PROMIENIOWANIE SYNCHROTRONOWE W BIOLOGII I MEDYCYNIE

J.B. Pełka: Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie /Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)genowskich lub źródeł jądrowych) naświetlanie guzów,przede wszystkim mózgu, jest szczególnie złożonym zagadnieniem.Stosowanie wysokich dawek promieniowaniakoniecznych dla zniszczenia guza skutkuje napromieniowaniemokolicznych zdrowych tkanek, co w konsekwencjidoprowadzić może do zaburzeń neurologicznych, w krańcowychprzypadkach do narażenia pacjenta na poważneinwalidztwo lub nawet na śmierć. Celem poprawy skutecznościradioterapii i ograniczenia jej skutków ubocznychopracowano szereg metod, z których najważniejsze polegająna zastosowaniu znacznika, najczęściej jodu lub gadolinu,w odpowiednich związkach specyficznie łączących sięze zmienioną nowotworowo tkanką [24]. Wzrost efektywnejdawki terapeutycznej następuje wskutek zwiększonejabsorpcji promieniowania przez cięższe atomy znacznika(skoncentrowanego w obrębie guza) i silnym wzbudzeniufotoelektronów, o niewielkim zasięgu, niszczących pobliskiekomórki rakowe bez naruszania sąsiednich zdrowychtkanek [25]. Przestrajalność źródła synchrotronowego pozwalałatwo dostosowywać energię fotonów do krawędziabsorpcji różnych pierwiastków stosowanych jako znaczniki.Bardzo obiecujące rezultaty przyniosło opracowanienowych metod radioterapii wykorzystujących silne wiązkisynchrotronowe. Należą do nich radioterapia mikrowiązkowaMRT i terapia aktywowana fotonami PAT. Wykazanodoświadczalnie, że metody te są szczególnie wydajnew terapii guzów umiejscowionych w centralnym układzienerwowym (CNS, Central Nervous System), a ich stosowanieobarczone jest względnie niskim ryzykiem powikłań.Metoda MRT polega na wykorzystaniu pęku mikrowiązekrentgenowskich uformowanych w postaci równoległych,jednakowej grubości i równoodległych, bardzocienkich “płaszczyzn” (o grubościach od kilkunastu doponad stu mikrometrów), między którymi nie ma promieniowania.Wykazano, że zdrowe tkanki, także tkankanerwowa, bardzo dobrze znoszą napromieniowanie takimukładem mikrowiązek, nawet bardzo wysokimi dawkamidochodzącymi do kilkuset Gy, w odróżnieniu od guzów,które ulegają selektywnie zniszczeniu, przy odpowiedniowysokich dawkach promieniowania.Chociaż mechanizmy leżące u podstaw efektu MRT sąjeszcze niezbyt dobrze poznane, w oczywisty sposób obejmująone procesy regeneracji sieci naczyniowej i układukomórek glejowych w uszkodzonej w obszarze mikrowiązekzdrowej (tzn. nienowotworowej) tkance. Procesy naprawczezdają się być ułatwione przez komórki śródbłonkai inne komórki wspomagające (ang. support cells) z nienaświetlonychobszarów pomiędzy poszczególnymi mikrowiązkami,które nie uległy uszkodzeniom radiacyjnym.Metodę MRT zaczęto rozwijać na początku lat 90. XXw., korzystając z silnego nadprzewodzącego wigglera nawiązce X17B synchrotronu NSLS (Brookhaven). Niedługopóźniej, w 1996 r. wprowadzono ją w ESRF (Grenoble),a następnie na SPring-8 (Hyogo). Najnowsze badaniawskazują, że efekt chroniący zdrowe tkanki jest znacznynawet wówczas, gdy wiązki osiągają rozmiary dochodzącedo 0.68 mm. Opracowano również zmodyfikowaną metodęMRT polegającą na zastosowaniu dwu zbieżnych układówmikrowiązek krzyżujących się i „zazębiających” na obszarzeguza w jedną nieposegmentowaną wiązkę promieniowania.Dzięki temu, otaczające zdrowe tkanki narażone sąna ekspozycję wyłącznie układem mikrowiązek. Dzisiejszystan zaawansowania metody MRT wskazuje, że osiągniętowystarczający postęp, by przejść wkrótce od fazy przedklinicznejdo synchrotronowej terapii guzów u ludzi [26].Metoda terapii aktywowanej fotonami PAT oparta jestna spostrzeżeniu, że skuteczność niszczenia tkanki przezzaabsorbowaną dawkę promieniowania może być zwiększonaprzez wprowadzenie do komórek guza substancjiznakującej, zawierającej cięższe pierwiastki i napromieniowaniego zmonochromatyzowaną wiązką o energiifotonów tuż powyżej krawędzi K pierwiastka znacznika.W ten sposób, poprzez wydajne wzbudzenie efektu fotoelektrycznegow atomach znacznika (o dużym Z), zlokalizowanychw pobliżu DNA komórek guza, dochodzi do emisjielektronów Augera o niskich energiach i niewielkim zasięgu.Elektrony te skutecznie niszczą obydwie nici łańcuchaDNA. Zdolność komórek do naprawy tego rodzaju zniszczeńjest znacznie mniejsza, niż w przypadku uszkodzeńtylko jednej nici łańcucha. Do najczęściej stosowanychw metodzie PAT znaczników należy cisplatyna, koordynacyjnyzwiązek platyny o własnościach cytostatycznych,stosowany w chemoterapii, który łatwo wnika do jądra komórkowego.Skuteczność metody wykazano również przyzastosowaniu jodu i innych substancji znakujących, którenie wiążą się z jądrem komórkowym.Testy przeprowadzone na szczurach chorych na glejaka,przeprowadzone w różnych wariantach skojarzonej chemoterapii,infuzji znacznika, oraz w funkcji wielkości dawkirentgenowskiej wykazały, że najlepsze skutki terapeutyczneosiągano wówczas, gdy cisplatynę wprowadzano w obrębguza bezpośrednio przed napromieniowaniem. W tymprzypadku częstość przeżycia była najwyższa spośródwszystkich innych obserwowanych w trakcie przedklinicznychtestów różnych terapii glejaka mózgu, obejmującychrównież metody klasyczne. Analiza uszkodzeń DNAi procesów naprawy na komórkach ludzkich inkubowanychcisplatyną wykazała, że zniszczenia radiacyjne zależą oddługości fali użytego promieniowania.Prowadzono także badania skojarzonej metodyMRT+PAT Stosując wiązki MRT, a jako znacznik cisplatynę,udało się całkowicie zniszczyć guzy mózgu u zwierzątdoświadczalnych (m. in. szczurów, królików i świń) bezzauważalnych ubocznych objawów neurologicznych.Należy podkreślić, że wymienione wyżej metody synchrotronowe,w przypadku niektórych postaci nowotworów,centralnego układu nerwowego (np. glejaka), są jedynąszansą skutecznej terapii. Przyczynia się to do zainteresowaniarozwojem stacji synchrotronowych do radioterapiii radiodiagnostyki mózgu. Do istniejących już w ośrodkachsynchrotronowych m. in. w Brookhaven (USA), Spring-8(Japonia), czy w ESRF (Grenoble) dołączą wkrótce nowozaprojektowane dla narodowych źródeł synchrotronowychbudowanych w Hiszpanii, Australii i Kanadzie. Rozwijanesą równolegle, zwłaszcza w Japonii i USA, projekty studial-