O nouă descoperire ştiinţifică poate oferi radioterapiei oncologice noi instrumente pentru a creşte precizia şi siguranţa tratamentului pe bază de radiaţii la pacienţii diagnosticaţi cu cancer, permiţând medicilor să poată „vedea" fasciculele puternice emise de un accelerator linear atunci când acestea intră sau ies din corp.
În imagine: o fotografie cu timp lung de expunere a radiaţiei Cerenkov şi a fluorescenţei induse de dizolvarea Fluorescein în apă în timpul iradierii cu ajutorul unui fascicul terapeutic de radiaţii LINAC.
Credit: Adam Glaser
Noi nu putem vedea radiaţiile X. Atunci când realizăm o radiografie sau o mamografie (n.t. radiografie a glandei mamare) noi nu putem observa fasciculul de radiaţii care a trecut printr-un os sau prin unele ţesuturi moi din corpul nostru şi nici chiar medicul nostru nu poate să-l observe. Dar ce-ar fi dacă am putea vedea razele X? Atunci când utilizăm raze X de intensitate mare pentru a trata cancerul, putem vedea modul prin care acestea au interacţionat cu tumoarea respectivă. În cazul în care aceste radiaţii nu îşi ating ţinta, am putea să le oprim pentru a face anumite reglaje în scopul îmbunătăţirii preciziei de acţiune a acestora. Precizia este importantă. Utilizarea radiaţiilor are drept scop distrugerea celulelor canceroase, fără a afecta ţesuturile sănătoase.
Siguranţa în radioterapia oncologică
Din dorinţa de a face ca tratamentul cu radiaţii să fie cât mai sigur şi mai eficient, oamenii de ştiinţă de la Dartmouth au început să cerceteze un fenomen ştiinţific denumit efectul Cerenkov în anul 2011. Oamenii de ştiinţă şi inginerii au dedus că prin utilizarea emisiei Cerenkov fasciculul de radiaţii ar putea deveni „vizibil" pentru medici. Având posibilitatea de a observa un fascicul de raze X se vor putea evidenţia următoarele:
- modul prin care radiaţiile se deplasează prin corp
- doza de radiaţii din piele
- orice erori în ceea ce priveşte dozajul acestor radiaţii.
Probabil că telespectatorii au putut vedea imaginile barelor de combustibil care sunt scufundate în reactorul unei centrale nucleare şi care emit o lumină verde-albastră. Acesta este efectul Cerenkov. Atunci când o particulă cu sarcină electrică se deplasează mai repede decât lumina printr-un mediu ce nu conduce electricitatea (n.t. dielectric), cum ar fi corpul uman sau apa, acesta străluceşte. Pe măsură ce mediul dielectric revine într-o stare de echilibru (n.t. electronii din atomii din mediu au fost deplasaţi şi polarizaţi de către câmpul electromagnetic al particulei încărcate) el emite lumină. Da, pentru o scurtă perioadă de timp oamenii strălucesc ca urmare a acestor radiaţii.
Efectul Cherenkov în laborator
Primul lucru pe care l-au făcut inginerii de la Thayer School of Engineering din Dartmouth a fost să modifice un aparat de fotografiat obişnuit destinat fotografierii pe timp de noapte pentru a-l utiliza pe acesta în scopul obţinerii de fotografii ale unor radiaţii care se deplasau prin apă. Ceea ce a apărut în fotografii este chiar efectul Cerenkov, o lumină strălucitoare de culoare albastră.
Pentru a putea utiliza acest efect în tratamentul pe bază de radiaţii, oamenii de ştiinţă au folosit un manechin al corpului uman. Ei au măsurat efectele produse şi au studiat rezultatele obţinute pentru a perfecţiona modalitatea de captură a acestei luminescenţe, efectuând experienţe cu fascicule de raze X având diferite mărimi, orientări şi lungimi de undă.
Imagistica Cherenkov folosită pentru prima dată în stabilirea tratamentului
Un tratament pe baza unui fascicul de radiaţii este arătat în imaginea de mai sus, acesta fiind aplicat pentru prima dată în cazul oamenilor. Culoarea albastră evidenţiază zona de tratament. Pe măsură ce dozajul radiaţiilor se reduce zona de tratament devine o umbră gri întunecată. Culoarea albastră persistă în zona din dreapta jos a imaginii ceea ce indică un „punct fierbinte" în zona de tratament, locul unde se pot aplica diferite reglaje ale fasciculului de radiaţii pentru a se evita iritarea pielii.
Cercetătorii de la Geisel School of Medicine au fotografiat această luminescenţă în timpul unui tratament de rutină pe bază de radiaţii aplicat unui câine ce avea o tumoare orală.
A fost pentru prima dată când studiul radiaţiei Cerenkov a părăsit laboratorul de cercetare pentru a fi aplicat în cazul unui tratament. Oamenii de ştiinţă au inventat o tehnică denumită imagistica Cerenkov (Cherenkoscopy). Aşa cum ei au anticipat, în timpul aplicării acestui tratament ei au fost capabili să obţină informaţii detaliate cu privire la zona de tratament şi în legătură cu dozajul radiaţiilor. Rezultatele au fost publicate în ediţia din noiembrie 2013 a Journal of Biomedical Optics.
