Fot. Dr inż. Marek Maryański, źródło: PG

Mają w tym pomóc fantomy żelowe, które umożliwią zwiększenie precyzji dawkowania oraz „celowania” terapeutycznego promieniowania w odpowiednie obszary ciała pacjenta – tak, aby maksymalnie oszczędzić tkanki zdrowe oraz organy krytyczne. Pracujący nad tym wynalazkiem naukowcy wyrażają nadzieję, że trafi on do klinik onkologicznych na całym świecie. Już teraz różne szpitale korzystają z tej metody, choć na razie w ograniczonym zakresie – z powodu braku takiej oferty w skali przemysłowej. – Podstawowym celem metody jest pomoc onkologom w poprawie precyzji naświetlań radioterapeutycznych – mówi pomysłodawca i główny twórca technologii, dr inż. Marek Maryański, profesor Politechniki Gdańskiej, kierownik Zakładu Wielowymiarowych Detektorów Promieniowania Jonizującego Instytutu Nanotechnologii i Inżynierii Materiałowej. Dodaje, że chodzi głównie o leczenie nowotworów, choć nie tylko – radioterapię wykorzystuje się też np. w chorobach naczyniowych czy neurologicznych. 

– Nowotwory złośliwe są drugą przyczyną śmiertelności w krajach rozwiniętych, a spośród wszystkich dotkniętych nimi pacjentów ok. 60% kwalifikuje się do radioterapii. Skala zjawiska jest więc ogromna. Problem polega na tym, że pomimo dynamicznego rozwoju technologii w radioterapii, nadal nie ma adekwatnych metod weryfikacji planów leczenia poszczególnych pacjentów, bo zanim chory zostanie poddany terapii, onkolodzy i fizycy medyczni tworzą plan, który określa trójwymiarową chmurę dawki, jaka zostanie dostarczona choremu – opisuje prof. Maryański. Tłumaczy, że w radioterapii, jak w wielu innych procedurach medycznych, skuteczność działania zależy od dawki czynnika terapeutycznego. Np. przepisując pacjentowi lek, oblicza się pożądaną liczbę gramów substancji na kilogram masy ciała itp. – Tak samo jest tutaj – obliczamy ilość energii promieniowania na każdy kilogram masy ciała. Wyraża się to w jednostkach zwanych Greyami. Plany leczenia muszą uwzględniać tę wartość, a dodatkowo określać trójwymiarową mapę dawki promieniowania. Trójwymiarową, bo i ciało pacjenta jest trójwymiarowe, i sam guz nowotworowy jest trójwymiarowy. A, żeby leczenie zadziałało, trzeba taki guz zaatakować w całości, we wszystkich jego punktach – zaznacza naukowiec i podkreśla, że chmura dawki, którą traktuje się pacjenta, ma być identyczna z tą, którą onkolog radiacyjny wcześniej dla niego zaplanował. – Tu jednak powstaje problem – jak to zweryfikować, żeby mieć absolutną pewność, że nie popełni się błędu? Bo przecież błąd przy dużych dawkach promieniowani (a w medycynie z roku na rok stosujemy coraz większe dawki) wiąże się z ogromnymi negatywnymi konsekwencjami dla pacjenta – ostrzega. 

Profesor wyjaśnia, że w takiej weryfikacji chodzi o wielkość dawki i jej rozkład przestrzenny. – Efekt terapeutyczny dla każdej komórki nowotworowej zależy od dawki, jaką ona otrzymała. Komórki żyją w przestrzeni 3D, a my musimy trafić w każdą z nich. Mamy więc dwie zmienne do sprawdzenia – dawkę i położenie. Obecnie stosowane metody weryfikacji są jeszcze mocno zakorzenione w przeszłości, kiedy taka precyzja nie była wymagana. Opierają się więc na pomiarach w bardzo ograniczonej liczbie punktów pomiarowych. Czyli dawki określa się tylko w wybranych punktach z danego obszaru i na tej podstawie szacuje rzeczywisty rozkład przestrzenny, ale w żadnej z tych sytuacji nie wiemy, co się dzieje poza tymi kilkoma badanymi punktami czy poza tą jedną wybraną płaszczyzną. Jak rzeczywista dawka rozkłada się w innych miejscach guza, możemy tylko zgadywać. Nasza metoda jest inna – daje gwarancję, że żaden szczegół nie umknie. Po pierwsze, wykrywa wszelkie ewentualne błędy, po drugie – może pomóc zidentyfikować ich przyczyny, dzięki czemu onkolodzy i fizycy medyczni mogą je skorygować przed rozpoczęciem leczenia pacjenta – relacjonuje. Właśnie w takich wypadkach mogą mieć zastosowanie żelowe fantomy, nad którymi pracuje prof. Maryański i z zespołem. – Fantom to obiekt, który w prosty sposób reprezentuje jakąś część ciała pacjenta. Na ogół fantomy zawierają jakieś detektory (substancje czy urządzenia), które pozwalają zmierzyć dawkę promieniowania pochłoniętą w wybranych punktach. Jak wspomniałem jednak wcześniej, w dzisiejszych czasach badanie wybranych punktów nie wystarcza. Trzeba mierzyć precyzyjniej, niejako „gęściej” – zastrzega badacz. 

