Hadron terapie je metoda radiační terapie pro léčbu rakoviny . Umožňuje léčit radioresistentní , neoperovatelné rakoviny ve fázi lokoregionálního vývoje . Konvenční radioterapie v zásadě využívá rentgenové záření, zatímco hadronterapie těží z výhod paprsku částic: hadronů , zejména protonů ( protonová terapie ) a uhlíkových iontů ( karboterapie ). Cílem této inovativní techniky je zlepšit ozařování nádorových buněk při zachování zdravých tkání a orgánů.
Objev rentgenových paprsků , který získal první Nobelovu cenu za fyziku pro Němce Wilhelma Röntgena v roce 1895, připravil půdu pro moderní lékařskou fyziku poskytnutím zobrazovacích technik. O rok později francouzský fyzik Henri Becquerel zdůrazňuje existenci gama záření. V té době byly účinky tohoto záření na zdraví velmi špatně pochopeny, ale aplikace pro léčbu rakoviny předvídal francouzský lékař Victor Despeignes , který poprvé v roce 1896 léčil pacienta trpícího rakovinou žaludku Rentgenové záření. Zrodila se takzvaná konvenční radioterapie .
Následně se vyvinul díky práci Marie Curie, která objevila dva intenzivní radioaktivní zdroje, radium a polonium . Tyto zdroje umožňují získat intenzivnější rentgenové a gama záření, což umožňuje vytvářet účinnější radioterapeutické techniky. Prostřednictvím jeho iniciativy a iniciativy profesora Émile Rouxe byl Radium Institute vytvořen v roce 1914 spojením laboratoře fyziky a chemie pod vedením Marie Curie a laboratoře Pasteur se specializací na radioterapii pod vedením Claudia Regauda , lékaře považován za jednoho z prvních radioterapeutů.
Současně anglický fyzik William Henry Bragg v roce 1903 předvedl křivku představující vývoj ztráty energie alfa částic během jejich cesty hmotou. Tato křivka je dnes známá pod názvem Braggova špička . Je široce používán v hadronterapii, zejména pro předterapeutické dozimetrické simulace za účelem optimalizace kvality léčby.
Právě s příchodem prvních urychlovačů částic ve 20. letech se objevila možnost léčby rakovinných buněk elektrony, ale také těžšími částicemi, jako jsou protony nebo těžší ionty. Bylo to v roce 1946, kdy Robert R. Wilson jako první navrhl použití protonových paprsků k léčbě rakoviny, a tak v roce 1954 pod vedením fyzika Ernesta O. Lawrencea , nositele Nobelovy ceny za fyziku 1939 a jeho bratra lékaře John H. Lawrence, že laboratorní cyklotron Berkeley byl použit k léčbě prvního pacienta protonovou terapií . Myšlenka fyziků rychle vytvořila myšlenku použití těžších iontů, nazývaných také hadrony , a v roce 1957 laboratoř Berkeley použila paprsky světelných iontů ( hélium , neon atd.) K léčbě pacientů, pak paprsky uhlíkových iontů z roku 1975 Tito průkopníci hadronterapie však ve skutečnosti následovali podrobnější výzkum až o dvacet let později.
Před rokem 2000 asi dvacet center otevřelo dveře protonové terapii a pouze tři experimentovaly s léčbou iontovým paprskem. Teprve v roce 1994 bylo v japonském Chiba postaveno první centrum zcela navržené pro zpracování uhlíkových iontů. HIMAC ( Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) je stále v provozu a od svého otevření uvítal více než 7 000 pacientů.
Od roku 2000 se po celém světě otevřelo více než 30 center protonové terapie a pravidelně ošetřuje lidi. Výskyt hadronterapie využívající ionty uhlíku se stal kvůli technologické složitosti plachější. Ve skutečnosti bylo od roku 1995 postaveno pouze 6 center. Od roku 2010 a od otevření center zcela věnovaných péči však technika hadronterapie v Japonsku dospěla a vyvíjí se v Evropě.
Díky svému elektrickému náboji mohou lehké ionty (částice nazývané také hadrony, protože jsou tvořeny neutrony a protony) získávat energii v urychlovačích částic a být vedeny přesnými paprsky. Poté je lze považovat za střely s určitou energií. Při výstupu z urychlovačů částice interagují se svým prostředím díky různým typům interakcí:
Nabité částice ukládají energii do média, kterým procházejí. Tuto depozici energie na jednotku délky popsal Hans Bethe , nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1967, díky rušivému vývoji v kvantové mechanice, který dal vzniknout vzorci Bethe a Bloch :
kde je klasický poloměr elektronu, je hmotnost elektronu, je Avogadro číslo, je energie první ionizace, je atomové číslo absorbujícího materiálu, je počet nukleonů absorbujícího materiálu, je hustota absorpčního materiálu je náboj dopadající částice , je rychlost dopadající částice je rychlost světla, je energie maximálního přenosu při jedné srážce.
