Fyzika a medicína

Franco Francia: Někteří vynikající vědci v CERN se nedávno pustili do řešení některých základních problémů v oblasti medicíny, nových zdrojů energie a životního prostředí. To, že se rozhodli realizovat projekty vyžadující nejen rozsáhlé znalosti, ale i mimořádné řídící a diplomatické schopnosti, asi není náhodou. Co si o tom myslíte?

Ugo Amaldi: Už dříve vědci a inženýři opouštěli CERN, aby se věnovali rozsáhlým projektům v aplikovaném výzkumu. Např. John Adams v šedesátých letech odešel řídit výzkum jaderné fúze do Culhamu ve Velké Británii, a podobně Otto Wüster, který se později stal ředitelem JET (Joint European Torus). Není tedy třeba hledat nové důvody k vysvětlení fenoménu, který provází CERN po celou dobu jeho existence.

Rovněž by nebylo správné, aby se z nynějšího zapojení fyziků, jako jsou Georges Charpak, Carlo Rubbia nebo já, do aplikovanějších oborů vyvodilo, že už není zajímavé pracovat v základním výzkumu. Naopak, jsem přesvědčen, že jsme na prahu nové éry a máme na dosah ruky objev nového typu hmoty.

Ani skutečnost, že dnešní společnost z rozličných důvodů požaduje od vědců praktické a rychlé výsledky, by nebyla správným vysvětlením. Myslím, že jde o čistě osobní rozhodnutí či pocit nutnosti odsunout základní výzkum do pozadí a věnovat se činnosti, kterou považují za důležitou.

F. F.: Souhlasím s vámi, že jde spíše o individuální volbu některých fyziků než o trend v CERN. Existují však nějaké důvody, které by mohly vysvětlit vaše nynější aktivity?

U. A.: Jistě. Bez zkušeností získaných v CERN na  experimentu DELPHI bych nemohl řídit projekt TERA, věnovaný novým způsobům léčení nádorových onemocnění. CERN je z hlediska rozsahu mezinárodní spolupráce zcela unikátním pracovištěm.

V CERN se rozsáhlá spolupráce stala časem nutností; spolupráce nebyla věcí politické volby. Naučili jsme se pracovat v týmu s lidmi, kteří mají jiné názory, dokázali jsme se obohacovat vzájemnými rozdíly a respektovat je. Účast v současných obrovských experimentech, ve kterých se používají nejrůznější špičkové techniky, nám dává zkušenosti užitečné pro řízení rozsáhlých projektů.

Lidé v CERN měli možnost získat vědomosti a zkušenosti jako nikdo jiný. Nebylo by tedy ekonomicky ani morálně ospravedlnitelné, kdyby se tento fond nevyužil ve prospěch společnosti.

Soustředit v projektu TERA 150 lidí, kteří přicházejí z tak rozmanitých oborů, jako jsou medicína, radiobiologie, informatika a fyzika, není snadné. Řídit tuto 150člennou skupinu je dokonce obtížnější než řídit skupinu DELPHI, která byla sice daleko větší a vědci v ní pocházeli z 20 zemí s různými kulturními zvyklostmi, ale jejich jazyk byl stejný: byl to společný jazyk fyziky.

F. F.: Jaké byly vaše osobní motivace?

U. A.: Každá motivace, podle mého názoru, má jeden obecnější a jeden spíš bezprostřední důvod. Ten první sahá do doby, kdy jsem patnáct let pracoval ve Fyzikální laboratoři Ústavu zdravotnictví v Římě a zabýval se konvenčním zářením, betatronem, ochranou před zářením v blízkosti jaderných zařízení.

Ten druhý důvod mi přinesla náhoda. Když jsem v Itálii přednášel fyziku záření, setkal jsem se s profesorem Gianpierem Tosim, známým odborníkem na fyziku záření. Společně jsme r. 1988 diskutovali o tom, co by se mělo udělat, aby se Itálie dostala na technickou špičku v radiační onkologii.

F. F.: TERA je projekt, který by měl posunout kupředu boj proti rakovině. Jaký je váš názor na pouta, která odedávna spojují základní výzkum ve fyzice částic a medicínu?

