Promieniowanie jądrowe w medycynie
Autor:
Christiane Leclercq-Willain,
tłumaczenie:
Ludwik Dobrzyński
Dualizm korpuskularno-falowy
Mechanika kwantowa opiera się na idei "dualizmu korpuskularno-falowego". W roku 1923 Louis de Broglie zasugerował, że dualna natura fala-cząstka powinna mieć swój odpowiednik w dualnej naturze materii. W odpowiednich warunkach cząstki powinny wykazywać własności falowe (przy czym λ = h/p, gdzie p oznacza pęd cząstki). Wiedza o tej podstawowej własności jest niezbędna dla zrozumienia współczesnego wykorzystania w medycynie ciężkich cząstek np. do leczenia raka (patrz strona "Cząstki jądrowe i ciężkie jądra dla potrzeb terapii raka")
Długość fali a energia
Każdą postać promieniowania charakteryzuje długość fali λ lub równoważna jej energia E = hc/2πλ (gdzie hc jest stałą przyrody: h = stała Plancka = 6,626×10-27 erg .s, c = prędkość światła w próżni = 2,9979×1010 cm/s). Długość fal promieni X (elektromagnetyczne promieniowanie emitowane przez atomy) wynosi pomiędzy 0,1 nm a 100 nm; promienie γ (jądrowe promieniowanie elektromagnetyczne) mają długości fal pomiędzy 0,0001 nm a 0,1 nm, tak więc promieniowanie γ charakteryzuje większa energia (1 keV < E < kilka MeV (106 eV)).
Rad w szpitalach
Maria i Piotr Curie ofiarowali rad kilku szpitalom już w roku 1901. Wtedy (1903) już zorientowano się, że promieniowanie radu jest skuteczne w leczeniu chorób skóry, włączając raki skóry.
Słońce jest naszą najbliższą gwiazdą. Badania wysyłanego przezeń światła mogą nam wiele powiedzieć o życiu tej gwiazdy. Nadzwyczaj gorące gazy na widocznej powierzchni Słońca (fotosferze) wysyłają światło widzialne (patrz "Zjawisko tęczy" w poprzedniej lekcji), jak również promieniowanie podczerwone, którego nie możemy zobaczyć, ale które nasze ciało czuje, a także promieniowanie nadfioletowe, które może być niebezpieczne dla skóry. Średnia temperatura fotosfery wynosi około 2×106 °C
Choć światło słoneczne jest niezbędne i dobroczynne dla życia ziemskiego, nadmierna i niekontrolowana ekspozycja na to światło może być niebezpieczna!
W szczególności, w wyniku długotrwałej ekspozycji bez żadnej osłony ochronnej przeciw promieniowaniu ultrafioletowemu, może powstać złośliwy rak skóry - czerniak (melanoma).
Sztuczna promieniotwórczość (1934)
Irena i Frederic Joliot-Curie byli pierwszymi, którzy w roku 1933 wytworzyli w sztuczny sposób izotopy promieniotwórcze (wykorzystując cząstki α pochodzące z naturalnego izotopu promieniotwórczego do reakcji tych cząstek z jądrami aluminium). W wyniku reakcji powstawał promieniotwórczy fosfor o liczbie masowej 30, który rozpada się w drodze rozpadu β do krzemu-30:
α + 27Al → 30P + n,
30P jest jądrem nietrwałym ( 30P → 30Si + β + neutrino).
Pierwszy akcelerator (1932)
Pierwszy akcelerator (cyklotron) został zbudowany przez Ernesta O. Lawrence'a w Berkeley (Kalifornia, USA) w roku 1932. Jego brat, John Lawrence, był lekarzem, tak więc zastosowania medyczne i biologiczne fizyki jądrowej rozwijały się razem. Obaj wkrótce zorientowali się w bardzo istotnych możliwościach zastosowań izotopów promieniotwórczych w medycynie i biologii, a także izotopów i neutronów w leczeniu raków. Zaczęli więc wytwarzać izotopy promieniotwórcze dla tych potrzeb. Pierwszy europejski cyklotron powstał w College de France w Paryżu - zbudował go Fryderyk Joliot (1939).
