Partikelterapi: Fysikkens bidrag til en mere skånsom kræftbehandling
Protonstråler til kræftbehandling er ved at gøre sit indtog i Danmark som en mere skånsom og præcis terapiform end røntgenstråling.
protonbehandling_partikelterapi_kræft_stråler

Protonbehandling vinder frem i kræftterapien. I Danmark er Dansk Center for Partikelterapi under opførelse i Aarhus og forventes færdigbygget i slutningen af 2018. (Foto: Shutterstock)

Omkring en ud af tre danskere modtager på et tidspunkt i livet en kræftdiagnose. Når man får en kræftdiagnose tilbydes et behandlingsforløb på sygehuset. Forløbet kan inkludere kombinationer af kemoterapi, kirurgi og stråleterapi.

Stråling indgår i behandlingen for cirka 2/3 af kræftpatienterne. Når stråling bruges i kombination med kemoterapi, kirurgi og nogle af de helt nye teknikker, øges chancerne for overlevelse. I dag oplever vi, at mange patienter enten bliver helt raske eller kan leve med kræften i mange år.

På verdensplan foregår langt de fleste strålebehandlinger med røntgenfotoner og elektroner. Mindre end én procent af strålebehandlingerne foregår med tunge partikler såsom protoner og kulstof-ioner. Men den fordeling ser formentlig anderledes ud om få år.  

elektron_proton_ion_

Her ses masseforskellen mellem kulstof, protoner, elektroner og en røntgenfoton. De måles i atommasseenheder (u). En elektron vejer lige godt en halv promille af en proton. (Figur: Jeppe Brage)

Stråleterapiens spæde begyndelse

Den første patient blev behandlet med røntgenstråling allerede i 1896 i Chicago, mindre end et år efter den tyske fysiker Wilhelm Conrad Röntgens opdagelse af røntgenstråling.

Derfra gik der et halvt århundrede, før Robert Wilson i 1946 foreslog at bruge protoner til kræftbehandling. Den første behandling med protonstråling kom til at foregå i et fysiklaboratorium i USA i 1954.

Siden 1990 er protonstråling vokset som terapiform. Der er i dag behandlet over 150.000 patienter med partikler på over 50 partikelterapicentre verden over. I Danmark er Dansk Center for Partikelterapi under opførelse i Aarhus, og det forventes i skrivende stund færdigbygget til oktober 2018, hvor kræftpatienter vil kunne modtage behandling med protoner.

partikelcenter partikler kræft proton behandling tumorer

Her ses en del af det kommende partikelcenter i Aarhus. Til højre er partikelaccelerationen, som via en beamline med magneter styrer protonerne videre til behandlingsrummet til venstre. Konstruktionen til venstre vejer cirka 100 ton og kan dreje 360 grader rundt om patienten, så patienten kan bestråles med protoner fra alle vinkler. (Foto: Varian Medical Systems)

Stråleterapi rammer både kræft og raske celler

Kræft er en sygdom, hvor en celles reguleringssystem har tabt kontrollen over cellevæksten. Disse celler kan dele sig uhæmmet uden nødvendigvis at have et formål og sprede sig i kroppen til raske organer med ødelæggelse til følge. En kræftcelle kan ødelægges eller ændres ved at bestråle med for eksempel røntgenstråling.

Ved strålebehandlinger bruges ioniserende stråling (se faktaboksen nedenfor), der er defineret som stråling med energi nok til at løsrive elektroner fra atomer og molekyler. Når et molekyle mangler en elektron, kan det blive meget reaktivt og skabe nye forbindelser.

Ioniserende stråling
  • Når en røntgenstråle eller partikel har energi nok til at løsrive en elektron fra et atom eller et molekyle, kaldes det ioniserende stråling, dvs. at der laves en ion.
  • Ioniseringer kan ændre en celle og således give anledning til celleforandringer og/eller ødelægge cellen.
  • Noget af solens ultraviolette lys er ioniserende, hvilket øger risikoen for f.eks. hudkræft, mens synligt lys ikke er ioniserende.
  • Ioniserende stråling måles med enheden Gray (Gy) som energi per masse, dvs. Gy = joule/kilogram.