Braggovy vrcholy se však snáze používají, aby bylo možné lépe vizualizovat ukládání energie v médiu. Zatímco se křivky energetické depozice fotonů a elektronů mění jen málo jako funkce vzdálenosti, pozoruje se, že Braggův vrchol hadronů skutečně tvoří skutečný vrchol, ionty proto ukládají velké množství energie na velmi krátkou vzdálenost před se úplně zastaví.
Balistické vlastnosti světelných iontů mají v hadronterapii prvořadý význam, protože umožňují léčbu nádoru s větší přesností než při konvenční radioterapii omezením poškození způsobeného na zdravých buňkách, což pro pacienta znamená méně nepříznivé účinky. .
Biologický přístupTato energie, přenášená následnými šoky částic v cílových tkáních, způsobuje excitaci a ionizaci média, jakož i poškození cílových buněk. Mluvit o přenosu energie částice / prostředí, fyzici používají vzorec Bethe a Bloch nebo Braggův vrchol, zatímco radiobiologové upřednostňují lineární přenos energie (LET), který je definován jako průměrná energie uložená na jednotku délky dráhy záření. Existují dvě kategorie záření:
Nabité částice mají vyšší LET než fotony kvůli větší depozici energie podél dráhy. To ovlivňuje relativní biologickou účinnost (RBE), když roste LET, roste také RBE, nabité částice proto mají efekt na buňky účinnější než fotony X nebo gama. RBE se však začíná snižovat z prahové hodnoty LET (přibližně 100 keV μm −1 ), protože energie je větší než energie potřebná ke zničení buněk. Není proto užitečné pokoušet se ozařovat buňky příliš vysokým LET, protože cílené buňky umírají z prahové hodnoty LET a za tímto se ozáření stává nebezpečným pro okolní zdravé buňky. Pro vysoké LET záření jsou události vyvolávající ztráty energie částic (ionizace, excitace) prostorově blíže a vzdálenost mezi dvěma událostmi dokonce dosahuje velikosti biomolekuly, což usnadňuje poškození. Energie uložená částicemi způsobuje poškození DNA a poškození na buněčné úrovni a způsobuje smrt ozářených buněk. Hadronterapie je tedy z biologického hlediska účinnější, a proto je v kontextu léčby rakoviny zajímavou volbou.
Terapeutický přístupExistuje několik způsobů léčby rakoviny, zejména chirurgie , radioterapie nebo dokonce chemoterapie . Tyto techniky se často doplňují a jsou předepisovány současně nebo postupně během léčby pacienta.
V souvislosti s určitými nádory se hadronterapie stává metodou volby. To je například případ léčby nádorů umístěných v mozku, když není možný chirurgický zákrok. Protože konvenční radioterapie je příliš invazivní, je nutné použít hadronterapii, která je mnohem přesnější a způsobuje menší poškození ozářených zdravých buněk kolem nádoru.
Potřeba aplikovat přesnou dávku záření, aby nedošlo ke zničení zdravého prostředí cílového orgánu, zahrnuje před léčbou řadu preventivních opatření. Lékařské zobrazování ( PET , CT-PET atd.) Umožňuje získat trojrozměrný obraz nádoru pro počítačové simulace za účelem stanovení optimální dávky záření, které má být pacientovi podáno.
Protonová terapie: používá se zejména k léčbě očních nádorů. Má také výhody při léčbě určitých dětských nádorů.
Carbonethérapie : je speciálně určen pro léčbu definovaného a omezenou skupinu nádorů. Jedná se o neoperovatelné nebo neúplně resekovatelné a zvláště radioresistentní nádory lokalizované v kontextu zdravých radiosenzitivních tkání. Tyto okolnosti omezují účinnost konvenčních radioterapií, včetně konformační fotonové terapie s modulací intenzity a protonové terapie, protože u pokročilých radioterapeutických technik, jako je dynamická arteterapie, tomoterapie nebo Cyberknife , ztrácejí své balistické kvality, jakmile cíl překročí 5 až 6 cm v průměrném průměru.
