Jaderná fyzika v medicíně

 

1. Úvod

 

            Obecně lze využití (ne nutně pouze ionizujícího) záření v lékařství rozdělit na diagnostiku, radioterapii a oblast radiofarmak, která může předchozí oblasti doplňovat. V dalším se budeme věnovat převážně radioterapeutické oblasti.

 

            Prvním faktem, s nímž se setkáme při působení záření na živé organismy je, že primární účinek na buňky je vždy destruktivního charakteru. Až sekundárně může dojít k léčebnému efektu. Jakožto radiobiologický paradox se označuje skutečnost, že i velice malá energie záření předaná biologickému objektu (po normování na jednotku hmotnosti jde přímo o dávku) může mít fatální následky na jeho životaschopnost. Například na zvířatech bylo zjištěno, že dávka 8-10 Gy (tj. 80-10 J/kg) vede ke smrti, byť tato expozice způsobí zvýšení tělesné teploty jen o několik setin stupně! Tzv. letální dávkou (lethal dose) se rozumí dávka, jež vede v 50% případů ke smrti organismu.

            Účinek různých druhů záření se liší, záleží též na cílovém orgánu, proto byly pro chrakteristiky dávek na člověka stanoveny jakostní faktory beroucí v úvahu jak typ záření (při dané energii), tak i cílový orgán. Takto získaná efektivní dávka se uvádí v sievertech Sv, byť co se týče jednotky je shodná s grayem Gy.

 

2. Radioterapie

 

Již s objevem rentgenového záření byla rozpoznána možnost jeho využití pro léčbu zejména rakoviny kůže či různých chronických a degenerativních onemocnění. V padesátých letech se začalo s používáním tzv. rádiových jehel, zdrojem gama záření byly radiofory, kterými se postižené místo zpravidla přímo obložilo, účinek byl veliký, obzvláště u povrchových lokalit. Později přišla na řadu terapie paprsky X o energii 100 keV a později 250 keV, ovšem co se týče rozložení dávek či přesnějšího zaměření paprsku šlo o věc průkopnickou, lékař často jen přiložil lampu k postiženému místu, což často vedlo k vyléčení  nádoru, ale i ke vzniku tumoru sekundárního, na nějž pak pacient umíral. Později byly vypracovány ozařovací techniky, jimiž byly nežádoucí účinky minimalizovány, později se přidala i frakcionizace dávek (rozložení léčby do více kroků, aby se zdravá tkáň mohla reparovat) a ozařování z více směrů, čímž se dosáhla maximální intensita v cílené lokalitě v souladu se základní myšlenkou radioterapie:

 

Účelem radioterapie je maximální redukce nádorové tkáně při minimálním poškození tkáně zdravé.

 

Hlavním mechanismem destruktivního účinku na buňky je tvorba tzv. dvojných zlomů na molekule DNA (double strand breaks, DSB) vlivem vzniku volných radikálů podél stopy částice, jejichž značná část je sice reparována buněčnými mechanismy, ale může vést ke zničení genetické informace (gene deleting) a zamezit dělení buňky. Proto jsou při ozáření postihovány nejdříve buňky dělících se pletiv, jako je kostní dřeň, výstelkové sliznice (střeva, krycí epitely, kůže). Přímé následky ozáření (např. akutní nemoc z ozáření při celotělové dávce) se označují nako deterministické, jako stochastické se označují efekty mající pravděpodobnostní charakter a jež se proto projevují až po několika letech (často až desítkách) např. vzrůstem pravděpodobnosti vzniku rakoviny. Celoroční průměrná dávka na jednoho člověka se pohybuje okolo 3-5 mSv, roční limit pro pracovníka se zářením je 20 mSv, akutní deterministické účnky se objevují v úrovni jednotek Gy.

 

 

Kobaltová bomba

 

            Významným přínosem se stalo použití zářiče 2760Co, jenž se b- rozpadem přeměňuje s poločasem 5.271 let na 2860Ni. Hlavní složky záření jsou beta 0.316 MeV a gama 1.333 MeV a 1.173 MeV. Jeho výhodou je snadné odfiltrování beta  složky záření a vysokoenergetická gama kvanta. Získává se neutronovým záchytem na čistém kobaltovém kovu. Historicky se hovoří o tzv. přechodu od kilovoltáže k megavoltáži, kdy výrazně vzrostla úspěšnost léčby, uvolněná dávka záření X totiž klesala exponenciálně s hloubkou, charakterstika pro Co jevila mírné maximum poněkud hlouběji pod povrchem. Hlavním omezením při stanvení dávky je totiž tolerance kůže a její poškození. Nyní je kobalt zčásti nahrazován cesiem 55137Cs  s delším poločasem 30.2 let a energiemi b- 94% 0.514 MeV, 6% 1.176 MeV, gama 0.662 MeV (85%).

 

Hadronová terapie

 

Protony, piony a jádra iontů (alfa, kyslík, uhlík) vykazují při průchodu látkou maximum uvolněné energie podél dráhy (LET, Linear Energy Transfer) v určité hloubce, tzv. Braggův peak. Piony mohou dále reagovat na konci své dráhy s jádry a uvolnit tak další energii.