Jego metoda wygląda następująco: zaplanowanymi dla pacjenta wiązkami promieniowania naświetla się fantom o bardzo prostej geometrii – jest to np. kula wielkości ludzkiej głowy. Fantom taki wypełniony jest polimerowo-żelowym detektorem, który zmienia barwę i jej natężenie pod wpływem dawki. Następnie, aby ilościowo scharakteryzować trójwymiarową chmurę dawki, fantom umieszczany jest w tomografie laserowym, który – jak przybliża twórca metody – działa bardzo podobnie, jak tomograf rentgenowski, ale jest dużo prostszy i tańszy do zbudowania. – W efekcie uzyskujemy trójwymiarowy obraz, a do każdego punktu tego obrazu jest przypisana liczba, która wskazuje, jaka dawka promieniowania do niego dotarła. Typowa osiągalna rozdzielczość przestrzenna tej metody to 0,5 mm, nie umknie nam więc żaden błąd – uważa prof. Maryański. Dla porównania, jedno z najbardziej cenionych obecnie urządzeń dostępnych komercyjnie ma detektory rozmieszczone co 7 mm, w jednej tylko płaszczyźnie. – A proszę sobie wyobrazić, że np. radioterapia choroby nerwu trójdzielnego musi się skupić na zmianie o szerokości ok. 4 mm, czyli takiej, która jest mniejsza niż rozstaw tych detektorów. W tej sytuacji nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy trafiamy w odpowiednie miejsce, a ponieważ dawka terapeutyczna bywa w leczeniu tej choroby ogromna (ok. 20-krotnie większa od dawki śmiertelnej dla większości komórek), jest duże ryzyko, że „trafiając obok”, zniszczymy jakąś ważną strukturę zdrowej tkanki, a efekt terapeutyczny będzie niedostateczny – podkreśla naukowiec. 

Metoda weryfikacji musi być dokładna, a także dostępna, niedroga i szybka, gdyż szpitale nie mogą sobie pozwolić na kilkugodzinne testy pojedynczych pacjentów. Jednocześnie lekarz i pacjent muszą mieć pewność, że leczenie nie będzie obarczone ryzykiem błędu. – Aby stworzyć taką technologię, potrzeba współpracy wielu różnych specjalistów. My współpracujemy z onkologami, informatykami, optykami, fizykami medycznymi, radiologami, chemikami, elektronikami, matematykami – wymienia profesor. Jego grupa projektowa, powołana do życia w ramach grantu „Polskie Powroty”, fundowanego przez NAWA, to obecnie trzy osoby: profesor i dwoje asystentów badawczych, absolwentów Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, w specjalnościach Fizyka Medyczna oraz Nanotechnologia. Dzięki grantom rektorskim IDUB (Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza) do współpracy angażowani są studenci, w tym magistranci. Grupa współpracuje także z Centrum Onkologii w Bydgoszczy, Gdańskim Uniwersytetem Medycznym oraz Instytutem Fizyki Jądrowej PAN, przy którym działa jedyne w Polsce centrum radioterapii protonowej. Współpraca zagraniczna obejmuje trzy wiodące ośrodki radioterapii protonowej w USA i jeden w Belgii.

