Proton Tedavisi

Kanser ile savaşta yeni bir umut
PROTON TEDAVİSİ

Prof. Dr. Cengiz Yalçın

Fizikte yapılan her yeni buluş, tıp ve sanayi alanına yeni çığırlar açar. Tranzistörlerin keşfi elektronik sanayide, yarı iletkenlerin keşfi bilgi teknolojilerinde, fisyonun keşfi enerji teknolojilerinde devrim niteliğinde değişimlere neden olmuştur. Benzer örnekleri çoğaltmak mümkündür. Röntgen ışınlarının keşfi görüntüleme teknolojisinin kapılarını aralamıştır. Canlı doku içindeki proton yoğunluğu farklarını ölçerek sağlıklı olmayan bölgeleri görüntüleyebilen NMR (Nükleer magnetik rezonans) ve PET (pozitron emitting tomogrophy) gibi hassas görüntüleme teknolojileri geliştirilmiştir. SQUID (Superconducting Quantum Inerference Device) aşırı iletken kuantum girişim cihazı, beyin kalp elektrik akım şiddetlerindeki en küçük değişimleri tespit ederek bu kritik organların fonksiyonları hakkında güvenilir bilgiler verir. Doktorlar bu bilgilere dayanarak tedavi planlaması yaparlar. Yüksek frekanslı ses dalgalarının farklı yoğunluklardan farklı şiddetlerde yansımasına dayanılarak geliştirilen ultrasound cihazları başta ekokardiyografi olmak üzere tüm iç organların resmini çeker. Laser ışınları, retina cerrahisinde iç kanamaların durdurulmasında başarı ile kullanılır; enfeksiyon riskini sıfırlar. Bu ışınlar kendi dalga-boyu kadar küçük bölgelere enerjiyi aktarabildiğinden hücre cerrahisi gibi yeni bir uzmanlık alanının oluşmasına neden olmuştur. Siklatron denilen hızlandırıcılardan elde edilen I-131, Cr-51, Tc-99, Xc-133, In-111, Fe-59, P-32 gibi radyoaktif izotoplar çeşitli hastalıkların teşhis ve tedavisinde kullanılır. Bu imkânlar yeni bir uzmanlık alanı olan nükleer tıbbı doğurmuştur. Co-60 ve Cs-137 izotoplarından yayınlanan γ-ışınları kanser tedavisinde kullanılır.

Yukarıda verilen örneklerden anlaşılacağı gibi fizik ve tıp arasında bir amaç beraberliği vardır. Bu makalede insanlığı umutsuzluğa düşüren kanser tedavisine fiziğin getirdiği yeni bir umut ışığı anlatılacaktır.

İnsanlığın en önemli sağlık sorunlarında biri olan kanser tedavisinin mantığı, γ- ışınlar ile sağlıksız dokuya enerji aktarmaya dayanır. Buna halk arasında ışın tedavisi denir. Yakın bir gelecekte enerji kanserli dokuya enerji, ışınlar ile değil proton demetleri ile sağlıklı dokuya zarar vermeden aktarılabilecektir. Proton demetleri, özel olarak tasarlanmış aletlerde hızlandırılarak yeterli enerjilere yükseltilirler. Bu aletlere siklatron denir. Dünyanın gelişmiş birçok merkezinde bu yönteme dayanan proton tedavi üniteleri kurulmaktadır. Sadece proton değil enerjinin kanserli dokuya taşınmasında hafif iyonlarda kullanılmaktadır. Bunlar arasında en yaygın olarak karbon iyonları kullanılır. Bu nedenle proton tedavi genel terminolojide hadron tedavi olarak bilinir. Hadron tedavi hem proton hem karbon gibi hafif iyon demetleri kullanılarak yapılan tedaviye verilen ortak isimdir. Gerek protonlar gerekse hafif iyonlar elektrik potansiyel altında hızlandırılarak kinetik enerji kazanırlar. Kanserli bölgeye aktarılması tasarlanan bu enerjidir.