„Primele observaţii obţinute în cazul câinelui au dovedit că putem urmări în timp real imaginea unui fascicul de radiaţii în timpul tratamentului", a spus David Gladstone, şef al Clinical Physics din cadrul Norris Cotton Cancer Center. „Imaginile obţinute au permis verificarea formei fasciculului de radiaţii precum şi a modului în care se deplasează acesta".
Prima imagine a radiaţiei Cerenkov în timpul unui tratament de sân uman
Fiind pregătiţi pentru a utiliza această tehnologie în cazul pacienţilor umani, echipa de cercetători a dorit să vizualizeze radiaţiile ce pătrund în corpul unui pacient de sex feminin având cancer de sân şi care a fost supus iradierii în iulie 2013.
„Tratamentul cancerului de sân este potrivit acestui scop deoarece această imagistică necesită o doză superficială de radiaţii la nivelul pielii", a declarat Lesley A. Jarvis, medic oncolog în cadrul Norris Cotton Cancer Center. Reacţiile cutanate, similare unor arsuri solare, sunt un efect secundar obişnuit şi neplăcut în timpul iradierii sânului. „Prin imagistica obţinută şi prin cuantificarea dozei de suprafaţă a radiaţiilor într-un mod care nu a mai fost realizat înainte", a spus Jarvis, „sperăm să aflăm mai multe lucruri despre factorii fizici care contribuie la această reacţie a pielii".
Prin vizualizarea efectului produs de radiaţii asupra organismului, medicii oncologi şi fizicienii pot efectua anumite modificări ale fasciculului de radiaţii pentru a se evita efectele secundare ale acestora de la nivelul pielii. Majoritatea pacienţilor supuşi unor tratamente pe bază de radiaţii ajung să suporte între 8 şi 20 şedinţe de iradiere. Imaginile Cerenkov ale unui pacient cu cancer mamar au evidenţiat existenţa unei zone fierbinţi aflată sub braţ, astfel încât medicii şi fizicienii pot lucra pentru a preveni apariţia ei în viitoarele şedinţe de iradiere.
„Imaginile actuale arată că putem trata cu precizie zona de tratament prin modificări adecvate ale poziţiei fasciculului de radiaţii şi a dozei de radiaţii", a spus Jarvis.
Utilizarea clinică a radiaţiei Cerenkov s-a dovedit un succes
Acest studiu a arătat că efectul Cerenkov este fezabil sa fie utilizat în timp real în cazul tratamentului pe bază de radiaţii. „Am învăţat că această imagistică este uşor să fie inclusă în tratamentul pacientului, ea putând fi obţinută într-un timp minim", a spus Jarvis.
„Timpul necesar pentru a obţine această informaţie este neglijabil, chiar şi cu sistemul nostru experimental neintegrat", a spus Gladstone. „S-a dovedit că imaginile Cerenkov conţin mai multe informaţii valoroase decât s-a anticipat anterior. În special, nu ne-am aşteptat să putem vizualiza vasele de sânge interne".
Prin cartografierea vaselor de sânge se deschid noi oportunităţi pentru ca oncologii să poată utiliza anatomia internă a unei persoane pentru a confirma cu precizie anumite locaţii din corp. Tatuajele de pe pielea pacienţilor pot reprezenta o aliniere preliminară care este verificată cu ajutorul razelor X. Acestea pot arăta anatomia osoasă sau diferiţi markeri introduşi în corp. Imagistica Cerenkov permite medicilor să vizualizeze unele ţesuturilor moi şi vascularizaţia internă.
O măsură de siguranţă în plus în cazul tratamentului pe bază de radiaţii
Gladstone spune că prin integrarea imagisticii Cerenkov în procedura clasică de îngrijire clinică, această tehnologie ar putea fi folosită pentru a se verifica dacă doza de radiaţii stabilită pentru pacienţi este corectă astfel încât se vor putea evita cazurile de aplicare eronată a radioterapiei. Aceste cazuri apar rar, dar sunt periculoase.
Doisprezece pacienţi participă la un studiu pilot care este aproape încheiat. Echipa de cercetare intenţionează să publice rezultatele obţinute într-o revistă de specialitate. Echipa de cercetare implicată în proiectul efectului Cerenkov i-a inclus pe Lesley Jarvis, profesor în cadrul Geisel School of Medicine, Brian Pogue, profesor de inginerie în cadrul Thayer School, profesor de fizică şi astronomie la Dartmouth College, profesor la Geisel School of Medicine, David J. Gladstone, profesor asociat la Geisel School of Medicine, Adam Glaser, student la inginerie, Rongxiao Zhang, student la fizică, Whitney Hitchcock, student la o şcoală medicală.
Cu fiecare încercare întreprinsă echipa de cercetare obţine tot mai multe informaţii cu privire la utilitatea acestei tehnologii. „Rămâneţi la curent, noi planificăm pe mai departe noi studii aprofundate pentru a determina impactul acestei noi tehnologii în ceea ce priveşte creşterea siguranţei tratamentelor pe bază de radiaţii", a spus Jarvis.
Traducere de Cristian-George Podariu după scientific-team-human-body-cherenkov cu acordul editorului
