8 Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1998

Nowotwory na celowniku

Radioterapia to wcià˝ ma∏o precyzyjna broƒ w walce

z rakiem. Jednak wraz z nowym oprogramowaniem

pojawia si´ nadzieja na zwi´kszenie jej skutecznoÊci

W

izyta w Lawrence Livermore National Laboratory
nie pozostawia wàtpliwoÊci, ˝e w tym bastionie
badaƒ podstawowych z dziedziny fizyki wcià˝ pa-

nuje obsesja projektowania i przechowywania broni maso-
wej zag∏ady. W jednym z budynków 20-metrowe dzia∏o mio-
ta pociski z pr´dkoÊcià do 8 km/s, symulujàc uderzenie
pocisku balistycznego. Po drugiej stronie kampusu 10 ogrom-
nych laserów o mocy 30 TW ostrzeliwuje maleƒkie kropelki
materii, by odkryç tajemnice fuzji jàdrowej. Nie jest to miej-
sce, które wydawa∏oby si´ sprzyjaç wniesieniu istotnego wk∏a-
du w rozwój metod leczenia nowotworów.

Jednak ma∏y zespó∏ fizyków i in˝ynierów, od 5 lat prowa-

dzàcy badania finansowane jedynie ze Êrodków tego labora-
torium, przekszta∏ci∏ algorytmy komputerowe stosowane nie-
gdyÊ w projektowaniu broni jàdrowej w nowe obiecujàce
narz´dzie do leczenia nowotworów za pomocà promienio-
wania. System Peregrine, bo tak go nazwano, „jest naprawd´
wielkim krokiem naprzód” – zachwala Francis J. Mahoney,
szef ds. rozwoju radioterapii w National Cancer Institute.
Technologia ta powinna byç gotowa do wdro˝enia w oÊrod-
kach onkologicznych ju˝ w przysz∏ym roku.

Podstawowym celem projektu Peregrine – wyjaÊnia Chri-

stine L. Hartmann-Siantar kierujàca zespo∏em badawczym –
jest zwi´kszenie precyzji radioterapii. Co rok oko∏o 60% pa-
cjentów cierpiàcych na raka (mniej wi´cej 750 tys. osób tylko
w USA) jest poddawanych tej formie leczenia: wiàzki pro-
mieni rentgenowskich lub gamma zostajà wycelowane w gu-
zy nowotworowe w celu zniszczenia z∏oÊliwych komórek.
Przeci´tnie wyleczenia mo˝na si´ spodziewaç u oko∏o po∏o-
wy pacjentów, tych, których guzy sà umiejscowione i wra˝-
liwe na wysokoenergetyczne promieniowanie. Mimo to Radhe
Mohan z Medical College of Virginia ocenia, ˝e a˝ 120 tys.

tych dobrze rokujàcych pacjentów umiera co rok z wcià˝ nie
tkni´tym pierwotnym guzem nowotworowym.

Jednym z powodów ograniczonej skutecznoÊci leczenia jest

niemo˝noÊç dok∏adnego przewidzenia, jaka iloÊç energii wiàz-
ki promieniowania rentgenowskiego zostanie poch∏oni´ta
przez guz nowotworowy, a jaka – przez otaczajàcà go zdrowà
tkank´ – twierdzi Lynn J. Verhey zajmujàca si´ fizykà me-
dycznà w University of California w San Francisco. „Od wie-
lu lat – przypomina Edward I. Moses kierujàcy projektem Pe-
regrine – lekarze traktowali ludzkie cia∏o mniej wi´cej jak
worek z wodà zmniejszajàcy energi´ promieniowania rentge-
nowskiego wyk∏adniczo, wraz z g∏´bokoÊcià jego penetracji.”

WIADOMOÂCI

I

OPINIE

16

SYLWETKA

Thomas B. Cochran

11 ANTY(PO)WAGA
12 W SKRÓCIE
15 W LICZBACH

23

CYBERÂWIAT

POD LUPÑ

18

TECHNIKA

I BIZNES

10

NAUKA

I LUDZIE

DAWK¢ PROMIENIOWANIA dostarczonà do guza mózgu

(czerwony kolor oznacza wysokà) szacuje si´ na podstawie

przeliczenia wszystkich zdarzeƒ przytrafiajàcych si´

poszczególnym fotonom promieniowania rentgenowskiego
podczas przenikania przez czaszk´ pacjenta. Nowy system

komputerowy pozwala symulowaç zachowanie si´

100 mln fotonów (fioletowy) w ciàgu oko∏o 30 minut.