Naturalnymi izotopami promieniotwórczymi są np. 238U (uran), 40K (potas), 232Th (tor) i jądra pochodne, jak 226Ra (rad), 222Rn (radon), 218Po (polon). Niektóre izotopy promieniotwórcze tworzone są w sposób ciągły w atmosferze ziemskiej dzięki promieniowaniu kosmicznemu. Do nich należą 14C (węgiel), 3H (tryt), 7Be (beryl).
Począwszy od roku 1933 otrzymano wiele izotopów promieniotwórczych. Otworzyło to pole do nowych zastosowań izotopów i doprowadziło do lepszego zrozumienia natury materii jądrowej i sił jądrowych.
Wzrastająca potrzeba posiadania izotopów promieniotwórczych dla celów medycznych jest zjawiskiem światowym, szczególnie zaznaczonym w krajach wysoko rozwiniętych. Od roku 1995. w USA zaobserwowano wykładniczy wzrost tego zapotrzebowania. Podobnego, niemal wykładniczego wzrostu należy spodziewać się w Europie.
G. de Hevesy, Nagroda Nobla z chemii, 1943
Odkrycie bardzo znaczącego narzędzia w badaniach biologicznych przypisuje się laureatowi Nagrody Nobla z chemii w roku 1932 - G. de Hevesy'emu. Był on pierwszym, który wykorzystał naturalny (później zaś - sztuczny) pierwiastek promieniotwórczy, jako znacznik do sprawdzenia drogi wędrówki pierwiastków trwałych w układach biologicznych. Zachowanie się niewielkiej ilości pierwiastków promieniotwórczych (mniejszej niz wykrywalna metodami chemicznymi) w organizmie ludzkim łatwo jest obserwować (co ma znaczenie dla diagnostyki medycznej). Dla potrzeb medycyny nuklearnej wytwarza się obecnie bardzo wiele substancji, przeznaczanych dla badań poszczególnych organów, zawierających znacznik promieniotwórczy.
W typowych badaniach prowadzonych przez medycynę nuklearną wprowadza się do ciała pacjenta radiofarmaceutyk, a promieniowanie γ emitowane przez znacznik promieniotwórczy rejestrowane jest przez odpowiednie detektory promieniowania. Technika ta nazywana jest tomografią emisyjną. Znacznik jest tak dobierany, aby selektywnie dostawał się do konkretnego organu, w rezultacie czego rejestrowane promieniowanie pozwalało na otrzymanie szczegółowego obrazu interesującego obszaru. Wytrenowane oko wychwyci na obrazie strukturalne bądź metaboliczne odchylenia od normy, to zaś pozwoli na postawienie lepszej diagnozy.
Zlokalizowanie guzów nowotworowych można uzyskać stosując technikę rejestracji promieniowania γ znaną pod nazwą Tomografii Emisyjnej Pojedynczych Fotonów (SPECT od ang. Single Photon Emission Computed Tomography), jak również korzystając z Tomografii Emisyjnej Pozytonów (PET od ang. Positron Emission Tomography), w której korzysta się z jąder emitujących pozyton (β+). Pozytony, anihilując z elektronami, wytwarzają promieniowanie γ o dużej energii. SPECT i PET są standardowymi technikami w diagnostyce nowotworów, jak również w badaniach działania mózgu.
Wśród pierwiastków promieniotwórczych jod (I) gra szczególną rolę, gdyż jest łatwo i selektywnie wchłaniany przez tarczycę. Pozwala to na wykorzystanie go w niewielkich dawkach dla celów diagnostycznych, a także może służyć do terapii raka tarczycy przez niszczenie go promieniowaniem jodu znajdującego się wewnątrz tarczycy. W takiej sytuacji jest stosunkowo łatwo dostosować dawkę terapeutyczną do rozmiaru guza. Jod 131I (promieniotwórczość β, γ o połówkowym okresie zaniku 8 dni) od ponad 50 lat jest wykorzystywany do badań czynności tarczycy.