Hlavní výhody oproti konvenční radioterapii jsou:
Tyto výhody na oplátku vyžadují účinnější kontrolu výstřelu, jinak by došlo k vážnějšímu poškození periferních buněk, než by tomu bylo u konvenčních řešení. Jsou vyvíjeny nebo studovány prostředky pro řízení střelby, zejména s projektem gama kamer, který by měl umožňovat on-line a v reálném čase kontrolu dávky uložené během léčby.
Aby bylo možné pacientům podat optimální dávku, je nutné stanovit plán léčby pro hadronterapii stejně jako pro jakoukoli jinou radioterapeutickou techniku. Průběh léčby se skládá ze 4 hlavních fází vyžadujících zásah radioterapeuta, lékaře, dozimetrie a techniků manipulátoru:
Lékařské zobrazování je nezbytné pro definování velikosti a tvaru nádoru, přičemž tato informace je užitečná pro přesnou znalost ozařovaného objemu a také směru, kterým musí paprsek zabránit ozařování orgánů. Nejčastěji používanými 2D a 3D zobrazovacími technikami jsou CT, pozitronová emisní tomografie (PET) a magnetická rezonance (MRI). Díky získaným snímkům je možné naplánovat ošetření.
Jakmile jsou snímky získány, lékař určí objem (oblast (oblasti) nádoru), která musí být ošetřena. Z technických a preventivních důvodů je nutné neopravovat ozařovací zónu na surový nádor, je rovněž nutné vzít v úvahu několik parametrů, jako jsou technické okraje nebo tkáně představující riziko vzniku rakoviny. Oblasti, které je třeba definovat pro zpracování, jsou následující:
Jakmile tyto objemy určí lékař, provádí počítačové modelování a simulace dozimetristou pod kontrolou lékařského fyzika. Léčba nádoru obvykle vyžaduje superpozici paprsku s různým výskytem. To je také tehdy, když je nastaven počet ošetření. Na konci této práce zaměřené na optimalizaci distribuce dávky je získáno plánování léčby.
Léčba spočívá v dodržování léčebného plánu. Probíhá v několika relacích po 10 až 30 minutách. Při každém sezení je pacient imobilizován na ošetřovacím stole a poté přesně umístěn pomocí zobrazovacího systému. Samotné ozáření obvykle trvá jen několik minut a je zcela bezbolestné. Dávka dodávaná pacientovi je řízena v reálném čase technickými prostředky nezávislými na stroji. U většiny pacientů léčba nevyžaduje hospitalizaci.
Po léčbě je pacient sledován onkologem, který ho léčil. Krátkodobě je cílem zkontrolovat, zda nedochází ke komplikacím po léčbě a zda je nádor v remisi. Z dlouhodobějšího hlediska je cílem sledovat zdraví pacienta.
Protonová terapie se používá hlavně proti rakovině v blízkosti optických drah a také v oblasti krku, v blízkosti míchy. V některých případech je protonová terapie užitečná pro léčbu rakoviny prostaty.
Existují různé typy urychlovačů částic pro lékařské použití, nejběžnější jsou lineární urychlovače používané v radioterapii. Cyklotron se používá především pro protonovou terapii, neboť urychluje protony na energetické ideální pro léčení nádorů. V posledních letech se objevily nové stroje založené na principu synchrocyklotronu vybaveného supravodivou cívkou.
Příjmení | Město | Země |
---|---|---|
MGH Francis H. Burr Proton Therapy Center | Boston | Spojené státy |
Paul Scherrer Institute | Villigen | švýcarský |
ISL | Berlín | Německo |
Rinecker Proton Therapy Center | Mnichov | Německo |
Proton Medical Research Center - University of Tsukuba | Tsukuba | Japonsko |
Protonové terapeutické centrum Institut Curie | Orsay | Francie |
Centrum Antoine-Lacassagne | Pěkný | Francie |
Proton Therapy Institute - University of Florida | Jacksonville | Spojené státy |
ProCure Proton Therapy Center '' - Oklahoma City | Město Oklahoma | Spojené státy |
Roberts Proton Therapy Center | Philadelphie | Spojené státy |
Westdeutschen Protonentherapiezentrum | Essen | Německo |
Terapeutické centrum Wanjie Proton | Zibo | Čína |
Hampton University Proton Therapy Institute | Hampton | Spojené státy |
V roce 1937 zahájil Frédéric Joliot-Curie projekt výstavby prvního cyklotronu ve Francii a v padesátých letech minulého století byla v místě Orsay zřízena laboratoř jaderné fyziky a chemie Collège de France a tam byl cyklotron přepravován. V roce 1958 získala laboratoř synchrocyklotron, účinnější než předchozí cyklotron, aby mohl provádět nový výzkum v oblasti jaderné fyziky. Urychlovač pak zastaral vzhledem nových, výkonnějších zařízení, ale v 80. letech bylo rozhodnuto recyklovat synchrocyklotron za účelem provedení protonové terapie.
