Ακτίνες αντιπρωτονίων για θεραπευτικούς σκοπούς

Άρθρο, Ιούλιος 2005

Με τη βοήθεια των ακτινοβολιών οι διάφορες μορφές καρκινικών όγκων μπορούν να συρρικνωθούν ώστε τελικά ο ασθενής να θεραπευτεί. Και ο κύριος στόχος της θεραπείας με ακτινοβολίες είναι η καταστροφή όσο το δυνατόν περισσότερων καρκινικών κυττάρων με τη λιγότερη προσβολή των γύρω υγιών ιστών. Για ορισμένα είδη καρκίνου, όπως η νόσος Hodgkin και ο καρκίνος του λάρυγγα, η ακτινοθεραπεία αποτελεί τη βασική θεραπευτική επιλογή.

Επίσης, η ακτινοθεραπεία χρησιμοποιείται συμπληρωματικά στη χειρουργική θεραπεία μετά την αφαίρεση του όγκου για τον καθαρισμό της περιοχής από τα υπόλοιπα καρκινικά κύτταρα. Οι σημερινές μορφές ακτινοθεραπείας περιλαμβάνουν, τις ακτίνες Χ, τις ακτίνες γάμμα, το κοβάλτιο, την εκπομπή δέσμης ηλεκτρονίων και τη θεραπεία με πρωτόνια και νετρόνια, ενώ ορισμένα κέντρα χρησιμοποιούν ραδιενεργές εμφυτεύσεις, δηλαδή τοποθετούν ραδιενεργά υλικά πάνω στον όγκο ώστε να μη προκαλέσουν 6λά6η στα υπερκείμενα κύτταρα του σώματος. Επίσης, σε ερευνητικό στάδιο βρίσκεται η ραδιοανοσοθεραπεία, δηλαδή η χορήγηση στο αίμα ραδιενεργών ουσιών-ανιχνευτών που θα προσκολλώνται αποκλειστικά στα καρκινικά κύτταρα με σύνδεση αντιγόνου-αντισώματος (όπως τα αντισώματα που αντιμετωπίζουν τους ιούς).

Η βασική αρχή της ακτινοθεραπείας είναι η καταστροφή του DNA (γενετικό υλικό) των καρκινικών κυττάρων και η επακόλουθη αδυναμία πολλαπλασιασμού τους με αποτέλεσμα τον κυτταρικό θάνατο. Όμως η ακτινοβολία καταστρέφει και τα υγιή κύτταρα, αλλά επειδή τα καρκινικά αυξάνονται πιο γρήγορα είναι πιο ευάλωτα στην ακτινοβολία, ενώ τα φυσιολογίκά κύτταρα επιδιορθώνουν τις βλάβες σε σύντομο διάστημα. Για αυτό τον λόγο οι συνεδρίες ακτινοβολιών έχουν κάποια μεσοδιαστήματα προκείμενου να δώσουν τον χρόνο στα κύτταρα του οργανισμού να επανορθώσουν τις βλά8ες της ακτινοβολίας.

Οι παραδοσιακές ακτινοβολίες διαπερνούν μεγάλη ποσότητα ιστών πριν και μετά την περιοχή του όγκου και λόγω διασποράς των σωματιδίων προκαλούν σημαντικές βλάδες και σε άλλους ιστούς, ενώ εξασθενίζουν και τον οργανισμό. Η επανάσταση στην ακτινοθεραπεία συνέβη κατά τη δεκαετία του 1990 με τη χορήγηση πρωτονίων τα οποία έχουν μάζα και φορτίο, σε αντίθεση με τα φωτόνια (ακτίνες Χ και γάμμα). Το αποτέλεσμα είναι να μπορούν να σχηματίσουν μία ακριβή δέσμη - στο σχήμα του όγκου - και να ελαχιστοποιήσουν τη διασπορά σωματιδίων στα υγιή κύτταρα.

Η σύγχρονη επανάσταση στην ακτινοθεραπεία ξεκίνησε από τους φυσικούς του CERN στη Γενεύη (Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών), οι οποίοι δημιούργησαν μία συσκευή παραγωγής αντιπρωτονίων. Τα αντιπρωτόνια έχουν την ίδια μάζα με το πρωτόνιο, αλλά με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και αντίθετης κατεύθυνσης μαγνητική ροπή.

Τα αντιπρωτόνια δημιουργήθηκαν και αναγνωρίστηκαν το 1955 από τους Emilio Segre και Owen Chamberlain (ανακάλυψη για την οποία έλαβαν το Νόμπελ Φυσικής το 1959) βομβαρδίζοντας ένα στόχο από χαλκό με υψηλής ενεργείας πρωτόνια από τη συσκευή παραγωγής πρωτονίων (σύγχροτρο) στο Πανεπιστήμιο του Berkeiey στην Καλιφόρνια. Μπορεί μα είχαν προβλεφθεί από τη δεκαετία του 1930, αλλά η ανακάλυψη τους έπρεπε να περιμένει την τεχνολογία για την παραγωγή επιταχυντών σωματιδίων υψηλής ενεργείας της τάξης των 6 GeV. Ορισμένοι ερευνητές και χορηγοί αποφάσισαν να ασχοληθούν σοβαρά με την πρόταση ενός Έλληνα φυσικού, του Θ. Καλογερόπουλου, στη δεκαετία του 1980, σύμφωνα με την οποία μία δέσμη αντιπρωτονίων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του καρκίνου.

Υπολογισμοί για τη διεισδυτικότητα των αντιπρωτονίων στο ανθρώπινο σώμα. Τοπική παραγωγή θανατηφόρας ακτινοβολίας εντός του όγκου και απελευθέρωση σωματιδίων υψηλής ενέργειας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο με PET.

Παραγωγή αντιπρωτονίων σε επιταχυντές

Σήμερα υπάρχουν μόνο δύο εργαστήρια στον κόσμο που παράγουν δέσμη αντιπρωτονίων. To CERN στη Γενεύη και το εργαστήριο Fermitab στο Illinois των ΗΠΑ. Στο CERN, το οποίο άρχισε πρώτο τα πειράματα με τα αντιπρωτόνια το 1987. Οι εγκαταστάσεις με τις συσκευές επιτάχυνσης, επιβράδυνσης, συνάθροισης και ψύξης των αντιπρωτονίων έχουν μήκος λίγες εκατοντάδες μέτρα και μπορούν να παράγουν 10¹⁴ πρωτόνια.

Στο Fermilab, οι εγκαταστάσεις ξεπερνούν τα 3 χιλιόμετρα και η παραγωγή είναι μικρότερη, αλλά αυτό είναι το πρώτο εργαστήριο στον κόσμο που παρήγαγε πρωτόνια για τη θεραπεία του καρκίνου το 1954 ενώ μέχρι σήμερα περίπου 35.000 ασθενείς σε όλο τον κόσμο έχουν υποβληθεί στη θεραπεία, συνήθως για καρκίνους του αμφιβληστροειδούς. Βέβαια το κόστος παραγωγής είναι τεράστιο και έχουν δαπανηθεί αρκετά δισεκατομμύρια δολάρια για να παραχθούν - σε πειραματικό στάδίο - πρωτόνία με συνολική μάζα ένα δισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου.

Μία εταιρία ερευνών από τις ΗΠΑ που ονομάζεται Pbar κατάφερε να πείσει τους επιστήμονες στο CERN να ξεκινήσουν πειράματα με χορήγηση αντιπρωτονίων σε σωλήνες με κύτταρα χοιριδίου που ενσωματώνονται σε ανθρώπινο ιστό ώστε να εκτιμήσουν στην πράξη την αποτελεσματικότητα των αντιπρωτονίων. Τα πρώτα αποτελέσματα θα ανακοινωθούν στο τέλος του έτους και εάν κριθούν επιτυχημένα, θα δώσουν το έναυσμα για περισσότερη έρευνα σε αυτόν τον τομέα, με την προϋπόθεση ότι θα εξασφαλισθούν οι απαραίτητοι πόροι, καθώς εκτιμάται ότι μία πλήρης μονάδα αντιπρωτονίων κοστίζει περίπου 200 εκατομμύρια δολάρια.

Τα αντιπρωτόνια πρέπει να δημιουργηθούν από ενέργεια, βάσει της περίφημης εξίσωσης του Αϊνστάιν. Αυτή η ενεργεία προέρχεται από πρωτόνια που έχουν προηγουμένως επιταχυνθεί με ειδική συσκευή και συγκρούονται με πλάκα χαλκού. Η απότομη ανακοπή της πορείας τους απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας σε μικρό όγκο, προκαλώντας τη δημιουργία σωματιδίων ύλης-αντιύλης.

Σε μια σύγκρουση στο εκατομμύριο δημιουργείται ένα ζεύγος πρωτονίου-αντιπρωτονίου. Επειδή περίπου 10 τρισεκατομμύρια πρωτόνια καταλήγουν στον στόχο, τελικά παράγονται 10 εκατομμύρια αντιπρωτόνια, τα οποία δεν έχουν όλα την ίδια ενεργεία, ενώ ταυτόχρονα κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις. Με τη χρήση ειδικών μαγνητών εστίασης, τα αντιπρωτόνια κατευθύνονται σε ειδικό αγωγό κενού και περιφέρονται σε ένα δακτύλιο. Μόλις η διάμετρος της δέσμης μειωθεί αρκετά, ξεκινά η φάση της επιβράδυνσης. Αυτή είναι μία πολύπλοκη διαδικασία, επειδή όταν τα πρωτόνια επιβραδύνονται έχουν την τάση να εξαπλώνονται.

Οι επιστήμονες επιβραδύνουν τη δέσμη αντιπρωτονίων σε διαδοχικά βήματα. Αρχικά τα αντιπρωτόνια επιβραδύνονται με τη χρήση ηλεκτρικών πεδίων ραδιοσυχνότητας. Διπολικοί μαγνήτες διατηρούν τη δέσμη σε περιφορά μέσα στον δακτύλιο. Καθώς η δέσμη επιβραδύνεται, τίθεταί σε λειτουργία ένα σύστημα «ψύξης» με ηλεκτρόνια. Πιο συγκεκριμένα, ένα νέφος ηλεκτρονίων κινείται στην ίδια τροχιά με τα αντιπρωτόνια και τα ψύχει ακόμα περισσότερο. Αυτή η διαδικασία θυμίζεί την ανάμιξη θερμού και ψυχρού νερού που οδηγεί σε μία ενδιάμεση θερμοκρασία. Τελικά, όταν η ταχύτητα έχει μειωθεί στο 10% της ταχύτητας του φωτός, η δέσμη των αντιπρωτονίων αιχμαλωτίζεται από τους επιστήμονες. Η διάρκεια κάθε τέτοιου κύκλου είναι ένα λεπτό. Στη συνεχεία, ένας ισχυρός μαγνήτης προωθεί τα αντιπρωτόνια (περίπου 10 εκατομμύρια σε κάθε δέσμη) σε αγωγούς που καταλήγουν στη συσκευή εξόδου, έτοιμα να εκτοξευτούν στον τελικό στόχο με μεγάλη ακρίβεία.

Πως δρουν στον ανθρώπινο οργανισμό

Τα αντιπρωτόνια μόλις εισέλθουν στο σώμα κατευθύνονται προς τον όγκο και δεσμεύουν ένα πρωτόνιο από τα άτομα των κυττάρων. Η ένωση αυτή προκαλεί την εξαφάνιση (εξαΰλωση) των δυο σωματιδίων (πρωτόνιο-αντιπρωτόνιο) και την έκλυση ακτίνων γαμμα και άλλων σωματιδίων, όπως τα πιόνια. Το μεγαλύτερο μέρος από αυτά αποβάλλεταί από τον οργανισμό, αλλά το 2% απορροφάται από τον πυρήνα του ατόμου που προσέφερε το πρωτόνιο του στην ένωση με το αντιπρωτόνιο, με αποτέλεσμα την πρόκληση βλάδης στο DNA αυτού του κυττάρου.

Το κύτταρο προσπαθεί να επιδιορθώσει τη βλάβη με ειδικά ένζυμα, αλλά όταν αυτή είναι πολύ εκτεταμένη δεν είναι σε θέση να επαναφέρει το DNA στην αρχική του κατάσταση. Έτσι παύει η αναπαραγωγή και η παραγωγή ζωτικών πρωτεϊνών για την επιβίωση του κυττάρου και τελικά αυτό καταστρέφεται (απόπτωση).

Βέβαια, παρόμοιες επιπτώσεις υπάρχουν και στα περιβάλλοντα υγιή κύτταρα, με τη διαφορά ότι αυτά μπορούν και επιδιορθώνουν τη βλάβη πιο γρήγορα από τα καρκινικά (γιατί τα τελευταία πολλαπλασιάζονται ταχύτερα και είναι περισσότερο ευάλωτα στις αιφνίδιες μεταβολές του γενετικού υλικού), με αποτέλεσμα, με την πάροδο του χρόνου, να υπάρχουν περισσότερα υγιή κύτταρα και ελάχιστα καρκινικά στην περιοχή του όγκου. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με τη βλάβη από την παραχθείσα ακτινοβολία, σε τοπικό επίπεδο, προκαλεί συνολικά μεγαλύτερη βλάβη σε σχέση με αυτή που επιφέρουν τα πρωτόνια από μόνα τους.