Işın tedavisi tümörün tespit edildiği bölgeye Co-60 veya Cs-137 radyoizotopların yayınladığı γ-ışınlarını yöneltmektir. γ ve X-ışınları gibi yüksek frekanslı ışınlar madde ile temas ettiklerinde bir dalga değil parçacık gibi davranırlar. Bu parçacığa foton denir. Fotonlar kanserli hücreye çarparak enerjilerini bırakırlar. Kanserli doku normalden fazla enerji soğurduğundan fizyolojik etkinliklerinin sonlandırır. Diğer bir değişle γ-ışınları tümörü yakar. Böylece kanserli hücrelerin yayılması önlenir. Ancak ışın tedavisinin özellikle kalp ve beyin gibi kritik organların yakınlarında oluşan kanser türlerine uygulanmasında, çok ciddi mahsurları ortaya çıkar. γ-ışınları, ne kadar hassas yönlendirme teknikleri kullanılırsa kullanılsın, kanserli hücreyi kesin olarak vurması ve yok etmesi beklenemez. Çünkü ışınlar kanserli bölgeye gidene kadar sağlıklı doku içinde ilerlerken enerjilerini kayıp ederler. Önemli olan tedavi planlamasına göre öngörülen dozda enerjinin kanserli bölgeye boşaltılabilmesidir. Şimdiye kadar tedavi yöntemleri ile bunu başarmak, ancak kısmen mümkün olabilmektedir. Işınlar canlı doku içerisinde ilerlerken Compton saçılması yaparak dağılırlar ve kanserli bölgeye ulaştıklarında enerjilerinin büyük bir kısmını sağlıklı doku üzerine bırakmış olurlar. Bu ise sağlıklı dokuların tahrip edilmiş olması demektir ve ışın tedavisindeki başarı oranını düşürür. Proton demetleri Compton saçılması yapmadığından demetin sağlıklı doku içinde ilerlerken enerji kaybı en küçük değerde kalır. Bunun anlamı ise demetin tüm enerjisini kanserli doku üzerinde boşaltması demektir. Tedavi tekniğinden beklenen de budur. Şekilde elektron demetlerinin, γ-ışınlarının ve karbon iyon demetlerinin canlı doku içinde enerji soğurulması grafiği verilmiştir.

Siklatronlarda hızlandırılan proton demetlerinin kanser tedavisinde başarılı olması, Dünya'nın önde gelen araştırma merkezlerinde benzer girişimlerine eş zamanlı yapılmasına neden olmuştur. Özellikle HIMAC (Japonise Heavy-Ion Medical Acceletor Centre) hadron tedavisinde öncü kuruluşlardan biri haline gelmiştir. Hızlandırılmış karbon iyonları, uzun süreden beri tedavide başarı ile kullanılmaktadır. Yukarıdaki grafik bu uygulamaların sonuçlarını göstermektedir. Almanya'da GSI İtalya'da TERA Fransa'da ETOILE İsveç'te KOROLINSKA enstitüsünde de benzer uygulamalar yapılmaktadır. ABD ‘de ise 100 den fazla proton tedavi merkezi çalışmaktadır.

Grafikte kırmızı eğri, karbon iyonları ile kanserli bölgeye aktarılan enerjinin sağlıklı doku içersinde ilerleyişini vermektedir. Yatay eksen deriden itibaren canlı doku derinliğini, düşey eksen enerjiyi göstermektedir. Enerjiyi temsil eden kırmızı eğri kanserli bölgede maksimum değer almaktadır yani enerjisini kanserli bölgeye aktarmaktadır. Karbon veya proton demetleri, sağlıklı doku içersinde ilerlerken enerjilerinin çok az bir bölümünü sağlıklı dokuya aktarmaktadır. Yani proton ve iyon demetleri sağlıklı dokuya diğer ışın tedavilerinde olduğu gibi fazla zarar vermeden, yani onları yakmadan ilerler. Foton demeti mavi elektron demeti siyah ile gösterilmiştir. Her iki eğri enerjilerin kanserli bölgeye gelmeden sağlıklı doku üzerine bırakabilmekte yani sağlıklı dokuyu tahrip etmektedirler. Bu proton tedavisinin, klasik ışın tedavilerine göre üstünlüğünün kanıtlar.

Kırmızı eğri ile temsil edilen proton demeti tüm enerjisini yani eğrinin doruk yaptığı bölgede, kanserli doku üzerine boşaltır, yani kanseri dokuları yakar. Kanserli bölgeye doğru ilerlerken sağlıklı dokuya çok az zarar verir.

Siyah eğri elektron demetlerinin mavi ise γ- ışınlarının enerji profilini temsil etmektedir. Yatay eksen sağlıklı doku derinliğini yani deriden itibaren ışının ilerlediği derinliği gösterir. Foton ve elektron demetlerinin sağlıklı dokuya aktardıkları enerji proton demetlerinin aktardığı enerjiye göre çok büyüktür. Diğer bir deyişle Co-60 ve Cs-137 izotoplarından yayınlanan ışınlar gibi sağlıklı dokuyu yakarken proton demetleri yakmaz.