Z kolei 99mTc (metastabilny stan wzbudzony technetu 99 o okresie połowicznego zaniku 6 godzin) jest także bardzo dobrym znacznikiem promieniotwórczym, wykorzystywanym do badań mózgu, wątroby, płuc itd. Rad i promieniotwórczy stront, jako izotopy promieniotwórcze, są wykorzystywane do badań struktur kostnych.
| Tlen 0-15 |
|---|
| aktywacja różnych obszarów mózgu |
| CBF (ang. cerebral blood flow) mózgowy przepływ krwi |
| CMRO2 (ang. cerebral metabolic rate of oxygen) mózgowy metabolizm tlenu |
| OEF (ang. oxygen extraction fraction) współczynnik ekstrakcji tlenu |
| Fluor F-18 |
| FDG - fluorodeoksyglukoza |
| F-DOPA - fluorodopa |
| Węgiel C-11 |
| RACLOPRIDE |
| FMZ - flumazenil |
| METHIONINE |
| Choroby, do badania których wykorzystuje się radioznaczniki |
|---|
| demencja |
| choroba Parkinsona |
| niedokrwienie mózgu |
| guzy mózgu |
| padaczka |
Elektron i pozyton
Elektron (β- lub elektron o ładunku ujemnym) oraz pozyton (β+ lub elektron o ładunku dodatnim) stanowią odpowiednio cząstkę i antycząstkę. Gdy β+ w spoczynku napotyka na β- (zderzenie materii z antymaterią) obie cząstki anihilują ze sobą, w wyniku czego, zgodnie z relacją Einsteina E=Mc2, powstaje energia w postaci promieniowania elektromagnetycznego γ ( β+ + β- → 2γ). Dwa powstałe kwanty γ rozbiegają się pod kątem 180°.
[Hospital Erasme-Bruksela]
[Hospital Erasme-Bruksela]
[Hospital Erasme-Bruksela]
Terapia przy użyciu protonów i ciężkich jonów
Do dnia dzisiejszego ponad 50000 pacjentów było leczonych przy użyciu wiązek protonowych. Najlepsze wyniki kliniczne uzyskuje się przede wszystkim w leczeniu raków oka. Ponadto, ze względu na możliwość dopasowywania rozkładu dawki do kształtu nowotworu, terapia protonowa jest idealna, gdy guz znajduje się w pobliżu organu krytycznego. Pozytywny wynik terapii protonowej potwierdza ogólną zasadę: im lepsze dopasowanie rozkładu dawki do kształtu guza, tym lepsze wyniki. Jest to również prawdziwe dla wiązek ciężkich jonów, dla których wspomniane dopasowanie jest jeszcze lepsze niż w przypadku protonów.
Terapia przy użyciu ciężkich jonów
Tego typu terapia rozpoczęła się w roku 1974 w Lawrence Berkeley Laboratory, USA. W początkach terapii korzystano z wiązek jonów argonu, później zaś z krzemu i neonu. Napromieniane guzy znajdowały się blisko organów krytycznych w mózgu, głowie lub szyi. Uzyskane wyniki były przekonujące i uzasadniły sens zbudowania dedykowanego medycznego akceleratora ciężkich jonów (HIMAC od ang. Heavy Ion Medical Accelerator) w Japonii. W HIMAC, począwszy od roku 1994, z terapii wiązkami ciężkich jonów węgla skorzystało około 1000 pacjentów. Terapia obejmowała raki głowy, szyi, płuc, wątroby, prostaty i innych organów. W roku 1997 poddano podobnej terapii pierwszych pacjentów w GSI w Darmstadt, Niemcy.
W terapii przy użyciu promieniowania jonizującego problemem jest zmaksymalizowanie dawki dostarczanej do guza bez szkody dla zdrowych tkanek. Zadanie to można wykonać tylko w ograniczonym stopniu, gdy stosujemy promieniowanie X lub γ, gdyż przy takiej terapii znaczna część dawki otrzymywana jest przez zdrową tkankę przed i za guzem nowotworowym.
Ostatnio znacznie zwiększono skuteczność terapii radiacyjnej dzięki zastosowaniu wysokoenergetycznego promieniowania korpuskularnego (p, ciężkie jony). Dla tego rodzaju promieniowania dawka wzrasta wraz z głębokością penetracji, osiągając maksimum na końcu drogi tego promieniowania. Terapia przy użyciu wiązek jonowych pozwala na dostarczanie do guza większych i bardziej efektywnych dawek niż jakakolwiek inna technika terapii z użyciem promieniowania z zewnątrz.
NMR-RMI
Pierwsze, stosowane w warunkach klinicznych aparaty MRI (zwane wówczas NMR od ang. Nuclear Magnetic Resonance - jądrowy rezonans magnetyczny) skonstruowano w latach 1980-ych. Wytwarzane w nich pole magnetyczne sięgało 1,5 T lub więcej. Technika ta szybko się rozwinęła i stała się jedną z ważnych technik pomiarowych w bardzo wielu problemach diagnostycznych. W roku 2003 Nagrodę Nobla z medycyny otrzymali Paul Lauterbur i Sir Peter Mansfield za ich prace i wkład w obrazowanie przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego.