10 TYS. CZÑSTEK

10 MLN CZÑSTEK

100 MLN CZÑSTEK

1 MLN CZÑSTEK

LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY

Â

WIAT

N

AUKI

Lipiec 1998 9

Nowsze programy komputerowe, opierajàce

si´ na algorytmach konwolucyjnych, wykorzy-
stujà technik´ tomografii komputerowej (CT),
która pozwala zobrazowaç obszar wokó∏ guza
nowotworowego, dajàc lepsze przybli˝enie. „Jed-
nak wcià˝ nie radzà sobie tam, gdzie powietrze
styka si´ z tkankà, czy na granicy tkanek mi´k-
kich i koÊci” – twierdzi Verhey. W rezultacie –
wyjaÊnia Mahoney – czynnikiem zmniejszajàcym
skutecznoÊç radioterapii sà zazwyczaj efekty
uboczne wywo∏ane nie zamierzonym oddzia∏y-
waniem nadmiernych dawek promieniowania
na zdrowe tkanki. „JeÊli wi´c zdo∏amy to ograni-
czyç – kontynuuje – b´dziemy mogli zwi´kszyç
dawk´ promieniowania i zniszczyç wi´cej ko-
mórek rakowych.” Prawdopodobnie tak˝e ocaliç
˝ycie wielu pacjentom.

W zasadzie naukowcy ju˝ od kilkudziesi´ciu

lat znajà sposoby dok∏adniejszego wyliczenia dawki promie-
niowania. Symulacja za pomocà metody Monte Carlo polega
na Êledzeniu losów pojedynczego fotonu na jego drodze z lam-
py rentgenowskiej przez cia∏o pacjenta (a raczej przez jego
trójwymiarowy obraz uzyskany metodà tomografii kompu-
terowej). Wszystko, co przytrafia si´ temu fotonowi – zde-
rzenie z elektronem w skórze, jonizacja atomu wodoru we
krwi, a mo˝e nawet poch∏oni´cie przez wapƒ w koÊciach –
jest wyliczane z fundamentalnych praw fizyki, a tak˝e z do-
Êwiadczalnych pomiarów wykonanych w Livermore i zwery-
fikowanych w wybuchach bomb wodorowych.

To dopiero pierwszy krok. Kolejnym jest powtórzenie po-

wy˝szej procedury dla oko∏o 100 mln wytworzonych losowo
fotonów. Hartmann-Siantar przyznaje ˝e „jest to doÊç brutal-
ne rozwiàzanie problemu. Jeszcze w 1995 roku przeprowadze-
nie pe∏nej symulacji metodà Monte Carlo dla jednego pacjen-
ta zajmowa∏o oko∏o 200 godzin – dodaje. – Jasne, ˝e nie da si´
zastosowaç tej metody w klinice, gdzie ka˝dego dnia trzeba
leczyç wielu chorych.” Za pomocà systemu Peregrine mo˝na
uporaç si´ z tego rodzaju symulacjà stosowanà w planowaniu
radioterapii jednego pacjenta w niespe∏na pó∏ godziny. „Kie-
dy ludzie to s∏yszà, natychmiast podejrzewajà, ˝e zbytnio
uproÊciliÊmy obliczenia. To nieprawda, uwzgl´dniamy na-
wet rzadkie oddzia∏ywania – mówi Moses. Zespó∏ odrzuci∏
wiele zb´dnych za∏o˝eƒ w standardowych programach Mon-
te Carlo, takich jak Êledzenie ruchomych celów i wiàzek pro-
mieniowania zmieniajàcych kszta∏t i kierunek w czasie. – To
znacznie uproÊci∏o problem” – wyjaÊnia.

Wzmocnienie sprz´tu przyda∏o systemowi mocy. Zespó∏

zaprojektowa∏ oprogramowanie dzia∏ajàce równoczeÊnie na
wielu procesorach; obecnie system korzysta z 16 procesorów
Pentium Pro firmy Intel. Mo˝e si´ to wydawaç kosztowne,
jednak Moses ocenia, ˝e Peregrine jedynie o 10–15% zwi´kszy
koszt typowych systemów planowania radioterapii, których
ceny si´gajà 300 tys. dolarów.

JeÊli system Peregrine oka˝e si´ równie udany w praktyce

klinicznej jak w warunkach laboratoryjnych, b´dzie wart swej
ceny. Gdy radioterapeuci porównywali wyniki prognoz me-
todà Peregrine z rezultatami uzyskanymi za pomocà kon-
wencjonalnych algorytmów, stwierdzali rozbie˝noÊci, które
Mahoney okreÊla jako „doÊç szokujàce”. Twierdzi, ˝e jeÊli
analiza metodà Monte Carlo jest prawid∏owa, to „w pewnych
standardowych terapiach nowotworów umiejscowionych
w trudnych do planowania obszarach cia∏a – na przyk∏ad
w przypadku guzów piersi, p∏uc, rdzenia kr´gowego, g∏owy
lub szyi – pope∏nia si´ wiele b∏´dów”.