Canlı dokunun, foton ve hızlandırılmış elektron demetleri ile etkileşmesi, bir yerde radyasyonla etkileşmesi demektir. Bu ise kanser sebepleri arasında yer alır. Doktorların yaz aylarında güneş ışınlarından korunma tavsiyeleri, sağlıklı dokunun kızılötesi gibi yüksek frekanslı iyonlayıcı ışınların neden olduğu zararlı etkilerden korunmayı hedefler. Deride esmerleşme canlı dokunun kızılötesi ışınlar ile etkileşmesinin bir sonucudur. Solaryumlarda esmerleşme bir yerde kansere davetiye çıkarmaktır. Dolayısıyla elektron demetleri ve foton yani ışın ile yapılan tedavilerinde sağlıklı dokunun kanserleşme olasılığı vardır. Çok hassas aletler ve görüntüleme ile elektron demetleri ve fotonlar sağlıklı dokuya zarar vermeden tümöre hedeflenir. Yukarıda belirtildiği gibi, gerek elektronlar gerekse fotonlar Compton saçılması yaptıklarından enerjilerinin önemli bir kısmını sağlıklı dokuya aktarırlar. Yani sağlıklı dokuya zarar verirler. Proton tedavisi ışın tedavilerinin bu mahsurunu ortadan kaldırmak için tasarlanmıştır. Kırmızı eğrinin doruk yaptığı bölge proton demetinin enerjisini kanserli bölgeye aktardığı derinliğe karşı gelir. Proton demetlerinin Compton saçılması yapma olasılığı sınırlı olduğundan canlı doku içersinde ilerlerken enerjisini aktarmaz yani sağlıklı dokuya zarar vermez.

Işın tedavilerinde kullanılan kaynakların şiddetleri kanser tedavisi bağlamında büyük önem taşır. Onkoloğun planladığı dozun yani enerjinin kanserli bölgeye, sağlıklı dokuya zarar vermeden taşınabilmesi için hastanın ışınlama süresince hareketsiz kalması istenir. Bu nedenle 7000 küriden daha yüksek şiddette radyoaktif kaynakların kullanılması yukarıda aktardığımız mahzurları minimize eder. Şayet kaynak şiddeti düşükse ışınlama zamanı uzar ve hastanın ışınlama süresince hareketsiz kalması zorlaşır. İster istemez sağlıklı dokuda iyonlayıcı radyasyona maruz kalır. Kanseri hücrenin yerini ne kadar hassas belirlerseniz belirleyiniz, ışınları ne kadar hassas kanserli bölgeye yönlendirirseniz yönlendiriniz, ne kadar yüksek şiddetli kaynaklar kullanırsanız kullanınız, sağlıklı dokuyu zararlı radyasyondan koruyamazsınız. Proton tedavisi sistem olarak bu mahzurları ortadan kaldıran bir tekniktir. Hedefi yani kanserli hücreyi 12'den vurur.

CERN (European Organization of nuclear Research) parçacık hızlandırıcı teknolojilerinin geliştirildiği ve temel fizik araştırmaların yapıldığı Dünyanın önde gelen araştırma merkezlerindendir. AB ülkelerinin giderlerini müştereken karşıladığı Avrupa bilim ve teknolojisinin amiral gemisidir. CERN ve TERA (Terapia con Radizon Adzoniche) ile birlikte özel olarak kanser tedavisinde kullanılacak proto tip hızlandırıcılar geliştirmişlerdir. LIBO olarak bilinen projede, nükleer fizik araştırmalarında ve radyoizotop üretiminde kullanılan siklatronlardan elde edilen 50-70 MeV proton demetlerini 200MeV enerjisine yükseltmişlerdir. CERN kanser tedavisinde hızlandırıcıların kullanılmasına geçmişte öncülük etmiş Dünya'da yaygınlaşmasını sağlamış günümüzde de kanser tedavisi hakkında yeni tekniklerin yeni fikirler ve yeni aletler tasarlamayı ve üretmeyi sürdürmektedir. Bu bağlamda en yeni gelişme protonlar yerine aniprotonları hızlandırmak söylenebilir. Foton ve elektronlarının sağlıklı doku üzerinde yaptıkları tahribatın nedenleri yukarda tartışılmış proton tedavisinin artılarını gösteren grafik verilmiştir. Yapılan deneyler (Antiproton cell Experiment ACE) antiproton demetlerinin canlı doku içinde ilerlerken enerjilerinin proton demetlerinden daha az soğurulduğu görülmüştür. Bu tespit antiproton demetlerinin canlı dokuya proton demetlerinden de daha az vermesi anlamına gelir. Tasarının dayandığı mantık tedavi için gerekli dozu yani enerjiyi, antiproton demetlerini kanserli bölgeye ulaştırmak ve kanserli hücrede bulunan protonlar ile etkileşmesi ile açığa çıkacak enerji ile kanserli dokuyu yakmaktır. Ancak antiproton tedavisinin, proton tedavi gibi klinik uygulanması için en az 10-15 sene daha beklemek gerekmektedir. Proton tedavisi her geçen gün yaygınlaşmakta ve çok sayıda hastanın derdine çare olmaktadır.