Επίσης ένα βασικό πλεονέκτημα των αντιπρωτονίων, σε σχέση με τις ακτίνες Χ, είναι η κατευθυνόμενη κατανομή υψηλής δόσης ενέργειας στη συγκεκριμένη περιοχή του όγκου, με βάση τρισδιάστατους υπολογισμούς στον ηλεκτρονικό υπολογιστή.  Στις συμβατικές ακτινοθεραπείες χορηγείται μεγάλη δόση ακτινοβολίας η οποία κατανέμεται τόσο στον υγιή ιστό πάνω από τον όγκο όσο και στους ιστούς πίσω και κάτω από τον όγκο.

Τα αντιπρωτόνια, όπως όλα τα φορτισμένα σωματίδια, επιβραδύνονται καθώς κινούνται μέσω ενός υλικού, ως αποτέλεσμα των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Όσο πιο αργά κινούνται, τόσο ευκολότερα συνενώνονται με τα πρωτόνια που συναντούν στην πορεία τους. Αυτό σημαίνει ότι η υψηλότερη δόση ακτινοβολίας εμφανίζεται ακριβώς στο σημείο του σώματος στο οποίο παύει η πορεία των αντιπρωτονίων - η αποκαλούμενη αιχμή Bragg - ενώ η δόση στα υπόλοιπα σημεία είναι χαμηλότερη. Από την άλλη πλευρά, τα αντιπρωτόνια προωθούνται στο σώμα με ελεγχόμενες ταχύτητες και ανάλογα με το βάθος και το μέγεθος του όγκου, όπως αυτό υπολογίζεται με ηλεκτρονικούς υπολογιστές και αναλύσεις αξονικών τομογραφιών. Έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερος έλεγχος της χορηγηθείσας ακτινοβολίας και δεν επηρεάζονται σημαντικά οι περιβάλλοντες ιστοί. Η μεγίστη αλληλεπίδραση με τα πρωτόνια των κυττάρων-στόχων εμφανίζεται όταν τα αντιπρωτόνια πλησιάζουν τη στοχοθετημένη περιοχή τους. Κατά συνεπεία, η μεγίστη ενεργεία απελευθερώνεται μέσα στην περιοχή του όγκου. Ως αποτέλεσμα της κατευθυνόμενης εκπομπής αντιπρωτονίων, ο ακτινοθεραπευτής ογκολόγος μπορεί να αυξήσει τη δόση που χορηγείται στον όγκο μειώνοντας τη δόση στους υγιείς ιστούς.

Η συσκευή εκπομπής αντιπρωτονίων, η οποία πιθανότατα θα μοιάζει με τη συσκευή για τομογραφίες εκπομπής ποζιτρονίων (PET), μπορεί να περιστραφεί κατά 360 μοίρες ώστε να κατευθύνει την ακτίνα στην ακριβή γωνία που ορίζεται από τον θεραπευτή ιατρό. Το μεγαλύτερο μέρος της χαλύβδίνης συσκευής αποκρύπτεται από τους τοίχους και το δάπεδο του θαλάμου, ενώ ο ασθενής, ο οποίος τοποθετείται μέσα στον χαλύβδινο σκελετό, βλέπεί μόνο την πρόσοψη του ακροφυσίου εκπομπής αντιπρωτονίων. Κάθε συνεδρία διαρκεί από 20 έως 40 λεπτά. Ο περισσότερος χρόνος καταναλώνεται στην προσπάθεια ευθυγράμμισης του ασθενούς προκείμενου η ακτίνα πρωτονίων να στοχεύσει στην ακριβή θέση που έχει προκαθοριστεί. Η πραγματική διάρκεια εκπομπής αντιπρωτονίων διαρκεί περίπου ένα λεπτό.

Είναι γεγονός ότι η θεραπεία του καρκίνου με αντιπρωτόνια αποτελεί μία δελεαστική και συγχρόνως εντυπωσιακή πρόταση των επιστημόνων. Δεν μένει παρά να διαπιστώσουμε μέσα στα επόμενα 3 έως 4 χρόνια εάν η εφαρμογή τους στην κλινική πρακτική θα συμβάλλει στην αντιμετώπιση των όγκων μειώνοντας στο ελάχιστο τις παρενέργειες και αποτελώντας άλλο ένα όπλο στον αδιάκοπο αγώνα της επιστημονικής κοινότητας για τη θεραπεία της επάρατης νόσου.

Πηγή: Περισκόπιο της επιστήμης