W retrospektywnych badaniach pacjentów z nowotwora-

mi gruczo∏u krokowego i rdzenia kr´gowego metoda Pere-

grine wykaza∏a na przyk∏ad, ˝e tradycyjna radioterapia powo-
dowa∏a nagromadzenie 5–10% mniej energii w guzach no-
wotworowych ni˝ przypuszczano. Wiàzki promieni, które
zdaniem radioterapeutów mia∏y dostarczyç Êmiertelnà daw-
k´ promieniowania do obszaru guza krtani, w rzeczywisto-
Êci nie likwidowa∏y raka.

„W tym uj´ciu najbardziej interesujàcy jest rak sutka – twier-

dzi Moses. – Standardowe algorytmy przewidujà zwykle nie-
wielkà dawk´ promieniowania kierowanà na skór´ piersi.
Jednak dobrze wiemy, ˝e oparzenia w tym rejonie sà praw-
dziwym problemem. Czasem kobiety muszà w ogóle prze-
rwaç leczenie. Peregrine wykazuje, ˝e skóra otrzymuje czte-
rokrotnie wi´kszà dawk´ promieniowania ni˝ dotàd sàdzono.
Podczas gdy stara metoda przewiduje równomierny rozk∏ad
promieniowania na powierzchni klatki piersiowej, z naszych
analiz wynika, ˝e stosowano «nakrapiany». Niektóre kobie-
ty po dotàd stosowanej terapii cierpià na stwardnienie pier-
si zwane zw∏óknieniem popromiennym.”

Choç naukowcy z Livermore sà przeÊwiadczeni, ˝e system

Peregrine oka˝e si´ zbawienny dla tysi´cy pacjentów, Ver-
hey jest ostro˝niejsza w ocenie. „Kilka podstawowych po-
miarów laboratoryjnych przeczy temu, czego moglibyÊmy
oczekiwaç na podstawie rezultatów zastosowania metody
Peregrine – twierdzi. – Dlatego uwa˝am, ˝e mamy przynaj-
mniej jeden niewielki problem, który wcià˝ wymaga rozwià-
zania. Lecz to wcale nie umniejsza mego entuzjazmu dla te-
go wa˝nego narz´dzia w planowaniu radioterapii.”

Prawdziwym sprawdzianem b´dzie oczywiÊcie wprowa-

dzenie systemu Peregrine do klinik. „Wkrótce z∏o˝ymy wnio-
sek o dopuszczenie tej metody do praktyki – zapewnia Moses.
Nie potrzeba ˝adnych badaƒ klinicznych, by Food and Drug
Administration potwierdzi∏a bezpieczeƒstwo metody. – B´dzie
to ∏atwiejsze ni˝ uzyskanie zgody na dopuszczenie nowego le-
ku – podkreÊla. – Musimy po prostu udowodniç, ˝e nasze ob-
liczenia sà nie mniej precyzyjne ni˝ stosowane dotychczas.”

Laboratorium Livermore prowadzi∏o rozmowy z kilkuna-

stoma firmami na temat w∏àczenia metody Peregrine do wio-
dàcych systemów planowania terapii. Rozmowy licencyjne
w tej sprawie sà przewidywane w koƒcu br. JeÊli wszystko
pójdzie g∏adko – twierdzi Moses – system mo˝e pojawiç si´
w szpitalach na poczàtku 1999 roku.

Dla Hartmann-Siantar nie b´dzie to koniec tego projektu –

wraz z kolegami planuje rozszerzyç program na naÊwietlania
elektronami i protonami. Uwa˝a to za sp∏at´ d∏ugu. „Gdy koƒ-
czy∏am studia, w ciàgu roku siedem osób z mojej rodziny
zmar∏o na raka – wspomina. – Dlatego w∏aÊnie si´ tym zaj-
muj´. Rak dotyka wszystkich.”

W. Wayt Gibbs

TERAPI¢ NOWOTWORU KRTANI (czerwony) planowano przeprowadziç

za pomocà standardowej techniki (z lewej), naÊwietlajàc rozleg∏y

obszar szyi leczniczà dawkà promieni rentgenowskich (˝ó∏ty).

Metoda Peregrine (z prawej) wykazuje, ˝e w rzeczywistoÊci nie dostarczono doÊç

energii do guza, by zniszczyç nowotwór. Obraz rentgenowski

przedstawia przekrój poziomy na odcinku szyjnym w pobli˝u

jab∏ka Adama (u góry zdj´ç), ukazujàc krtaƒ (czarny) i kr´gi szyjne (bia∏y).

ALGORYTM KONWENCJONALNY

ALGORYTM PEREGRINE

LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY