DE TRAGE OPKOMST VAN EEN ZEER EFFECTIEVE TECHNIEK: PROTONENTHERAPIE SAMENVATTING Tot nog toe werden ongeveer de helft van de kankerpatiënten behandeld met röntgenstraling. Inmiddels is ook de protonentherapie al steeds verder ontwikkeld en is de eerste patiënt in Nederland al behandeld. Op dit moment is de behandeling met protonentherapie nog erg duur en moet de techniek nog verder ontwikkelt worden. Toch zijn er al veel voordelen aan verbonden. Er kan namelijk een zeer nauwkeurige en begrensde dosisafgifte plaatsvinden, waardoor er minder van deze dosis in het gezonde omliggende weefsel terechtkomt. Hierdoor kan er ook meer dosisafgifte plaatsvinden op een relatief ongevoelige tumor zonder de maximale dosis te overschrijden. Bij het gebruik van protonentherapie is er sprake van een zogenoemde Braggpiek, hier hebben alle protonen hun energie volledig afgegeven aan het weefsel. De dosis voor deze Braggpiek is ook veel lager dan de dosis bij fotonenbundels. Met protonentherapie kan er dus veel gerichter behandeld worden en blijft het weefsel om de tumor beter bespaard. INHOUDSOPGAVE Samenvatting............................................................................................................................................................................................. 1 Inleiding....................................................................................................................................................................................................... 3 Het ontstaan van röntgenstraling: De rontgenbuis ............................................................................................................. 3 De moeilijkheid bij röntgenstraling ........................................................................................................................................... 3 Protonentherapie ten opzichte van fotonentherapie ......................................................................................................... 4 Hoe werkt protonentherapie? ...................................................................................................................................................... 5 Het voordeel van protonentherapie .......................................................................................................................................... 5 Ontwikkeling van de techniek ...................................................................................................................................................... 5 Protonentherapie wereldwijd ...................................................................................................................................................... 5 Protonentherapie in Nederland ................................................................................................................................................... 6 Conclusie ..................................................................................................................................................................................................... 6 Literatuur .................................................................................................................................................................................................... 6 2 INLEIDING Ongeveer de helft van alle kankerpatienten wordt behandeld met straling. Tot zover gebeurt dit in Nederland standaard met röntgenstraling (De Boer, 2015). Terwijl in sommige andere landen patiënten met protonen worden bestraald. Waarom gebeurt dit en is dit effectiever dan behandeling door middel van röntgenstraling, of zijn er andere zaken die meespelen in het gebruik van deze techniek? Eerst zullen we een regelmatige toegepaste techniek in de behandeling tegen kanker beschrijven. Dit is röntgenstraling. Vervolgens beschrijven we hoe zich dit varieert ten opzichte van protonentherapie. Ten slotte beschouwen we de techniek van de protonentherapie, de voordelen van deze techniek en ontwikkelingen in deze techniek. HET ONTSTAAN VAN RÖNTGENSTRALING: DE RONTGENBUIS Mischa Hoogeman is klinisch fysicus bij het Erasmus MC en is erg betrokken bij de bouw van een protonenkliniek in Delft. Hij ziet een klinisch fysicus als een apotheker. Een apotheker zorgt ervoor dat een medicijn kloppend wordt samengesteld en een klinisch fysicus zorgt ervoor dat een patiënt met de juiste dosis aan straling wordt bestraald door het bestralingsapparaat (De Boer, 2015). Een lineaire versneller is een belangrijk onderdeel uit de röntgenbuis volgens Hoogeman. Deze versnelt elektronen door een groot spanningsverschil in de röntgenbuis (Cutnell, Johnson, Young & Stadler, 2015) tot een energie tussen de 6 MeV tot 18 MeV en schiet deze vervolgens op een trefplaatje af (de anode). Uit dit trefplaatje worden fotonen gegenereerd. Deze aan energierijke röntgenstraling behandelt de patiënt (De Boer, 2015), zoals ook te zien is op in figuur 1. Deze straling komt vanuit verschillende hoeken om het gezonde daarnaast liggende weefsel zo min mogelijk te bestralen. Verschillende hoeken van bestraling geven een driedimensionale dosisverdeling. Deze dosisverdeling ligt zo krap mogelijk om het doel heen. DE MOEILIJKHEID BIJ RÖNTGENSTRALING Zo’n bestralingsplan is dus nog niet zo eenvoudig om te maken volgens Hoogeman. Er zitten meerdere randvoorwaarden aan het plan en deze zijn vaak strijdig met het doel. Het gezonde weefsel rond de tumor wil je een lage dosis geven, terwijl je de tumor zelf juist een hoge dosis wilt geven. Het is volgens Hoogeman ook soms lastig te bepalen in hoe sterke mate je een belangrijk orgaan spaart t.o.v. van een ander kritiek orgaan. Voor het maken van een bestralingsplan is daardoor ook veel toegepaste wiskunde nodig. Er wordt daarom ook onderzoek gedaan naar numerieke optimalisatiemethoden (De Boer, 2015). Figuur 1. De werking van de röntgenbuis. Overgenomen uit Hoe ontstaat röntgenstraling? door Natuurkunde.nl 3 PROTONENTHERAPIE TEN OPZICHTE VAN FOTONENTHERAPIE Tumoren zijn over het algemeen goed te behandelen met fotonentherapie. Het nadeel van fotonentherapie is dat de dosisafgifte van een fotonenbundel het hoogste is op 15 mm onder de huid. Wanneer de tumor dieper ligt, krijgt het weefsel voor de tumor dus een hogere dosis dan de tumor. In de praktijk komt het erop neer dat we hierom meerdere fotonenbundels gebruiken, zodat het weefsel om de tumor bespaard blijft en de tumor zelf de hoogste dosis krijgt. Het voordeel van protonenbundels ten opzichte van fotonenbundels is dat er sprake is van een zogenoemde Braggpiek. Zie hiervoor figuur 2 hiernaast. Hierin zijn de dieptedosiscurve van een Figuur 2. Dieptedosiscurve van een protonenbundel met een energie van 125MeV en een fotonenbundel geproduceerd met een 6 MeV protonenbundel met een energie van 125MeV en elektronenbundel. Overgenomen uit Protonenonderzoek in Nederland (p. 345) een fotonenbundel geproduceerd met een 6 MeV door De Boer, M., 2015. elektronenbundel zichtbaar. Beide curves zijn genormeerd op maximale dosis. De Braggpiek ligt bij protonen op ongeveer 110mm diepte. Op deze piek geven alle protonen hun energie volledig af aan het weefsel. Verder is er te zien dat de dosis voor de Braggpiek veel lager is ten opzichte van de dosis van de fotonen. Na de Braggpiek wordt er zelfs helemaal geen dosis mee afgegeven. Door gebruik te maken van protonenbundels in plaats van fotonenbundels kan er dus veel gerichter behandeld worden en zal het weefsel om de tumor beter bespaard blijven (De Boer, 2015). Dit is goed weergegeven in figuur 3 hieronder. Figuur 3. Het verschil tussen röntgenstraling en protonentherapie. Overgenomen uit How Does Proton Therapy Work? door The National Association for Proton Therapy. 4 HOE WERKT PROTONENTHERAPIE? Alle weefselcellen zijn opgebouwd uit moleculen, met atomen als bouwstenen. In de orbitalen van de kern bevinden zich negatief geladen elektronen. Wanneer de positief geladen protonen (met hoge energie en hoge snelheid) langs de elektronen schieten, worden de elektronen aangetrokken door de protonen en uit hun orbitaal ‘getrokken’. Dit heet ionisatie, dit zorgt voor een verandering in het atoom en daarmee ook in het molecuul. Door de ionisatie en de bijbehorende verandering wordt het molecuul en met name het DNA beschadigd, omdat de samenstelling hiervan wijzigt. Kankercellen kunnen zich slechter herstellen dan gezonde cellen en hierdoor lopen kankercellen meer permanente schade op dan de gezonde cellen (The National Association for Proton Therapy, z.d.). HET VOORDEEL VAN PROTONENTHERAPIE Het voordeel van protonentherapie is dat er een zeer nauwkeurig en begrensde dosisafgifte plaatsvindt (De Boer, 2015). Er komt daardoor minder van de dosis terecht in het omringende gezonde weefsel. Doordat er een nauwkeurigere dosisafgifte plaatsvindt, kan bijvoorbeeld ook meer dosisafgifte op een relatief ongevoelige tumor plaatsvinden. Echter is het nadeel van deze therapie dat deze wijze van behandelen een stuk duurder is dan de huidige vorm met röntgenstraling. ONTWIKKELING VAN DE TECHNIEK Het idee om protonen te gebruiken is afkomstig van Robert Wilson. Hij heeft er in 1946 al over geschreven. Het idee bestaat dus al langer, maar de techniek was tot nu toe niet geperfectioneerd. Door middel van passive scattering kan de dosisverdeling