Fantomy, nad którymi pracuje grupa prof. Maryańskiego, docelowo będą miały dwie wersje. Jedna z nich będzie trwała, co oznacza, że „zapisany” w fantomie obraz chmury dawki utrzyma się „na zawsze”, jak na wywołanej kliszy fotograficznej. W drugiej – wielokrotnego użytku – „zapisany” obraz utrzyma się przez kilka godzin, po czym zaniknie, umożliwiając ponowne naświetlenie i użycie fantomu. W ramach projektu prof. Maryański zaprojektował też i zbudował tomograf laserowy. – Początkowo do skanowania fantomów żelowych używałem standardowych skanerów diagnostycznych do obrazowania jądrowego rezonansu magnetycznego, jednak to niezupełnie się sprawdziło, ponieważ takie urządzenia nie są w stanie wystarczająco dokładnie zmierzyć wielkości zmian lokalnych wywołanych pochłonięciem dawki promieniowania – dokładność pomiarowa tych skanerów jest stanowczo za mała dla naszych potrzeb. Musieliśmy zatem znaleźć coś dokładniejszego, a ponieważ użyte w naszym fantomie polimery, tworzące się pod wpływem promieniowania, rozpraszają światło, jak niebo i chmury, czyli wykazują silny efekt optyczny, to można je prześwietlać laserem pod różnymi kątami, a następnie zrekonstruować obraz 3D „gęstości optycznej” tomograficznie. Budowa własnego tomografu laserowego okazała się więc rozwiązaniem zarówno najdokładniejszym, jak i najprostszym oraz najtańszym – podsumowuje profesor.

Zapytany o to, czy uzyskane w czasie skanowania fantomu wyniki idealnie przekładają się na tkankę ludzką, naukowiec zaprzecza i odpowiada, że nie jest to potrzebne. – Komputery planujące leczenie pacjentów uwzględniają bowiem z wystarczającą dokładnością różnice konturów zewnętrznych oraz gęstości naświetlanych obiektów i poprawnie korygują wynikające z nich różnice rozkładów przestrzennych dawek promieniowania. W pewnym sensie przypomina to zdolność mózgu do korekty niedoskonałości optyki oka. Unikalnym, brakującym ogniwem w tym łańcuchu obliczeń jest natomiast dostarczany przez naszą metodę zbiór wystarczająco gęsto upakowanych danych pomiarowych w trzech wymiarach. Badacz zaznacza, że omawiany system nadaje się do weryfikacji planów leczenia wszystkich rodzajów radioterapii – dominującej dziś procedury fotonowej i najnowocześniejszej protonowej, która jest potencjalnie znacznie skuteczniejsza i dużo droższa. Stosuje ją względnie niewiele ośrodków na świecie, w Polsce zaledwie jeden. Metodę opartą na żelowych fantomach można też wykorzystywać np. do charakteryzowania radioterapeutycznych wiązek promieniowania ze zdolnością rozdzielczą znacznie większą od metod standardowych i w zdecydowanie krótszym czasie. Może to poprawić jakość danych, na których opiera się planowanie leczenia.  Prof. Maryański wyraża nadzieję, że w przyszłości jego rozwiązanie trafi do tysięcy klinik na całym świecie. Każdy szpital świadczący procedury radioterapeutyczne byłby wyposażony w kompletną aparaturę – fantomy wielokrotnego użytku, tomograf laserowy i specjalne oprogramowanie. Dzięki temu weryfikacja planów leczenia mogłaby odbywać się indywidualnie dla każdego pacjenta, któremu przepisano radioterapię. 

W tej chwili przeskanowanie jednego fantomu zajmuje ok. 40 minut. – Jak na warunki szpitalne, to jeszcze stanowczo za długo. Lekarze i fizycy medyczni nie mają tyle czasu. Dlatego na razie nasze rozwiązanie zamierzamy oferować klinikom w postaci audytu zewnętrznego. Polega on na tym, że kiedy szpital chce przetestować strategię leczenia jakiegoś konkretnego schorzenia, np. przerzutów mózgowych, może u nas zamówić weryfikację. Tomograf laserowy do odczytu wyników nie jest w tym „usługowym” modelu zlokalizowany fizycznie w danym szpitalu, lecz pozostaje u nas. My wysyłamy nasz fantom kurierem, fizycy medyczni i lekarze w danej placówce naświetlają go zgodnie z przygotowanym planem, po czym odsyłają go nam. Na końcu my na naszym tomografie laserowym wykonujemy skany, analizujemy i przesyłamy gotowe wyniki, ilościowo porównujące nasze pomiary z planowanym rozkładem przestrzennym dawki w fantomie. To rozwiązanie tymczasowe, dopóki technologia jest jeszcze w fazie prototypu, ale finalnie, kiedy uda nam się skrócić czas procedury do maksymalnie 5 minut, będziemy chcieli oferować ją wszystkim klinikom na świecie i wtedy dla każdego pacjenta będzie można wykonywać indywidualny skan chmury dawki w takim fantomie żelowym. Docelowo cały proces będzie też w pełni zautomatyzowany – nie będzie wymagał nadzoru człowieka. Jedynym zadaniem dla pracownika szpitala pozostanie ułożenie fantomu w odpowiednim miejscu, choć i ten proces może być wysoce zautomatyzowany – kończy badacz. 

Autorka: Katarzyna Czechowicz, PAP – Nauka w Polsce