tory pojedynczych cząstek. Odpowiedź każdego piksela zależy od rejestrowanej energii. Te informacje, wraz z parametrami toru, pozwalają – przy wykorzystaniu metod sztucznej inteligencji – zidentyfikować pojedynczy proton oraz oszacować jego parametr LET. Zaproponowana przez nas metodologia umożliwia charakterystykę LET w warunkach napromieniania zgodnych z planami terapeutycznymi, co było dla nas kluczowym wyzwaniem – wyjaśnia doktorantka Paulina Stasica-Dudek (IFJ PAN), pierwsza autorka artykułu opublikowanego w czasopiśmie Physics in Medicine & Biology.

Zanim metoda pomiaru jakości wiązek protonowych zaproponowana przez krakowskich fizyków trafi do codziennej praktyki, trzeba jeszcze pokonać jedną przeszkodę techniczną. Współczesne cyklotrony medyczne produkują wiązki o wysokiej intensywności, przeznaczone do użytku klinicznego. Tymczasem pomiary z użyciem detektorów Timepix wymagają wiązek o niskiej intensywności. Wiadomo jednak, że ten problem można rozwiązać odpowiednią aktualizacją oprogramowania sterującego cyklotronem.

– Po raz pierwszy możemy mówić o praktycznie gotowej do wdrożenia metodzie pomiaru jakości wiązki promieniowania bezpośrednio w ośrodkach terapii protonowej. Jej upowszechnienie to droga do zwiększenia skuteczności i bezpieczeństwa nowoczesnej terapii protonowej oraz bardziej zaawansowanych metod napromieniania z użyciem jonów helu, węgla czy tlenu – podsumowuje dr Antoni Ruciński, profesor IFJ PAN.

Badania nad metodologią pomiaru jakości wiązek promieniowania realizowane były w ramach grantu LIDER XII Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Źródło: Physics in Medicine & Biology, IFJ PAN
DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6560/ad4df6