aan de achterkant van de tumor goed aangepast worden, aan de voorkant lukte dit nog niet. Bij passive scattering wordt er een koperen schijf geplaatst, met dezelfde openingsgrootte als de tumor zelf, naast de patiënt. Vervolgens wordt een protonenstraal door deze opening gestuurd richting de tumor (Yock, 2014). Echter komt er een neutronen dosis vrij bij het bestralen met protonen van de koperen schijf. Echter was de techniek nog zeer arbeidsintensief, waren de materiaalkosten zeer hoog voor deze techniek en was de beeldsturing nog niet optimaal. Een optimale beeldsturing zorgt ervoor dat er zoveel mogelijk gezond weefsel gespaard wordt. Inmiddels is de beeldsturing sterk verbeterd. Daarnaast is ook de manier van dosisafgifte verbeterd, inmiddels wordt er gebruik gemaakt van zogenoemde pencil beams. Dit zijn kleine protonenbundels die gebruikt worden om de gehele tumor in ‘’te kunnen kleuren’’ met dosis. Het koperen materiaal van passive scattering is niet meer nodig bij deze techniek, omdat de diameter van de protonenstraal zeer dun is en beter te richten is. Hierdoor komt er geen neutronen dosis meer vrij (Yock, 2014). Andere voordelen van deze techniek zijn dat het nu minder arbeidsintensief is t.o.v. eerdere technieken en dat de apparatuur tegenwoordig meer gebruikt wordt en hierdoor goedkoper is. PROTONENTHERAPIE WERELDWIJD In een aantal landen wordt er op dit moment al protonentherapie gegeven. Dit zijn: Zwitserland, Duitsland, de Verenigde Staten en Japan. De resultaten lijken tot nu toe goed, al zijn er echter nog weinig studies gedaan en wordt er nog maar een kleine groep mensen behandeld door middel van protonentherapie (De Boer, 2015). 5 PROTONENTHERAPIE IN NEDERLAND Januari 2018 is de eerste Nederlands patiënt behandeld met protonentherapie. In het UMC Groningen is namelijk een Protonen Therapie Centrum geopend. Op dit moment is de therapie voor zeven verschillende indicaties toegelaten. Voor Prostaatkanker, longkanker, borstkanker, oogmelanoom, kindertumoren, tumoren in de schedelbasis en hoofd- en halstumoren (Longkanker Nederland, 2018). In Nederland mogen er jaarlijks 2200 patiënten met protonentherapie worden behandeld. Dat is 4% van de jaarlijkse patiënten die met radiotherapie worden behandeld. Er wordt dus bij iedere patiënt die wordt aangemeld voor radiotherapie onderzocht of deze patiënt baat heeft bij protonentherapie. Er zijn namelijk tumoren die heel goed te behandelen zijn met radiotherapie en hiermee alle tumorcellen verwijderd kunnen worden. Door bij deze patiënten gebruik te maken van protonentherapie zal de toxiciteit verlaagd worden, want de dosis aan het omliggende, gezonde weefsel wordt verlaagd. Er zijn echter ook patiënten waarbij het nodig is om de tumor een hogere dosis te geven. Soms kan de dosis niet verhoogd worden door de toxiciteit, door gebruik te maken van protonentherapie zou dat wel kunnen. Er komt dan namelijk minder van de dosis terecht in het gezonde weefsel (De Boer, 2015). CONCLUSIE Kortom, door gebruik te maken van protonentherapie in plaats van fotonentherapie kan het gezonde weefsel om de tumor heen beter bespaard blijven en kan een tumor een hogere dosis krijgen. Tot nu toe is protonentherapie erg duur en arbeidsintensief en zijn ze nog bezig de technieken verder te ontwikkelen. Uiteindelijk zat protonentherapie ervoor zorgen dat kankerpatiënten een minder hoge dosis overbodige straling krijgen. LITERATUUR Cutnell, J. D., Johnson, K. W., Young, D., & Stadler, S. (2015). Introduction to Physics (10e ed.). Hoboken, Verenigde Staten: Wiley. De Boer, M. (2015). Protonenonderzoek in Nederland. Nederlandse Tijdschrift voor Natuurkunde, 81, 344–347. Geraadpleegd van https://hubl.hu.nl/archive/file/240053 Longkanker Nederland. (2018, 26 januari). Eerste patiënt in Nederland behandeld met protonentherapie. Geraadpleegd op 8 april 2019, van https://www.longkankernederland.nl/eerste-patient-in-nederlandbehandeld-met-protonentherapie/ Natuurkunde.nl. (z.d.). Hoe ontstaat Röntgenstraling? [Illustratie]. Geraadpleegd op 6 april 2019, van https://www.natuurkunde.nl/opdrachten/748/hoe-ontstaat-rntgenstraling The National Association for Proton Therapy. (z.d.). Science of Proton Therapy: How It Works - NAPT. Geraadpleegd op 8 april 2019, van httpshttps://www.proton-therapy.org/science/://www.protontherapy.org/science/ Yock, T. I. (2014, 23 april). Study shows proton therapy cuts risk of secondary tumors nearly in half compared to photon radiation | Proton Therapy Today. Geraadpleegd op 8 april 2019, van http://www.proton-therapy-today.com/study-shows-proton-therapy-cuts-risk-of-secondary-tumorsnearly-in-half-compared-to-photon-radiation/ 6