U. A.: Před sto lety objevil Wilhelm Röntgen paprsky X. Nástroj čisté fyziky, který chtěl Thomson používat k měření náboje elektronu, byl okamžitě použit k zhotovování rentgenových snímků v lékařské diagnostice. Na začátku našeho století už byl stejný nástroj používán i k terapii. Bylo však třeba spousty času k pochopení fyziky záření, zpočátku se dělaly chyby, ale mezi dvěma světovými válkami, a především po druhé světové válce byl vývoj metod spojených s aplikací této fyziky prakticky ukončen. Po rentgenových paprscích se objevily betatron, aplikace kobaltu a lineární urychlovače elektronů. Všechny tyto aplikace jsou přímým důsledkem vývoje přístrojů vynalezených pro základní výzkum ve fyzice.

Pak přišla tomografie, která je výsledkem uplatnění metod informatiky, také původně vyvinutých pro fyziku, na systém rentgenových snímků. Další pomocnice lékařské diagnostiky – jaderná magnetická rezonance – je také spojena s CERN. Jeho první ředitel F. Bloch za její objev obdržel Nobelovu cenu. Diagnostika pomocí pozitronů používá krystaly, které byly vyvinuty pro detekci záření. V této oblasti byl velmi významný přínos G. Charpaka. Později jsme byli svědky využití elektronových synchrotronů pro mamografii a pro snímky kardiovaskulárního systému.

Tento stručný výčet však dává představu jen o přímém působení fyziky v diagnostice a terapii rakoviny. Mohli bychom také uvést příklady, jak výzkum ve fyzice ovlivnil vývoj lékařské techniky a technologie s řadou praktických uplatnění – nové slitiny a materiály na výrobu protéz, umělé srdce, přístroje, které měří a zpracovávají data na počítači pro diagnostiku onemocnění.

Vidíte, že i bez přesunu lidí z jednoho oboru do druhého může samotný přesun vědomostí přinést všeobecně užitečné výsledky. Všechno však stojí peníze. Klademe si otázku: můžeme si dovolit poskytnout každému péči na nejvyšší technické úrovni? Existuje jistě přirozený limit výdajů, které můžeme obětovat zdraví. Vývoj fyziky, biologie a ostatních věd je limitován víc ekonomickými a společenskými možnostmi než složitostí samotných vědeckých problémů. Nemůžeme si též dovolit ve světě, kde existují obrovské rozdíly v životní úrovni, „utrácet“ pro část populace neúměrně mnoho peněz na zdravotnictví. Je to etický problém.

Cíle projektu TERA

F. F.: Jaké jsou cíle projektu TERA?

U. A.: Experti odhadují, že kolem r. 2010 dosáhne v Evropské unii počet obyvatel zasažených během života rakovinou zhruba jedné třetiny. Zasažena bude téměř každá rodina. A to z různých důvodů. Významná část vzrůstu výskytu nádorových onemocnění je způsobena stárnutím populace, ale také faktem, že lidé kouřili a stále kouří.

Nyní se asi 45 % všech případů rakoviny vyléčí (za vyléčené se považují nemocní, kteří přežijí bez symptomů onemocnění alespoň pět let). Přibližně k polovině případů uzdravení dochází díky operačnímu vynětí rakovinou zasažené části, v dalších zhruba čtyřiceti procentech díky zničení rakovinných buněk – radioterapií (25 %) a kombinací radioterapie s chirurgickým zákrokem (15 %). Léčebné techniky a přístroje se vyvíjely postupně: rentgenové paprsky o energii 200 keV, dále kobaltová bomba, jejíž fotony mají energii 1,2 MeV, betatrony, a nakonec lineární urychlovače, kde energie částic dosahuje 25 MeV.

Konvenční ozařování je poměrně účinné, ale zdaleka ne dokonalé

Ve srovnání s minulostí máme nyní k dispozici záření, které je pronikavější a jehož rozptyl v okolí nemocné zóny je méně významný; současné konvenční ozařování již méně poškozuje zdravé tkáně, ale má ještě k dokonalosti daleko. Některé případy nádorových onemocnění v blízkosti životně důležitých orgánů jako mozek, nervové uzliny, konečník, prostata, čelisti ad. nemohou být léčeny konvenčním ozařováním.

Dnes je v Evropě konvenčním ozařováním léčeno 350 000 osob ročně. Pomocí protonů a hadronů bychom mohli značně zlepšit účinnost tohoto léčení, protože hadrony, na rozdíl od elektronů, uvolňují největší část energie na konci své dráhy, tedy tam, kde se nachází rakovinou zasažená část. Je tak možno efektivněji ničit nemocné buňky a okolní zdravé zachovat.