Disse forbindelser kan medføre celleforandringer, der kan blive til kræft, eller cellen kan skades nok, til at den dør. Når ioniserende stråling rammer raske celler, er der altså risiko for at skabe mutationer, der i sidste ende kan omdanne den ellers raske celle til en ny kræftcelle.

Al ioniserende stråling, der ikke rammer tumoren, vil altså øge risikoen for at få kræft af kræftbehandlingen!

Derfor er et af de vigtigste mål med stråleterapi at minimere omfanget af strålingen til det raske væv, der omgiver kræftcellerne.

Røntgenstråling er mere upræcis end protonstråling

Desto mere præcist strålen rammer, desto mindre skade sker der på det raske væv. Derfor er det vigtigt at ramme plet. Og det gør man bedst med protonstråling, som er markant mere præcis end røntgenstråling.

Forskellige typer stråling bevæger sig på hver sin måde gennem en menneskekrop på grund af forskellige ladninger og masse. Det ses i figur 1 nedenfor, hvor man kan se en såkaldt dosiskurve for tre typer af stråling.

En dosiskurve angiver, hvor meget energi en partikel afgiver på en given dybde. Jo mere energi der afsættes, desto flere celler kan ødelægges. Det er derfor vigtigt at ramme kræftknuden i det punkt, hvor der afsættes mest energi.

partikelterapi_stråling_kræft_bragg-toppe

Figur 1: Energiafsættelsen (dosis) som funktion af dybden i vand, dvs. sammenlignelig til en menneskekrop. Røntgenstråler afsætter energi hele vejen, mens protoner, og endnu mere udtalt kulstofioner, afsætter energien omkring det punkt, hvor de ikke har mere energi tilbage. (Figur: Jeppe Brage)

Røntgenstråler har ingen ladning – i modsætning til en ladet partikel som protonen – men kan sætte elektroner i bevægelse gennem et materiale. Når et menneske bliver bestrålet med røntgenstråling, vil energien typisk blive afsat hele vejen gennem et menneske.

Som det er illustreret i figur 1, topper den afsatte energi for en røntgenstråle (grøn kurve) efter få centimeters dybde og aftager derefter langsomt.

Det betyder, at røntgenstråling rammer forholdsvis upræcist. Meget af energien afsættes således til det omkringliggende raske væv, hvor strålerne gør skade på de raske celler og også øger risikoen for at udvikle kræft af kræftbehandlingen!

Sådan rammer man plet

Bestil et gratis foredrag om partikelterapi

Jeppe Brage Christensen er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen – en del af Forskningens Døgn – og kan til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 20.-26. april. Det tilbud gælder også for de øvrige forskere i ordningen. 

Foredragets titel er 'Partikelterapi: Danmarks nye kræftbehandling' og kan bestilles her

Anderledes ser det ud med dosiskurverne for bestråling med protoner og kulstofioner, som det også ses i figur 1. En proton eller kulstofion rammer kroppen med omkring halvdelen af lysets hastighed.

Partikler ved sådan en hastighed bevæger sig så hurtigt forbi molekylerne, at de næsten ikke når at løsrive nogle elektroner fra molekylerne, og derfor afsætter de kun lidt energi omkring molekylet.

Men partiklerne mister alligevel lidt bevægelsesenergi ved at frigøre nogle få elektroner, hvilket medfører, at partiklerne derefter bevæger sig lidt langsommere.

Idet partiklerne nu bevæger sig endnu langsommere end før, har de mere tid til at frigøre elektroner, når de passerer et molekyle. Således taber de endnu mere energi og bliver bremset mere op – og så videre.

Denne selvforstærkende proces, hvor en partikel afgiver mere energi jo langsommere den bevæger sig, giver anledning til de toppe, der ses i figur 1. Toppen, kaldet en Bragg-top, er navngivet efter William Bragg, der først målte den i 1903.

Præcisionsbehandling

Den grundlæggende fordel ved at bruge tunge partikler som protoner og kulstofioner er således, at Bragg-toppen kan justeres til at ramme midt i kræftknuden. Derved kan man ramme mere præcist og skåne det omkringliggende væv bedre end ved røntgenstråling.