Inną stosowaną techniką w diagnostyce medycznej jest obrazowanie przy pomocy rezonansu magnetycznego (MRI od ang. Magnetic Resonance Imaging). Wielką zaletą tej techniki jest fakt, że nie korzysta się w niej z promieniowania jonizującego. MRI pokazuje rozkład cząsteczek wody (H2O) w ciele ludzkim i sposób, w jaki poszczególne organy korzystają z wody. Pacjenta umieszcza się w polu magnetycznym (nie powoduje to żadnych uszkodzeń tkanek), a rejestrowane sygnały radiowe wskazują na obecność protonów (jąder wodoru) znajdujących się w cząsteczkach wody w ludzkich tkankach. Każdy proton zachowuje się jak maleńki magnes, który precesuje wokół przyłożonego pola magnetycznego i emituje fale radiowe. Analiza komputerowa sygnałów daje bardzo dobre obrazy dwuwymiarowe przekrojów przez ludzkie ciało.
Obrazowanie techniką MRI jest wykonywane najczęściej w przypadkach chorób mózgu, przypadkach ortopedycznych, w angiografii i obrazowaniu naczyń wieńcowych.
Ostatnio w medycynie znalazły zastosowanie spolaryzowane gazy szlachetne, a mianowicie 129Xe i 3He.
Uczeni amerykańscy otrzymali obrazy przestrzeni powietrznych w płucach myszy po wprowadzeniu do nich hiperspolaryzowanego 129Xe. W tym samym czasie w Europie rozwiązano problem produkcji dużych objętości 3He o wysokim stopniu polaryzacji oraz sposobów przetransportowania gazu w pojemniku magnetycznym do pacjenta. Po zainhalowaniu spolaryzowanego 3He można otrzymać wysokorozdzielcze w przestrzeni i czasie obrazy tomograficzne płuc metodą MRI, przy czym obrazowane są przestrzenie zawierające powietrze. Osiągnięcie to stworzyło możliwość ilościowych badań pacjentów z odmą płuc.
Najnowocześniejsze szpitale, w tym akademickie, stosują zarówno techniki MRI i PET, jak i wiele innych. W instytutach zajmujących się fizyką jądrową można też znaleźć grupy uczonych, których badania koncentrują się wokół szczególnych zastosowań medycznych.
Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje zachęcamy do obejrzenia takich laboratoriów fizyki jądrowej, jak: GSI (Niemcy), PSI (Szwajcaria), GANIL (Francja), HMI (Niemcy), LARN (Belgia), w których można zapoznać się z pracami dotyczącymi szczególnych technik wykorzystywanych w badaniach mózgu, oczu i zębów.
W porównaniu z innymi diagnostycznymi technikami obrazowania, jak rentgenowska, czy MRI, technika PET nastawiona jest raczej na obserwację funkcjonowania ciała niż na jego anatomicznych szczegółach. Z dynamicznego punktu widzenia, z techniką PET nie może dziś się równać żadna inna technika. Technika obrazowania pozwala na uzyskiwanie w różnych czasach ilościowej informacji o farmakokinetyce i farmakodynamice znaczonych biomolekuł wstrzykniętych (lub podanych drogą inhalacji) zwierzęciu lub człowiekowi. PET jest użyteczną techniką w badaniach metabolizmu (absorpcja cukrów, wbudowywanie się kwasów aminowych w białka, ...), reakcji enzymatycznych i oddziaływań molekularnych. SPECT, podobnie jak PET, zbiera informacje o koncentracji izotopów promieniotwórczych w ciele pacjenta. Obrazowanie przy pomocy techniki SPECT wymaga obracania zespołu detektorów fotonów wokół ciała, aby uzyskać informacje z różnych kierunków o rozkładzie i koncentracji izotopów promieniotwórczych w ciele.
Obrazowanie przy użyciu techniki SPECT jest mniej dokładne niż w technice PET. Dotyczy to zarówno osiągalnej zdolności rozdzielczej, jak czułości. Najlepsza obecnie osiągana przestrzenna zdolność rozdzielcza PET wynosi około 6mm i jest ona 2 do 3 razy lepsza niż w technice SPECT.