Některé typy nádorů jsou radiorezistentní, to znamená, že nemohou být zničeny, aniž by byly okolní zdravé tkáně vážněji poškozeny. Podstatné zlepšení péče může zajistit hadronová terapie. V praxi používáme jádra vodíku (protony) a jádra dalších atomů, např. kyslíku a uhlíku. Hadrony totiž pronikají tkání s minimálním rozptylem v zóně, kterou procházejí, a dovolují přesnější zaměření cílové – nádorové – oblasti.

Strategie projektu TERA

Projekt TERA se skládá ze tří částí. Jsou to projekty:

1. Centrum hadronové terapie, které bude pravděpodobně vybudováno ve městě Novara, v blízkosti nemocnice. Ředitelem projektu je M. Silari z CNR v Miláně. Toto centrum se od ostatních tří pracovišť ve světě bude lišit tím, že dá lékařům k dispozici ionty, protony a neutrony přímo v nemocnici.
2. Urychlovač protonů Compact (malý, nepříliš drahý, s jednoduchou obsluhou), který může být instalován na ploše 300 m² přímo v nemocnicích.
3. Síť RITA (Rete Italiana Trattamenti Adroterapici), která by měla propojit nejen všechny nemocnice vybavené urychlovači, ale i přidružené nemocnice, aby umožnila dialog mezi lékaři.

Rychle jsme si totiž uvědomili, že nestačí vytvořit centrum, ale je také velmi důležité vybudovat informační síť, která lékařům umožní konzultovat optimální způsob léčby. Strategie sítě je tedy základem všech našich postupů. Síť RITA by měla propojit tři typy pracovišť: centrum hadronové terapie, centrum protonové terapie, přidružená centra.

Centra protonové terapie by měla být rozmístěna po území státu a vybavena „levným“ malým urychlovačem Compact pro urychlování protonů, které budou schopny proniknout 25 cm do těla pacienta. Tato centra umožní léčit pacienty z velké spádové oblasti.

Přidružená centra představují článek, který je nejblíže k pacientovi. Lékaři pracující v těchto centrech budou prostřednictvím informační sítě vybavené multimediální komunikační technikou konzultovat se specializovanými pracovišti optimální způsob léčby jednotlivých případů onemocnění.

V současné době ve Spojených státech používají protonové svazky dvě lékařská centra – v Loma Lindě, kde bylo během tří let léčeno asi 1 000 pacientů, a v Massachussettské všeobecné nemocnici v Bostonu, která je průkopníkem v tomto oboru.

Typy nádorů odolné vůči záření

Doufáme, že pomocí iontů budeme moci léčit i radiorezistentní nádory. Radiobiologické údaje totiž ukazují, že 10 % nádorů je sice radiorezistentních vůči rentgenovým paprskům a protonům, ale mohly by být léčeny ionty. Problém radiorezistentních nádorů ještě není plně vyřešen. Zdá se, že má nějakou spojitost s rychlostí rozmnožování buněk. Chystáme se provést odpovídající výzkum ještě dříve, než ionty použijeme k léčbě. Doposud bylo pomocí iontů léčeno pouze 400 pacientů v Berkley na urychlovači Bevalac, který byl bohužel zastaven před dvěma lety. V Evropě má být uveden do provozu urychlovač iontových svazků v GSI v Darmstadtu r. 1996; zde se také bude provádět výzkum léčebných postupů. V Japonsku byl uveden do provozu iontový urychlovač r. 1992.

G. Harigel: Mohl byste nám říci něco o neutronové terapii, která se provozovala ve Fermilabu, a o urychlovači, který sestrojil P. Livdahl pro Loma Lindu?

U.A.: Fermilab je v aplikaci urychlovacích technik do nemocnic opravdovým průkopníkem. Ředitel laboratoře Bob Wilson r. 1946 napsal první zprávu o užití Braggova piku pro terapii rakoviny.

Ve Fermilabu byl sestrojen synchrotron, který pak byl instalován v nemocnici v Loma Lindě. Jde o první pracoviště, které použilo protonovou terapii.