Partikelacceleratoren accelererer protonerne op til en energi på 250 megaelektronvolt (MeV). Det er så hurtigt, at protonerne kan bevæge sig omkring 37 centimeter ind i en menneskekrop. 

Hvis man ønsker, at Bragg-toppen ligger i cirka 12,5 centimeters dybde som i figur 1, kan man bremse protonerne op ved at sætte materialer ind i protonstrålen, før den rammer patienten. 

Tykkelsen af materialet afhænger af, hvor meget protonerne skal opbremses.

En kulstofion er tungere og har en højere ladning end en proton, hvilket gør, at Bragg-toppen for kulstofioner bliver mere spids end for protoner, som det ses i figur 1.

Desværre er anlæg til behandling med kulstofioner meget dyrere end anlæg til protoner, da de tungere kulstofioner kræver meget større magnetfelter for at kunne styres korrekt.

Når tumoren bliver for stor til én Bragg-top

Som det ses i figur 1, er de to Bragg-toppe rimeligt smalle og kan næppe dække en tumor, der ofte har centimeter-tykkelse. I sådan et tilfælde udnyttes det, at mange Bragg-toppe kan kombineres til én stor top, som det er illustreret i figur 2 herunder.

partikelterapi_stråling_bragg-toppe_kræft

Figur 2: Hvis tumoren er stor, skal der mange Bragg-toppe til at dække den. Summen af de ni separate skud med protoner i rød udgør i alt den sorte kurve, som giver en meget jævn dosis til tumoren, der ligger i 5,8 cm til 10 cm dybde i kroppen og er skraveret i blåt. (Figur: Jeppe Brage)

I figur 2 er afbilledet situationen, hvor i alt ni forskellige protonstråler (i rødt) er skudt mod en bred tumor fra samme retning. Ved nøjagtigt at udvælge protonernes startenergi kan placeringen af hver af de ni Bragg-toppe justeres.

Ved yderligere at justere, hvor mange protoner der er i hvert af de ni bestrålinger, kan højden af hver Bragg-top kontrolleres. De 100 procent dosis på y-aksen i figuren angiver, hvor meget stråling tumoren skal have for at blive ødelagt

Med hjælp fra computerudregninger kan summen af alle ni bestrålinger altså kombineres til lige akkurat at dække hele tumoren med 100 procent af den dosis, der er nødvendigt for at dræbe kræftcellerne, mens det raske væv skånes mest muligt.

Behandlingsplanen i figur 2 skåner det omkringliggende raske væv langt bedre end med røntgenstråling!

protonstråling_partikelterapi_kræftbehandling

En hjerneskanning hvor en tumor er optegnet i gult. De to røntgenstråler til venstre giver en del stråling til det raske hjernevæv, mens protonerne til højre rammer mere præcist. (Figur fra OncoRay, Dresden, Tyskland)

Den optimale kræftbehandlingsplan

I figur 3 herover ses et tværsnit af et (menneske)kranium, hvor en gul cirkel markerer en kræftknude. Til venstre i figuren er vist, hvordan man med røntgenstråler fra to retninger kan bestråle tumoren bedst muligt.

Kræftknuden får nok stråling til at blive ødelagt (i rødt), men der er også en del stråling (lilla) til det raske væv og endnu mere stråling til det raske væv (turkis), hvor de to stråler overlapper.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Anderledes ser det ud med protonstrålingen i figuren til højre, hvor mange Bragg-toppe er sat sammen til meget mere konformt at dække kræftknuden.

Der er stadigvæk lidt stråling udenfor den optegnede kræftknude, men protonernes Bragg-toppe gør, at strålingen ikke fortsætter gennem hele hjernen som røntgenstrålingen gør.

Partikelterapi bruger altså den egenskab, at ladede partikler afgiver mest energi, lige før de stopper op. Som nævnt giver det mulighed for at mindske skaden på raskt væv og øge intensiteten af stråling i selve tumoren.

Med partikelterapi er det således muligt at bestråle tumorer tæt på kritiske anatomiske regioner som nervebanesystemer, der ellers ikke ville være muligt med røntgenstråling.

Dette er blot et af mange eksempler på, at fysik har fundet konkret anvendelse indenfor sygehusvæsenet.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.