https://doi.org/10.15255/KUI.2006.009
Objavljen: Kem. Ind. 56 (12) (2007) 643–654
Referentni broj rada: KUI-09/2006
Tip rada: Pregledni rad
Preuzmi rad:  PDF

Fizika i kemija zračenja u terapiji raka teškim ionima

I. Krajcar Bronić i M. Kimura

Sažetak

Teški ioni, kao što su ioni ugljika i kisika, ubrajaju se u zračenje visokog linearnog prijenosa energije (LET) i prolaskom kroz tkivo stvaraju karakterističnu raspodjelu deponirane energije (doze) po dubini prodiranja koja se bitno razlikuje od raspodjele doze koju stvara zračenje niskog LET-a (γ-zrake, x-zrake, elektroni). Teški ioni gube manji dio energije pri ulasku u ozračeni biološki sustav, a zatim gube gotovo svu energiju u vrlo malom volumenu. Područje maksimalne deponirane energije naziva se Braggov vrh, koji ovisi o vrsti i energiji primijenjenog iona. Koristeći svojstvo Braggovog vrha, moguće je ozračiti samo područje tumora na nekoj dubini unutar tkiva, a istodobno izbjeći (štetno i nepotrebno) ozračenje okolnog zdravog tkiva. Postojanje Braggovog vrha nije jedina prednost teških iona pred zračenjem niskog LET-a – teški ioni naime pokazuju manji omjer pojačanja zbog prisustva kisika (OER) i veću relativnu biološku učinkovitost (RBE). Smatra se da je središnje područje dubinskog tumora slabo prokrvljeno te da je količina kisika u tom području stoga smanjena. Istraživanja su pokazala (slika 1) da je biološki učinak zračenja niskog LET-a znatno veći (OER = 3) u uvjetima dobre oksidacije tkiva, dok je razlika biološkog učinka zračenja visokog LET-a znatno manja (OER = 1,6, slika 1), pa su dakle teški ioni znatno učinkovitiji u uništavanju dubinskih slabo oksidiranih tumora. RBE je definiran kao omjer doze referentnog zračenja (x-zrake energije 200 keV) i doze danog zračenja potrebne za postizanje istog biološkog učinka. Viša vrijednost RBE znači da se manjom dozom postiže isti biološki učinak, te se tako postiže i bolji omjer korisnosti i rizika radioterapije. RBE ovisi o LET (slika 2), a za različite ione koji se primjenjuju u radioterapiji postiže maksimum na različitim vrijednostima LET-a. Slika 3 prikazuje raspodjelu deponirane energije po dubini u tkivu za protone i ugljikove ione kao primjer zračenja visokog LET-a. Karakterističan Braggov vrh postiže se na većim dubinama primjenom viših ionskih energija, a kombinacijom snopova iona bliskih, ali različitih energija može se postići prošireni Braggov vrh (SOBP), te se tako može jednoliko ozračiti cjelokupni volumen dubinskog tumora. Za usporedbu prikazana je i raspodjela doze po dubini za fotone, koja dosiže maksimum na maloj dubini ispod površine kože (zbog stvaranja sekundarnih elektrona), nakon čega slijedi gotovo eksponencijalni pad doze s dubinom. Omjer doze primljene u području tumora i doze izvan tumora znatno je manji nego u slučaju protona ili ugljikovih iona. Na osnovi tih činjenica može se zaključiti da je područje Braggovog vrha područje u kojem je učinak terapije tumora teškim ionima najveći. Za bolje planiranje tretmana i postizanje boljih kliničkih rezultata potrebno je stoga detaljno poznavanje fizikalnih i kemijskih procesa koji se odvijaju u tkivu nakon ozračenosti teškim ionima energije oko 300 MeV/amu. Nakon ulaska u tkivo takvi ioni gube kinetičku energiju u elastičnim sudarima s molekulama. Kad energija padne na nekoliko stotina keV, prevladavaju procesi elektronskog pobuđenja i ionizacije uzrokujući nagli gubitak velike količine energije, i to je područje Braggovog vrha. Kad je energija iona pala u područje keV ili čak eV, a to je područje pri kraju Braggovog vrha, događaju se i drugi procesi, kao prijenos naboja, rotacijska i vibracijska pobuđenja, uhvat elektrona, razna raspršenja. Molekularni ioni nastali u tim procesima, kao i neki drugi produkti reakcija, vrlo su često nestabilni i brzo se raspadaju. Fragmentacijom nastaju različiti