CPO byl slavnostně otevřen v roce 1991 s nadějí na léčbu pacientů s maligním melanomem cévnatky. vZáří 1991, provádí první oftalmologické ošetření a Prosince 1993centrum provádí první intrakraniální léčbu. vlistopadu 2005je nastaveno rychlé střídání umožňující přepnutí protonového paprsku z jedné ošetřovací místnosti na druhou za méně než 2 minuty. vKvěten 2006Centrum provádí první pediatrickou léčbu a specializuje se na léčbu rakoviny u malých dětí. Dnes synchrocyklotron používaný v Orsay Proton Therapy Center (CPO) poskytuje protonům maximální energii 230 MeV, čímž optimalizuje RBE potřebný k ozáření rakovinných buněk. Centrum je vybaveno třemi ošetřovacími místnostmi, které reagují na žádost o rychlejší ošetření. Budoucí implementace isocentrického ramene umožňující orientaci protonového paprsku kolem pacienta umožní nejprve léčbu nádorů, které dříve nebyly dosažitelné, ale kromě snížení ozářeného objemu zdravé tkáně, což omezí komplikace po léčbě.
Od svého vzniku až do Prosinec 2012, CPO obdrželo 5 949 pacientů, z nichž 4 748 bylo léčeno pro oční nádor. Je stále v provozu a hodlá vylepšit svou strukturu, aby byla léčba ještě efektivnější.
Uhlíkové ionty se používají specificky pro léčbu definované a omezené skupiny nádorů. Jedná se o neoperovatelné nebo neúplně resekovatelné a zvláště radioresistentní nádory lokalizované v kontextu zdravých radiosenzitivních tkání. Tyto okolnosti omezují účinnost konvenčních radioterapií, včetně fotonové terapie modulované konformační intenzitou a protonové terapie . Pokud jde o pokročilé techniky fotonové terapie, jako je dynamická arteterapie, tomoterapie nebo Cyberknife, ztrácejí své balistické kvality, jakmile cíl přesáhne průměrný průměr 5 až 6 cm .
Příjmení | Město | Země | Umístění | Komentář |
---|---|---|---|---|
Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (Výzkumné centrum těžkých iontů) | Darmstadt | Německo | 49 ° 55 ′ 54,71 ″ severní šířky, 8 ° 40 ′ 46,2 ″ východní délky | Aktivita péče převedena na HIT |
Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (de) (HIT) | Heidelberg | Německo | 49 ° 24 ′ 58,87 ″ severní šířky, 8 ° 40 ′ 02,02 ″ východní délky | Provozní |
Lékařský akcelerátor těžkých iontů ( HIMAC (ja) ) | Čiba | Japonsko | 35 ° 38 ′ 09,84 ″ severní šířky, 140 ° 06 ′ 13,62 ″ východní délky | Provozní |
Hyogo Ion Beam Medical Center (兵 庫 県 立 粒子 線 医療 セ ン タ ー (ja) ) | Hyogo | Japonsko | 34 ° 56 ′ 48,17 ″ severní šířky, 134 ° 25 ′ 49,54 ″ východní délky | Provozní |
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica | Pavia | Itálie | 45 ° 11 ′ 57,61 ″ severní šířky, 9 ° 08 ′ 26,03 ″ východní délky | Provozní |
Prostor pro onkologickou léčbu světelnými ionty v evropském rámci | Lyon | Francie | 45 ° 44 ′ 20,26 ″ severní šířky, 4 ° 53 ′ 22,47 ″ východní délky | Pozastavený projekt |
Advanced Resource Center pro HADronterapii v Evropě | Caen | Francie | 49 ° 10 ′ 59 ″ severní šířky, 0 ° 22 ′ 10 ″ západní délky | Projekt, otevření centra protonové terapie 2017 |
Projekt rakouského centra iontové terapie a výzkumu rakoviny | Wiener Neustadt | Rakousko | 47 ° 49 ′ severní šířky, 16 ° 14 ′ východní délky | Ve výstavbě, otevření v roce 2015 |
Heavy-Ion Medical Center | Gunma | Japonsko | Provozní | |
Lékařský urychlovač těžkých iontů | Tosu | Japonsko | Provozní | |
Kanagawa Cancer Center (cs) | Jokohama | Japonsko | Ve výstavbě, otevření v roce 2015 |
Nadace CNAO ( Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica ) byla vytvořena v roce 2001 s cílem vybudovat lékařský synchrotron, který bude používán k léčbě nádorů ionty uhlíku. V letech 2002 až 2004 je plánována výstavba centra a práce budou trvat 7 let, v letech 2005 až 2012. Synchrotron má průměr 25 metrů, tj. Obvod 80 metrů. Protony mohou získat maximální energii 250 MeV, zatímco uhlíkové ionty lze zrychlit na energii 480 MeV. Centrum se skládá ze tří ošetřovacích místností, dvě mají horizontální paprsek, zatímco třetí je připojen ke dvěma výstupům synchrotronu tak, aby měl horizontální a vertikální částicový paprsek.
