Minunatele acceleratoare de particule: de la Big Bang şi extradimensiuni la... distrugerea tumorilor

Accelerator de particule: DAFNE de la institutul Laboratori Nazionali di Frascati  dell’INFN, Frascati (Roma) în Italia FOTO Arhivă personală

Hadroterapia foloseşte aparatură şi tehnologii care provin direct din laboratoarele de fizică în care se studiază secretele Universului şi demonstrează cum utilizarea acceleratoarelor de particule şi înţelegerea proceselor prin care radiaţia  interacţionează cu materia, în special cu ţesuturile vii, nu mai sunt apanajul exclusiv al fizicienilor. Ba dimpotrivă – o societate modernă le foloseşte pentru bunăstarea propriilor cetăţeni.

Conversând recent cu o prietenă pe Facebook  am ajuns să pomenesc despre „hadroterapie” – uimită, prietena mea m-a întrebat cum de am ajuns să fiu interesată în „medicina alternativă”.  Sper că nu şi-a imaginat că m-am apucat de vreo tehnică „şarlatanească”, cum se mai aude pe aici-pe-acolo! La care eu am fost şi mai uimita – şi am întrebat-o dacă ştie ce este hadroterapia. A mărturisit că nu are nici cea mai vagă idee – dar că numele ar fi fost potrivit pentru un tip (?) de medicină alternativă.
M-a pus pe gânduri acest mic episod şi m-a indus să vă povestesc despre această tehnică extrem de interesantă şi utilă, hadroterapia, care poată salva multe vieţi, reuşind să elimine anumite forme de cancer.
În cadrul acestei tehnici se folosesc acceleratoarele de particule. Acestea „ţintesc” cu fasciculele lor bolnavii de cancer -  nu pentru a-i ucide, ci pentru a-i vindeca. Fascicule de protoni sau ioni de carbon (atomi cărora le-au fost „smulşi” electronii), acceleraţi în cadrul unor acceleratoare dedicate, sunt folosite cu mult succes în tratamentul diverselor forme tumorale.
 
Metoda, denumită hadroterapie, foloseşte aparatură şi tehnologii care provin direct din laboratoarele de fizica nucleară si demonstrează cum utilizarea acceleratoarelor de particule şi înţelegerea proceselor prin care radiaţiile interacţionează cu materia, în special cu ţesuturile vii, nu mai sunt apanajul exclusiv al fizicienilor. Ba dimpotrivă – o societate modernă le foloseşte pentru bunăstarea propriilor cetăţeni.

Mulţi dintre noi am auzit deja despre minunatele acceleratoare de particule, în special despre cel de la CERN, Geneva (LHC), cu ajutorul cărora cercetătorii din întreaga lume caută să înţeleaga o serie de mistere fascinante ale fizicii moderne: de la originea masei (bononul Higgs), la natura materiei întunecată, de la asimetria dintre materie şi antimaterie, la posibila existenţă a extradimensiunilor.

Eu însămi lucrez în diverse experimente – despre care o să vă vorbesc în curand – la un accelerator de particule: DAFNE de la institutul Laboratori Nazionali di Frascati  dell’INFN, Frascati (Roma) în Italia. Frascati este locul unde a fost realizat primul collider de particule şi antiparticule în lume – ADA de care suntem foarte mândri, în anii  ’60 din secolul trecut.

Cum de s-a ajuns însă de la studiul particulelor şi a proprietăţilor acestora la ... tratamentul cancerului?

Ce este de fapt hadroterapia?

De cele mai multe ori în tratamentul tumorilor se foloseşte, pe lângă chirurgie şi chimioterapie, tratamentul cu diverse tipuri de radiaţii (radioterapie) pentru distrugerea celulelor canceroase. Sunt folosite radiaţii gamma (fotoni de energie inalta) care provin (de obicei) din dezintegrarea unei surse radioactive de cobalt 60 sau radiaţii beta (electroni). Această radiaţie distruge ţesutul afectat de cancer, însă are un mare dezavantaj: fotonii sau electronii folosiţi sunt absorbiţi pe tot parcursul lor către zona tumorală, afectând nu doar regiunea bolnavă, ci şi ţesuturile sănătoase. Este grav? Da – este! În cazul tumorilor localizate în zone vitale – cum ar fi creierul sau ochiul – această metodă poate avea, pe lângă eventualele efecte pozitive, şi efecte negative, care pot pune în pericol funcţionarea organelor respective şi chiar viaţa pacienţilor.

Ideea de a folosi în loc de fotoni sau electroni fasciculele de protoni, compuşi din cuarci (protonii fac parte din categoria hadronilor – particule care simt interacţiunea tare)  în tratamentul tumorilor a fost propusă deja în 1946 de către R.R. Wilson şi a fost pentru prima dată aplicată în 1954 la laboratorul de cercetare în fizica nucleară Lawrence Berkley National Laboratory (California, SUA). În Europa această metodă a fost aplicată pentru prima dată în Suedia, la Uppsala, în 1957 unde se utiliza un accelerator construit pentru cercetări fundamentale în fizică. De atunci tehnica s-a perfecţionat şi este aplicată cu succes în centrele de hadroterapie din întreaga lume.