Ze względu na szybki rozpad promieniotwórczy, w zasadzie wszystkie izotopy stosowane w technice PET trzeba wytwarzać na miejscu (nie dotyczy to 18F, którego okres połowicznego zaniku wynosi 110 min.). W odróżnieniu od tej sytuacji, stosowane w technice SPECT izotopy, jak 123I, mają okres połowicznego zaniku wystarczająco długi (13,2 godz w wypadku podanego przykładu izotopu jodu), aby pozwalał na wytworzenie izotopu w odległym miejscu i dostarczeniu go przesyłką ekspresową. W technice SPECT korzysta się także i z innych izotopów, jak 201Tl, 67Ga, 111In.
Brachytherapia jest odmianą terapii radiacyjnej, w której materiał promieniotwórczy umiejscawiany jest blisko nowotworu. W zależności od energii promieniowania użytych izotopów, do guza można dostarczyć silną dawkę promieniowania, oszczędzając przy tym zdrowe tkanki. Brachyterapia jest techniką standardowo używaną w przypadkach raków ginekologicznych, a także pewnych etapach rozwoju raków głowy i szyi. W wypadku chorób prostaty stosuje się różne metody, zależne głównie od wybranego izotopu. 125I (o okresie połowicznego rozpadu 60 dni) i 103Pd (okres połowicznego zaniku17 dni) stosowane są w postaci stałych implantów. Izotop 103Pd można wyprodukować przez wychwyt neutronów w reaktorze jądrowym, ale tu jednak korzystniejsze jest wyprodukowanie go przy użyciu cyklotronu (w reakcji z protonami o energii 14 MeV). Izotop ten był jak dotąd używany z sukcesem do brachyterapii prostaty, a dane kliniczne z USA obejmują okres 10 lat. Ten sukces kliniczny oraz brak efektów ubocznych spowodowaly, że 103Pd jest dziś izotopem często stosowanym w terapii.
Źródła
- Cent ans après: La radioactivité, le rayonnement d’une découverte. , Wyd. : R.Bimbot, A. Bonnin, R. Deloche i C. Lapeyre, EDP Sciences, 1999
- Hadrons for Health . (Physics in Medicine and Biology) - Guide to the exhibition- Wyd.: W. Kienzle and A. Pascolini, CERN-Geneva (1996)
- Life- Le monde des sciences La matière, Time Inc. 1965
- The rainbow bridge , Raymond L. Lee i Alistair B. Fraser, Pensylvania State University Press, University Park, PA 16802-1003
- Nucleus: a trip into the heart of matter , R. Mackintosh, J. Al-Khalili, B. Jonson and T. Peña, Canopus Publishing Company 2001
- Clefs CEA N°48 (2003)
- NuPECC June 2002: Nuclear Science in Europe: Impact, Applications, Interactions, Contract C E C N° HPRI-CT-1999-40004
- The Eurisol report, December 2003, EC Contract HPRI-CT-1999-50001
- Dr Th. Metens, Unité de résonance magnétique, Hôpital Universitaire Erasme, Bruxelles
- Dr med. S. Goldman, Service des isotopes et Pet-Scan, Hôpital Universitaire Erasme, Bruxelles
Podziękowania
Niniejszym wyrażam podziękowanie wydawcom publikacji, na które sie powołuję, jak również wszystkim autorom, którzy przyczynili się do powstania tych publikacji dzięki pracom badawczym w dziedzinie zastosowań metod jądrowych w medycynie.
Chciałabym szczególnie podziękować Th. Metensowi i doktorowi S.Goldmanowi z Academic Hospital Erasme w Brukseli.
Christiane Leclercq-Willain jest profesorem w Wolnym Uniwersytecie w Brukseli w Belgii (Free University of Brussels-ULB), Wydział Fizyki Jądrowej i Teoretycznej. Na Wydziale tym pełni funkcję Dyrektora Jądrowej Fizyki Teoretycznej i Fizyki Matematycznej. Prowadzi badania z zakresu spektroskopii jądrowej i reakcji jądrowych: ciężkich jonów, zjawisk interferencyjnych, jąder egzotycznych (halo), struktury nadsubtelnej, syntezy katalizowanej mionami. Interesuje się problemami szerzenia w społeczeństwie wiedzy z zakresu fizyki jądrowej i jej zastosowań.