První pacient je přijat v listopadu 2012 a v Prosinec 2012centrum bude léčit 42 pacientů s očními nádory s protony a 3 pacienty s ionty uhlíku. Centrum právě otevřelo své brány, statistiky jsou nízké, ale za dva měsíce již bylo ošetřeno více než čtyřicet pacientů.
Výsledky klinických studií lze shrnout:
v Březen 2013, celkem 108 238 pacientů s rakovinou bylo léčeno hadronterapií, včetně 2 054 iontů helia , 1100 iontů pionů, 10 746 iontů uhlíku, 93 895 protonů a 433 jiných typů iontů.
Lékařské údaje publikované ve vědecké literatuře uvádějí „pokročilé“ studie fáze I / II , fáze II hodnotící účinnost léčby, dlouhodobé observační studie a kohortní studie. Tyto údaje ukazují nadřazenost 20 až 25% karboterapeutických ošetření s dobrou tolerancí k léčbě, nízkou toxicitou a téměř nulovou mírou rakoviny vyvolané zářením. Japonci navíc začínají zveřejňovat velmi slibné výsledky u patologií spadajících do prospektivních indikací, jako jsou sarkomy dělohy, bronchiální karcinomy a resekovatelné karcinomy pankreatu, u kterých je míra přežití bez relapsu 42% po 5 letech (tj. zdvojnásobení nejlepších současných výsledků), aniž by byly pozorovány jakékoli závažné vedlejší účinky.
Výzkum v oblasti hadronterapie je aktivní na mezinárodní úrovni. Jeho cílem je prohloubit základní znalosti a vyvinout technologii pro zlepšení a rozšíření lékařských aplikací. Předměty výzkumu jsou rozmanité a doplňkové, lze je shrnout do 4 hlavních témat:
V CERNu byl proveden výzkum, který by umožňoval používat antiprotonové paprsky místo protonů nebo atomových jader. Tentokrát to je energie uvolněná anihilací mezi injikovanými antiprotony a protony přítomnými v cíli, která zničí nádor. Tato metoda by byla výhodnější než jiné terapie paprskem částic, protože je méně škodlivá pro zdravou tkáň. První výsledky jsou slibné, ale lékařské aplikace se neočekávají mnoho let.
Vývoj nanočástic ze zlata pro účinnější léčbu rakoviny je také ve fázi výzkumu. Tyto nanočástice zesilují poškození způsobené radiací řetězovou reakcí. To by umožnilo způsobit ekvivalentní poškození rakovinných buněk při současném snížení vstřikované radiační dávky, a tím snížit poškození způsobené zdravými buňkami.
Hadronterapie je také zajímavým polem pro vesmírné aplikace. Jakmile byli ve vesmíru, první astronauti občas viděli modré záblesky, aniž by skutečně pochopili jejich původ. Během léčby jsou oběťmi tohoto jevu také pacienti s nádory v blízkosti optických drah. Ukázalo se, že tento jev je způsoben Cerenkovovým efektem . Když částice překročí rychlost, kterou může světlo dosáhnout v oku, vydává fotony hlavně o vlnové délce odpovídající modrému světlu. Zdroj částic je v obou případech odlišný, pacient vidí záření ze svazku částic, zatímco astronauti vidí fotony z kosmických paprsků. Reakce pacientů jsou zajímavým zdrojem pro studium kosmických částic na zdraví, průmyslová odvětví a kosmické laboratoře se zajímají o reakce pacientů po ošetření k určení účinků záření na astronauty, a tedy k vybudování obrněných plavidel proti kosmickému záření.