radikali i ioni koji mogu imati dovoljno energije da prijeđu značajnu udaljenost od mjesta svog nastanka i na udaljenom mjestu reagiraju s biomolekulama i izazivaju oštećenja. Međutim, ne zna se mnogo o detaljima svih ovih nabrojanih procesa koji čine ukupnost djelovanja zračenja visokog LET-a u području Braggovog vrha, ali i neposredno iza njega. Posebno je potrebno istražiti ulogu radikala i iona koji su nastali međudjelovanjem zračenja i vode, koja čini značajnu komponentu svakog biološkog sustava, te njihovo djelovanje na DNA. Osnovni princip radioterapije je pronaći način da se predviđena doza preda području tkiva u kojem se nalazi tumor, dok je dozu u okolnom tkivu potrebno što više smanjiti. Slika 4 prikazuje vjerojatnosti kontrole tumora i komplikacija u zdravom tkivu u ovisnosti o dozi, te područje doza u kojem se postiže najbolji terapijski učinak bez komplikacija zdravog tkiva (terapijski prozor). Kako bi se ostvario najbolji mogući učinak radioterapije, potrebno je dakle poznavati i mjeriti dozu predanu tkivu, što je zadatak dozimetrije. Mjerenja se uglavnom zasnivanju na mjerenju elektrona koji nastaju međudjelovanjem svih vrsta zračenja i tvari. Nepouzdanost mjerenih doza ovisi o nepouzdanosti osnovnih fizičkih veličina, kao što su moć zaustavljanja i ukupni broj stvorenih elektrona. Broj elektrona najčešće se izražava pomoću veličine W, srednje energije potrebne za stvaranje ionskog para, koja se definira kao prosječna energija koju je upadna ionizirajuća čestica energije E utrošila na stvaranje jednog para elektron – pozitivni ion nakon što je čestica potpuno zaustavljena.Wovisi o vrsti i energiji zračenja te o ozračenoj tvari. Za čestice vrlo visokih energija, koje samo dio energije ostave u tkivu, koristi se diferencijalna srednja energija stvaranja ionskog para, w. Za dovoljno visoke energije vrijedi aproksimacija w =W. Dostupni podaci oWili w u literaturi su nažalost nepotpuni i nesustavni, što pogotovo vrijedi za teške ione. Većina podataka odnosi se na relativno niske energije, kao što pokazuje primjer W za ugljikove ione u raznim plinovima (slika 5). Vrijednosti w za ione viših energija prikazani su u tablici 1, a za usporedbu dane su i vrijednostiWza druge vrste ionizirajućeg zračenja. Za potrebe radioterapije potrebna su nova mjerenja W ili w za ione visokih energija u tkivu ili tkivu ekvivalentnim smjesama. Medicinska primjena ugljikovih iona u radioterapiji tumora počela je u Japanu i Njemačkoj 1994. godine i od tada je više od 2400 pacijenata podvrgnuto radioterapiji teškim ionima. Prvi klinički rezultati pokazuju veliku uspješnost u terapiji dubinski smještenih tumora, te je tako opravdana visoka cijena gradnje takvih terapijskih centara. Tablica 2 pokazuje usporedbu postotka preživjelih pacijenata podvrgnutih terapiji x-zrakama i teškim ionima godinu dana, dvije godine i pet godina nakon tretmana, a tablica 3 prikazuje postotak tumora pod kontrolom nakon radioterapije teškim ionima i konvencionalne terapije (x-zrake i kemoterapija). U većini slučajeva bolji rezultati postignuti su terapijom teškim ionima. Radioterapija teškim ionima, uglavnom ugljikovim, nastavlja se i u novim terapijskim centrima unatoč visokom ulaganju i nedostatnom poznavanju osnovnih kemijskih i bioloških procesa u tkivu ozračenom zračenjem visokog LET-a. Nova saznanja iz područja radijacijske fizike, kemije i biologije pomoći će u daljnjem poboljšanju planiranja terapije teškim ionima te time i u postizanju još boljih kliničkih rezultata.

Ovo djelo je dano na korištenje pod licencom Creative Commons Imenovanje 4.0 međunarodna

Ključne riječi

teški ioni, radioterapija, srednja energija stvaranja ionskog para (W), Braggov vrh, omjer pojačanja zbog prisustva kisika (OER), relativna biološka učinkovitost (RBE), radikali, međudjelovanje iona i biomolekula, dubinski tumor