Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

Protonentherapie

Onderwerp: Ioniserende straling, radioactiviteit, Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica, Menselijk lichaam (havo)

In deeltjesversnellers zoals cyclotrons versnelt men geladen deeltjes tot hoge energieën voor wetenschappelijke onderzoek. Dat dit niet de enige toepassing is, bewijst protonentherapie. Daarbij gebruikt men versnelde protonen om kanker te behandelen.

In je lichaam is er voortdurend celdeling. Door fouten in deze celdeling ontstaan er soms niet-functionele cellen. Meestal ruimt het afweersysteem deze ‘foute’ cellen op, maar soms werkt dat systeem niet goed. Dan kunnen deze cellen ongecontroleerd gaan delen en tussen het gezonde weefsel woekeren. Door opeenhoping van deze foute cellen ontstaat een tumor. Wanneer deze tumor kwaadaardig is, noemen we het kanker. Dit kan de omliggende organen schade toebrengen, mogelijk zo erg dat deze stoppen met functioneren.

Gelukkig kunnen we kanker steeds beter behandelen en genezen. Vandaag de dag geneest ruim de helft van de kankerpatiënten; de verschillen in genezingskans per type kanker en locatie in je lichaam zijn wel heel groot. Helaas zijn er nog steeds soorten kanker die een lage genezingskans hebben.

Er zijn drie behandelingen (of een combinatie van deze drie):

·         Een operatie om het kankerweefsel weg te halen;

·         Medicijnen (chemotherapie of immunotherapie) om de celgroei af te remmen of te stoppen;

·         Bestraling (nucleaire geneeskunde en radiotherapie) ook om de celgroei af te remmen of te stoppen.

In dit artikel gaan we verder in op bestraling, en dan vooral de natuurkunde ervan.

Bestraling

Bestraling gebeurt met ioniserende straling en heeft als effect dat het DNA van levende cellen beschadigd wordt. Bij gezond weefsel moet dat natuurlijk voorkomen worden, maar bij tumoren wil je deze eigenschap gebruiken om (afhankelijk van de mate van schade) de kwaadaardige cellen te doden of de deling ervan te stoppen.

Er zijn meerdere technieken om te bestralen. Als eerste is er de inwendige bestraling waar de nucleaire geneeskunde gebruik van maakt. De patiënt krijgt een radioactief gelabelde verbinding ingespoten die ‘op zoek gaat’ naar cellen met specifieke receptoren. Een bekend voorbeeld is het gebruik van radioactief jodium bij schildklierkanker en hyperactieve schildklier. De schildkier filtert het jodium uit het bloed en daardoor zal het radioactieve jodium in de schildklier terecht komen en daar de kankercellen bestralen.

Een andere vorm van bestraling is brachytherapie. Hierbij plaatst men radioactieve bronnen al dan niet tijdelijk dicht bij de tumor. Voordeel is dat de straling zeer nauwkeurig op de juiste plek (gelokaliseerd) wordt toegediend waardoor weinig omliggend weefsel zal beschadigen. Deze vorm van bestraling gebruikt men bij verschillende vormen van kanker, zoals huid-, prostaat-, of baarmoederhalskanker.

De vorm van bestraling die we hier verder beschrijven is de externe radiotherapie. Daarbij wordt hoog-energetische straling van buiten het lichaam gericht op de tumor. Hier zijn twee vormen van straling van belang, röntgenstraling (ook wel fotonstraling genoemd) en deeltjesstraling (protonenstraling).

  Gantry

Figuur 1. Hier zie je een versimpelde tekening van een zogenaamde gantry waarin een patiënt komt te liggen. De apparatuur voor bestraling wordt om de patiënt heen gedraaid om zo de tumor goed te kunnen bereiken. Bron Wikipedia.

Protonentherapie

De meest gebruikte vorm van ioniserende straling voor radiotherapie is röntgenstraling (van hetzelfde type dus waarmee ze foto’s maken als je bijvoorbeeld een been breekt). Dit type straling dringt ver het lichaam in en komt er ook deels weer uit. Dat betekent dat weefsel voor en na de tumor ook beschadigd raakt. Dit nadeel vermindert men door de tumor onder verschillende hoeken te bestralen zodat het omliggende weefsel minder belast wordt. Een andere manier om dit nadeel te verminderen is de straling toe de dienen in kleine porties, het gezonde weefsel zal zich beter herstellen dan tumorweefsel.

Het nadeel van bestraling van gezond weefsel is bij protonentherapie veel kleiner. De hoofdreden daarvoor zie je in de volgende grafiek:

  Braggcurves

Figuur 2. Doses van verschillende soorten bestraling uitgezet tegen de diepte van het weefsel. Roze is röntgenstraling, blauw en rood zijn protonenstraling. Bron Wikipedia.

De roze curve geeft de energieafdracht (dosis) van röntgenstraling per lengte-eenheid aan het weefsel weer, oftewel hoeveel energie de tumor opneemt. Deze opname moet zo hoog mogelijk zijn om de tumor te kunnen beschadigen. Te zien is dat röntgenstraling de meeste schade toebrengt in de eerste centimeters onder de huid, daar zie je immers een maximum. Voor tumoren die dieper in het lichaam zitten, bijvoorbeeld op 15 centimeter, betekent dit dat er meer schade wordt aangebracht aan het gezonde weefsel voor de tumor dan aan de kwaadaardige cellen in de tumor zelf. Bovendien bereik je hiermee ook weefsel achter de tumor dat hierdoor ook beschadigt.