 

 

 Tvorba iontů podél dráhy protonu totiž závisí na střední době, kdy je proton přítomen v poli iontu, proto na začátku dráhy je generováno jen málo iontů, s poklesem rychlosti vlivem ionizačních ztrát je vytvářeno stále více iontů a radiační efekt stoupá až do kinetické energie protonu okolo 10 MeV, kdy dojde k jeho absorpci. Protony se navíc na rozdíl od ostatních částic (elektrony, gama) tolik nerozptylují, a svazek proto neztrácí své vlastnosti při průchodu biologickou tkání. Medicínská aplikace tohoto jevu byla rozeznána již roku 1947 Bobem Wilsonem, Harvard University Cambridge, Massachusetts. Dosah 125 MeV protonu ve tkáni je 12 cm, pro 200 MeV 27 cm, lze tak dosáhnout libovolného místa lidského těla. Problémem je konstrukce příslušného urychlovače v rámci medicínského centra, projektu skenovacího zařízení (paprsek prochází meandrovitě cílenou oblastí Braggovým peakem), určení frakcionizace...v současné době existuje projekt synchrotronového urychlovače podle CERNských plánů, vyvýjí se též lieární urychlovač; cyklotron (poměrně levný a kompaktní) má nevýhodné parametry svazku.

 

Neutronová  terapie

 

            Neutronovou terapii lze rozdělit na přímou terapii rychlými neutrony (víceméně málo využívanou pro špatnou možnost modulace svazku) a na neutronovou záchytovou terapii, která využíva vysokého účinného průřezu některych jader pro pomalé neutrony a následnou jadernou reakcí spojenou s uvolněním energie v malé oblasti v okolí terče. Základem metody je skutečnost, že nádorové buňky mohou vykazovat vyšší koncentrace určitých látek, jež lze využít jako nosiče atomů s vysokým průřezem pro neutrony.

 

 

Konkrétně můžeme zmínit Bórovou záchytovou terapii (BNCT, Boron Capture Therapy), jež využívá reakce (probíhá v 93.5% a s účinným průřezem 3837 barnů) na termálních neutronech (T=0.025 eV):

 

10B + n ® a + 7Li* ® a (1.47 MeV) + 7Li (0.84 MeV) + g (0.48 MeV)

 

Alfa částice a gama kvantum uvolní svou energii v objemu o průměru přibližně 10mm, buňka obsahující sloučeinu s bórem je pak účinně destruována s minimálním poškozením okolní tkáně (byť účinný průřez reakce neutronů na protonech ve vodě apod. také není zanedbatelný: 20.5 barnů pro rozptyl a 0.3 barny pro gama produkci, uvážíme-li dále skutečnost, že voda je hlavní komponentou biologické tkáně, musíme tyto procesy také zahrnout). Metody se používá pro vybrané mozkové nádory (glioblastoma), jež jsou jinak velmi těžko léčitelné a i při kombinovaných terapiích se dosahuje malé úspěšnosti léčby.

Zdrojem neutronů může být reaktor či kombinovaný zdroj alfa zářič/berylium, jsou všakmkladeny vysoké požadavky na kvalitu svazku, zvláště pak na jeho čistotu (kontaminaci např. gama zářením, jež má zcela jiné účinky). Z užívných farmak nesoucích bór jde o BSH (Na2B12H11SH) vyráběný v Řeži  a o L-BPA (phenylalanin).

 

Vnitřní radioterapie (inner radiotherapy)

 

Dalším způsobem ozařování je umístění radioaktivního implantátu přímo k nádoru (nazýváno brachyterapie u mozkových nádorů). Dávka je koncentrována v malém objemu a pacient obvykle zůstává po několik dní v nemocnici. Využívá se často při rakovině v oblasti jazyka, dělohy a střeva (přístupné dutiny).

 

Radioimunoterapie

 

Využívá radioaktivně značené protilátky, jež se váží na specifické molekuly, antigeny (např. nádorové markery). Cíleně by tak byly opět likvidovány buňky nádoru. Metoda je však pouze ve fázi výzkumu.

 

3.Radiodiagnostika

 

 

4. Nukleární medicína

 

            Nukleání medicína zkoumá rozložení aktivity v těle pacienta po (nejčastěji intravenózním) podání radiofarmaka (látky značené krátkodobě žijícím radioisotopem), přičemž využívá jeho rozdílné akumulace v různých tkáních, místech s různě rychlým či změněným metabolismem.

Používaná radiofarmaka pro pozitronovou emisní tomografii jsou připravována cykotronem urychlenými protony či deuterony, jde o isotopy 15O, 13N, 11C or 18F s poločasy rozpadu 2, 10, 20 or 110 minut. , jejichž stabilní isotopy jsou četně bilogicky zastoupeny a lze je proto s výhodou použít (např. pro pozitronovou emisní tomografii, viz též PET kamera, SPECT – single photon emission computer tomography).

 

Obrázky...

 

 

Zdroje:

 

  1. Encyclopedia Britannica, internet
  2. Úvodní studie projektu onkologického centra s protonovou terapií, porady příslušné mezioborové pracovní skupiny (listopad 2000, březen 2001)
  3. Petra Kudějová, Diploma Thesis „Determination of Boron Contents in Biological Samples and Irradiation Doses Planning in Frame of Boron Neutron Capture Therapy Program“, MFF UK, Institute of Particle and Nuclear Physics
  4. Přednáška M. Lokajíčka, st. „Biologické účinky ionizujícího záření“, ZS 2000/2001
  5. Přednáška pro 4. ročník 1LF v Centru Nukleární medicíny 1.LF, 20.4. 2001, 7:30
  1. Vesmír, 4/2001, str.212-215, článek V. Klenera Patnáct let od Černobylu I.
  2. The Whole Brain Atlas
  3. Atlas of Brain Perfusion SPECT
  4. Radiotherapy
  5. Table of Nuclides!!!
  6. Fyzika částic v České republice
  7. Fundamental Physical Constants
  8. Pokladnice fyziky and Treasure Troves of Physics!!!