De ce sa construim un accelerator pentru tratamentul cancerului, ce avantaje are hadroterapia?

Protonul, alcătuit din trei cuarci, este o particulă încărcată electric pozitiv, de circa 1836 de ori mai grea decât electronul, a cărei pierdere de energie la traversarea ţesutului viu poate fi controlată prin controlul energiei fasciculelor.

Ceea ce se întâmplă este următorul lucru: protonii acceleraţi la o anumita energie sunt direcţionaţi spre tumoare, intră în corpul pacientului pe care îl străbate dăunând foarte puţin ţesuturilor sănătoase; odată ajunşi la tumoare aceştia transferă ţesutului aproape întreaga lor energie dând naştere la procese care duc la distrugerea ADN-ului celulelor canceroase, împiedicând în acest fel multiplicarea acestora. Tesuturile sănătoase rămân practic neafectate de radiaţie, în timp ce cele bolnave sunt distruse. Cu cât energia fasciculului este mai mare, cu atât energia protonilor este cedată ţesuturilor mai profunde. Pentru tumorile superficiale se folosesc aşadar protoni cu energii mai mici decât cei utilizaţi în tratamentul tumorilor aflate în profunzimea organismului.

În graficul de mai jos va prezint modul diferit în care protonii cedează energia ţesutului viu, în comparaţie cu fotonii. Cu albastru este prezentată curba de transfer a energiei fotonilor – se vede clar că energia este transferată ţesutului viu pe tot parcursul; cu verde este prezentată energia transferată de protoni; se observă un maxim (o valoare de vârf) de transfer a energiei, care poate fi dirijat acolo unde se află tumoarea.

Pot fi folosiţi nu doar protoni, ci şi ioni de carbon – această metodă având anumite avantaje dar şi mici dezavantaje. Avantajul principal este ca se reuseşte eliminarea tumorilor extrem de mici – deci bine localizate, mai eficient decât cu protonii. Dezavantajul ar fi că interacţiunea ionilor de carbon cu tesutul, spre deosebire de cea a protonilor, dă naştere unei mici cantităţi de radiaţii în jurul ţesutului canceros, aceste radiaţii putând fi mai mult sau mai puţin periculoase – în functie de vârsta pacientilor (se studiază încă aplicarea acestei metode la copii) şi poziţia tesutului în organism.

Ce anume se întâmplă de fapt, cum este aplicată metoda? În lume unde se practică?

Protocolul de tratament prevede o faza iniţială de câteva zile de optimizare a energiei şi orientării fasciculelor în funcţie de tumoarea care trebuie tratată, după care sunt efectuate între 12 şi 16 şedinţe de câteva minute fiecare (numărul acestora variază, în funcţie de tumoarea de tratat).

Pentru aplicarea acestei metode de tratament este nevoie de un accelerator de particule, ceea ce face ca această metodă să fie mai costisitoare decât metodele care folosesc de exemplu fotonii (radiaţii X sau gamma) sau chemioterapia. Investiţia iniţiala pentru construirea unui centru de protonoterapie la ora actuala este în jur de 100-150 milioane de dolari. Din acest motiv, numărul de centre de hadroterapie este redus, acestea existând doar în ţările relativ “bogate”, iar numărul pacienţilor trataţi este relativ mic faţă de numărul celor care ar putea beneficia de această metodă. În Italia primul centru de hadroterapie, CNAO (langa Pavia) a intrat în funcţiune foarte recent (doar anul trecut).

Ce s-ar putea face în viitor?

Evident – partea cea mai importantă ar fi găsirea unor tehnologii de accelerare ale fasciculelor mai puţin costisitoare – astfel încât să se poate realiza centre de hadroterapie şi în ţările care nu îşi pot permite să plătească 100 de milioane de Euro pentru un asemenea centru.

Tinerii care sunt interesaţi în tehnologii noi ar putea avea un viitor în acest domeniu fascinant şi mai mult decat util societăţii!

În plus, la ora actuală metoda este aplicată cu succes doar pentru tratamentul anumitor forme tumorale (bine localizate), pentru viitor s-ar putea găsi noi metode de tratament care includ forme tumorale diverse.

Iată deci că hadroterapia nu numai că nu este o „medicină alternativă”, ci o „medicină modernă” – un domeniu în care fizicieni, biologi, ingineri din diverse domenii lucrează împreună pentru a învinge acest inamic care face ravagii: cancerul.

Cât despre noi, cercetătorii din domeniul particulelor, visăm pe de o parte la acceleratoare construite cu noi tehnologii care să permită obţinerea performanţelor de la LHC  într-un accelerator care încape pe...o masă (table-top accelerator), pe de alta la utilizarea cunoştinţelor noastre în cadrul societăţii, pentru a satisface nevoile acesteia. Evident că doar cunoscând „mecanismele intime” ale Naturii suntem capabili să le folosim.

Şi uite aşa există o legatură puternică între studiul extradimensiunilor şi a Universului, de la Big Bang la posibilul viitor al acestuia, şi modul în care ne ocupăm de necesităţile noastre de zi cu zi.