De rode curve is de Braggcurve en geeft de kern van de protonentherapie weer. Daar zie je dat de dosis een piek (de Braggpiek) heeft op ruim 20 centimeter diepte. Protonen staan de meeste energie per lengte-eenheid af in het gebied van de piek. Als die piek in de tumor ligt, wordt de meeste schade toegebracht in de kwaadaardige tumor (en dat wil je), veel minder ervoor en niets erachter zodat het gezonde weefsel gespaard wordt. Dit is natuurlijk een belangrijk voordeel ten opzichte van bestraling met röntgenstraling.

De diepte waarop de piek van de curve zich bevindt, hangt af van de energie van de binnenkomende protonenbundel. Meestal worden bundels gebruikt met 70 tot 230 MeV. Ook de exacte samenstelling van het weefsel (spier, vet, bot) om de tumor bepaalt hoe diep de piek ligt.

Een andere manier om het verschil van foton- en protonentherapie inzichtelijk te maken zie je in onderstaand plaatje.

Figuur 3. Effect van röntgen- en protonenstraling op een bak met water. Bron: R.L. Slopsema, University of Florida Health Proton Therapy Institute (UFHPTI)

Figuur 3 demonstreert het effect van de twee soorten straling op een bak met water van 30 x 30 cm. De bestraling is van vier kanten en heeft een doelgebied van 10 x 10 cm. In de rechterkant zie je röntgenbestraling, in de groene grafiek kun je zien dat een groot deel van de stralingsenergie buiten de bak water terechtkomt. In de linkerkant zie je dat bij protonenbestraling de energie buiten de bak water flink lager is.

De Braggcurve is al in 1903 ontdekt door William Henry Bragg die in 1915 de Nobelprijs won (als enige ooit samen met zijn zoon). Niels Bohr heeft een formule afgeleid voor deze curve. Later werd rond 1930 een betere beschrijving gegeven door Hans Bethe, die het proces beschreef van de wisselwerking van geladen deeltjes met materie. Deze deeltjes verliezen hun energie voornamelijk door interactie met elektronen, oftewel door ionisatie van de aanwezige atomen. Deze wisselwerking die Bethe beschreef is een bijzonder ingewikkeld deel van de quantummechanica. Bethe leidde ook een formule af voor dat energieverlies, zoek maar eens op Google naar de Bethe-Bloch-formule dan zie je dat het geen eenvoudige uitdrukking is.

De aangepaste protonenstraling

De derde curve (de blauwe) in figuur 2 is van belang voor daadwerkelijke therapie. De Braggcurve zelf heeft een vrij smalle piek. Dat betekent dat protonen de meeste energie afstaan in een klein gebeid op een nauwkeurig bepaalde diepte in het lichaam. Dit gebied is vaak veel kleiner dan de tumor. Om nu toch de hele tumor te bereiken wordt 1) de bundel onder verschillende hoeken gericht en 2) de energie van de inkomende bundel aangepast. Bij een lagere energie van de inkomende bundel ligt de piek immers minder diep. De eenvoudigste manier om de energie van de inkomende bundel aan te passen is om de bundel door een dun plaatje materiaal (een zogenaamde range modulator) te laten gaan zodat de deeltjes al een beetje energie verliezen. Hoe meer energie de bundel al kwijtgeraakt is in deze modulator, hoe minder diep de Bragg-piek ligt. Door nu steeds afwisselende diktes te nemen ontstaat er een brede piek, de ‘spread-out Bragg peak’ of SOBP. In de grafiek is dat weer gegeven als aangepaste protonenstraling, daarmee kan men de hele tumor bereiken.

Het belangrijkste voordeel van bestraling met protonen is dus de scherp begrensde dosisafgifte. Hierdoor is de schade aan het omringde weefsel van de tumor minimaal.

Toepassing

Het principe van protonentherapie is al langer bekend, in 1946 was het Robert Wilson die de mogelijkheden ervan beschreef. De eerste behandeling was in 1954 in Berkeley (USA). In Europa zijn de eerste patiënten behandeld in 1957 in Uppsala (Zweden).

Maar pas aan het eind van de vorige eeuw heeft protonentherapie met de komst van nauwkeurige 3D-diagnostische technieken (zoals CT- en MRI-scans) meer toepassing gevonden. Voor een precieze bestraling is het namelijk nodig om 1) exact te weten waar de tumor zich bevindt en hoe groot die is en 2) te weten welk weefsel er om de tumor zit. Met diagnostische methoden als CT- en MRI-scans zijn deze twee factoren goed te bepalen zodat de arts een goed behandelplan kan maken.

Het is belangrijk om je hierbij te realiseren is dat deze 3D-technieken mogelijk zijn vanwege de enorme ontwikkeling in rekenkracht van computers. Voor het maken van precieze 3D-beelden ben je daarvan afhankelijk.

Door de smalle Braggpiek veroorzaakt de protonenbundel grote (gewenste!) schade in een heel nauwkeurig bepaald gebied. Maar dan moet je wel zeker zijn dat deze de schade aangericht in de tumor. Als je niet precies weet waar de randen van de tumor liggen of hoeveel energie de protonen al kwijt raken voordat ze de tumor bereiken, is het mogelijk dat je schade buiten de tumor aanricht in gezond weefsel. En dat moet natuurlijk voorkomen worden.

In Nederland zijn er sinds 2018 twee centra voor protonentherapie operationeel, in Delft en Groningen. Begin 2019 zal Maastricht ook deze therapie aanbieden, mogelijk zal Amsterdam dat later ook nog doen.

 

Veel dank gaat uit naar Sytze Brandenburg van KVI-CART in Groningen voor hulp bij het schrijven van dit artikel.