Pět „nej“ podle Physics World

Významný a vlivný časopis Physics World oslavil 25. narozeniny. Při této příležitosti sestavil několik fyzikálních „nej“ : 5 největších objevů ve fyzice za posledních 25 let, 5 nejhezčích fyzikálních fotografií posledního čtvrtstoletí, 5 největších dosud nevyřešených fyzikálních záhad, 5 osobností s největším vlivem na fyzikální výzkum a především 5 fyzikálních objevů konce 20. století s největším potenciálem významně prospět lidstvu). Jsou to:

1. hadronová terapie,
2. kvantové počítače,
3. grafen,
4. nanoskopické super-čočky,
5. přeměna kinematické energie na elektřinu pomocí triboelektrického jevu.

Zastavíme se hned u toho prvního – ten totiž už přináší užitek, a to dokonce přímo u nás v České republice, zatímco čtyři zbývající představují spíše slibný potenciál v ne tak vzdálené budoucnosti.

Hadronová terapie se začala vyvíjet již ve 30. letech minulého století. Vynálezce prvního urychlovače částic, Ernest Orlando Lawrenece (cyklotron v roce 1932), si celkem záhy uvědomil aplikační potenciál svého vynálezu v lékařství a již v roce 1938 jeho matka podstoupila úspěšně léčbu ozařováním pomocí cyklotronu. Lékařský potenciál ozařování byl znám už Wilhelmu C. Röntgenovi, který objevil X-záření, jak jej tehdy nazval, v roce 1895 a již v roce 1896 byla publikována kniha popisující aplikace první udělené Nobelovy ceny za fyziku v roce 1901.

V čem je tedy ozařování hadrony tak jiné, že jej Physics World zařadil mezi 5 „nej“, když ozařování paprsky gama se používá už poměrně dlouho? Röntgenovo záření jsou totiž také paprsky gama v určitém rozmezí vlnové délky a to vše je vlastně elektromagnetické záření, tedy fotony. Důvod spočívá ve fyzice. To, jak se záření chová při průchodu hmotou a tedy také v těle pacienta, velmi silně závisí na hmotnosti částic samotného záření. Zatímco fotony mají nulovou hmotnost, protony jsou z tohoto pohledu těžké částice. Fotony se proto stále pohybují rychlostí světla v daném prostředí, naproti tomu hmotné částice ionizací svého okolí rychlost ztrácejí, až se nakonec zbrzdí úplně. Velikost ionizace je navíc nepřímo úměrná rychlosti částice. Pokud částice prochází živým organizmem, pak právě ionizací dochází k poškození tkáně.

Obr. č. 1: Rozložení dávek v případě léčby zářením gama a protony

V případě léčby nádorů má tento fyzikální mechanizmus dalekosáhlé důsledky. Ty jsou znázorněny na obrázku č. 1, kde procenta udávají dávku absorbovanou tkání, přičemž dávka absorbovaná v nádoru je označena jako 100 %. Vlevo dole je pak znázorněno rozložení dávky v případě léčby zářením gama a vpravo při ozařování protony. Je vidět, že při ozařování paprsky gama zdravá tkáň dostává dávku ještě o 20 % větší než nádor, který má být zničen.

Obr. č. 2a: Absorbovaná dávka při ozáření fotony (žlutě) a protony (zeleně) z jednoho směru.

Obr. č. 2b: Absorbovaná dávka při ozáření fotony (žlutě) a protony (zeleně) při ozáření ze čtyř různých stran.

Aby se omezil tento nepříznivý efekt, používá se takový typ ozařování, kdy výsledná dávka, kterou je zasažen nádor, se skládá z několika dílčích dávek cílených z různých směrů. I při tomto přístupu jsou však protony daleko efektivnější. Je to vidět na obrázcích č. 2a a 2b, kde dvojice obrázků č. 2a znázorňuje absorbovanou dávku, tedy vlastně poškození tkáně, při ozáření fotony (žlutě) a protony (zeleně) z jednoho směru. Na obr. č. 2b je totéž, pokud je ozáření provedeno ze čtyř různých stran. I v tomto případě při aplikaci záření gama – fotonů, je zdravá tkáň v okolí nádoru zasažena dávkou, která představuje více než polovinu dávky mířící do nádoru.

Popsaný fyzikální princip je dávno známý, ale teprve ohromný pokrok v technologii urychlovačů, v elektronice a ve výpočetní technice ve druhé polovině 20. století umožnil dovést toto vše do široké praxe. V roce 1996 probíhala v budově AV ČR putovní výstava Hadrony pro zdraví), která poutavě shrnovala problematiku léčebného využití urychlovačů částic. Již tehdy existovala léčebná centra v USA, Japonsku, Jižní Africe, Rusku, Švýcarsku, Švédsku, Francii, Velké Británii, v Německu a mnohá další byla ve stádiu přípravy. Dnes léčbu pomocí hadronů podstupuje přes 10 tisíc pacientů ročně. Je potěšitelné, že tuto možnost mají nyní i občané v České republice - hadronová terapie je dostupná v protonovém centru v Praze.