Aplikace neutronů

Svazky neutronů byly použity asi na 15 000 pacientech na světě. První použití sahá do r. 1938, kdy E. O. Lawrence vynalezl cyklotron. Jeho bratr, který byl lékař, použil neutrony získané pomocí tohoto cyklotronu k léčbě rakoviny. Bohužel výsledky nebyly dobré kvůli špatnému ovládání svazku neutronů, který má tendenci se rozptylovat. Nyní existuje okolo dvaceti pracovišť vybavených cyklotrony o energii 60 MeV k léčbě neutrony, které se z hlediska účinnosti řadí mezi fotony a protony. Neutrony jsou používány na radiorezistentní nádory např. v Centru A. Lacassagne v Nice. V iontech jsou spojeny vlastnosti protonů a neutronů: právě z tohoto důvodu se vkládají do použití iontů velké naděje.

F. F.: Obrátil jste se na specialisty z jiných zemí než z Itálie proto, abyste projekt mohl uskutečnit?

U. A.: Využili jsme pomoci amerických, francouzských, ruských a švédských vědců. Co se týče koncepce urychlovačů, spolupracuje s námi řada odborníků, kteří pracují nebo dlouho pracovali v CERN, jako Guido Petrucci, Mario Weiss a Pierre Lefevre. Zapojili jsme všechny čtyři italské výzkumné instituce: INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), ISS (Istituto Superiore di Sanitá), ENEA (Ente per le Nuove Tecnologie et Ambiente) a CNR (Consiglio Nazionale di Ricerca).

S experty z Novosibirska jsme spolupracovali na konstrukci kompaktního protonového synchrotronu. K. Crandal (USA) s M. Weissem a G. Picardim z Frascati studovali novou strukturu kompaktního lineárního urychlovače protonů.

Pierre Mandrillon, který řídil evropský projekt EULIMA a sestrojil MEDICYC, nám pomáhá s koncepcí supravodivého cyklotronu.

V poslední době začínáme spolupracovat i s českými vědci a s a.s. Škoda Plzeň. Financování projektu bude provedeno i pomocí nadací. Soukromé zdroje nám už vynesly milion švýcarských franků.

G. H.: Jaké jsou zvláštní nároky na svazky?

U. A.: Naším cílem je realizovat přístroj, který by fungoval „na stisknutí knoflíku“, a to tak, aby mohl být ovládán minimálním počtem operátorů. Pro malá centra počítáme maximálně se třemi nebo čtyřmi operátory. Intenzita svazků je tak slabá, že nehrozí nebezpečí radioaktivity. Naproti tomu čas, který vyžaduje nastavení pacienta do takové polohy, aby byly zasaženy pouze nemocné buňky, je asi 30 minut, tedy dvojnásobek času potřebného při konvenční radioterapii. To zvyšuje náklady na operaci, ale je to cena za kvalitnější léčbu.

Vše, co víme, bylo nebo bude publikováno

F. F.: Budou zkušenosti získané při realizaci projektu TERA k dispozici všem, nebo budou patentovány, což by bránilo rychlému šíření podobných iniciativ?

U. A.: Děláme to v duchu CERN. Vše, co jsme věděli, bylo publikováno ve svazku distribuovaném v červenci 1994, který obsahuje předběžný projekt, a budeme v této činnosti pokračovat. Nevylučuji, že pokud bude někdo mít dobrý nápad ohledně nějakého konkrétního detailu, mohl by si ho dát patentovat. Koneckonců instituce, které nám poskytly peníze, by byly rády, kdyby se jim část vynaložených prostředků vrátila. V každém případě bude vybavení pracovišť vyráběno průmyslově a na komerční bázi.

Co říci studentům?

F. F.: Jak uvést v soulad potřebu důkladné znalosti jedné disciplíny a specializace v ní, a potřebu odborníků schopných syntézy všech znalostí?

U. A.: Je třeba začít víceoborovým studiem a trochou praxe; po ukončení studia je důležité se soustředit na jedno jediné odvětví. Pokud možno provozovat základní výzkum ve zvoleném oboru, ale zůstat otevřený práci v jiném odvětví. Později, až když je člověk schopen posoudit, která volba byla ta pravá, zkusit se obrátit k té „pravé“ práci. Jsem si vědom, že většinou není lehké opustit své prostředí.

Co se týče mladých fyziků, kteří začínají pracovat na některém z velkých experimentů CERN, je třeba dbát na to, aby se jim zadávaly práce, při kterých se naučí všem aspektům povolání, jinak později nebudou schopni pracovat samostatně.