Částicová fyzika je fascinující obor, který odkrývá taje světa a vesmíru, ale kromě toho má i spoustu ryze praktických uplatnění. Martin Sýkora využívá ve své práci oboje. Jako doktorand se zabývá studiem mezonů a vývojem nových křemíkových detektorů pro experiment ATLAS v ženevském CERN. Jako radiologický fyzik pomáhá v pražském Protonovém centru léčit pacienty s rakovinou. „Protonová terapie potvrzuje, jak moc důležitý je pro společnost základní výzkum, i když primárně negeneruje zisk,“ říká mladý vědec a organizátor Masterclasses v částicové terapii.
K čemu slouží protonová terapie a v jakých případech se k ní nejčastěji přistupuje?
Metoda protonové terapie se využívá pro léčbu onkologicky nemocných pacientů. Jedná se o neinvazivní metodu, která je díky svým vlastnostem využitelná pro opravdu širokou škálu nádorových onemocnění. Přednostně se k ní zatím přistupuje zejména v případech, kdy je obzvláště důležité ochránit před radiací okolní zdravé tkáně, tedy například pokud se nález nachází poblíž citlivých orgánů (mediastinum, vybrané nádory plic atd.), uprostřed těla (nádory slinivky, mozkové nádory, krční mandle, jícen aj.) nebo jedná-li se o pacienta mladšího věku či dítě (kraniospinální osa, lymfomy atd.). Nicméně v hojné míře jsou protonovými svazky ozařovány také nejběžnější lokality jako karcinomy prostaty a prsu.
Jaké jsou hlavní rozdíly oproti běžné terapii?
Mluvíme-li o radioterapii pomocí ionizujícího záření, tak kromě protonů a uhlíkových iontů lze použít také asi nejrozšířenější fotonovou léčbu nebo například specializovanější terapii pomocí elektronů. Protony a obecně i jádra těžších prvků, než je vodík, mají unikátní vlastnosti interakce s materiálem. Oproti fotonovým svazkům, jejichž intenzita klesá v látce exponenciálně, a tedy nejvíce energie zanechají vždy na počátku své dráhy, protony většinu své energie předají okolí až na jejím konci v rámci tzv. Braggova píku. To jim dává skvělé předpoklady mimo jiné i pro léčbu nádorů lokalizovaných hlouběji v těle. Obecně platí, že pro dostatečné poškození DNA nádorových buněk musíte těmto buňkám dodat energii v nějakém nadlimitním množství, ale zároveň samozřejmě chcete minimalizovat dávku, kterou předáte zdravým tkáním. Na to je protonová léčba naprosto ideální.
Odkdy se „léčba protony“ využívá v praxi?
První předklinické testy konceptu protonové léčby jsou datovány již do 50. let 20. století. Krásné na tom je, že urychlovačová technologie, která je dnes základem této terapeutické metody, byla v daném období vyvinuta v rámci základního fyzikálního výzkumu laboratoří, z níž později vzešla centra Fermilab nebo CERN. Je to další ukázka toho, jak moc důležitý pro společnost základní výzkum je, i když primárně negeneruje zisk. Nicméně uplatnění protonové léčby se v medicínské praxi v rámci dostupné zdravotní péče rozvinulo ve specializovaných centrech až v 90. letech.
Výsledky metody jsou minimálně srovnatelné s konvenční fotonovou léčbou s benefitem potlačení sekundárních nežádoucích účinků na zdravé tkáně. To je ovšem velmi individuální a bohužel existuje v současné době velmi málo klinických studií pro různé lokality v těle srovnávající obě modality. To už jsou ale biologické efekty a já věřím, že podobných studií bude přibývat. Z fyzikálního hlediska mají protony jasnou výhodu.
Jak moc se tato metoda za poslední roky posunula?
Jak už jsem naznačil, je to klinicky velmi mladá metoda. Její vývoj dál pokračuje navzdory tomu, že již teď má velmi dobré výsledky. V počátcích se například pro zacílení svazku využíval proces pasivního rozptylového terčíku a kombinace systému kolimátorů a kompenzátorů. Dnes již téměř všechna centra aplikují tzv. „pencil beam scanning“, metodu využívající magnetického usměrňování úzkého kolimovaného svazku do malé oblasti nádoru. Takto je pak celý objem nádoru pečlivě „vykreslen“ v řádu desítek sekund až jednotek minut.
Do budoucna se počítá s postupným zaváděním právě vyvíjené inovativní metody FLASH, která by operovala s velmi vysokými dávkovými příkony a byla by schopná významně zredukovat ozařovací čas na maximálně jednotky sekund stejně jako celkový počet ozařovacích frakcí. Tato metoda má také za cíl ještě více minimalizovat nežádoucí účinky na zdravé tkáně.
V Protonovém centru, které je součástí Fakultní nemocnice Bulovka, pracujete jako radiologický fyzik. Jste spíš lékař anebo vědec?
Vlastně ani jedno a oboje zároveň. Radiologický fyzik by se měl alespoň hrubě orientovat v CT snímcích, které lékaři okonturují a na kterých je pak v plánovacím software vytvořen ozařovací plán. Tento plán musí projít kontrolou radiologického fyzika, který ho dále ověří na urychlovači, abychom se ujistili, že vše dávkově souhlasí. Fyzik ale musí i ověřovat dozimetrické vlastnosti všech používaných zařízení, a zvláště u prvních nastavení pacientů pomáhá s jejich správnou fixací, což je jedna z hlavních prerekvizit úspěšné terapie. Přirozeně, pokud špatně nastavíte pacienta, pak zcela jistě ozáříte vyšší dávkou i jiný než pouze cílový objem. Nicméně jako všichni fyzici máme potřebu mít i své vědecké projekty, jezdíme s výledky po konferencích a píšeme odborné články.
Jaká zařízení hrají při ozařování klíčovou roli a jak celý proces vlastně probíhá?
Srdcem je cyklotron, který umožňuje urychlit protony na energie kolem 230 MeV. Klíčové jsou dále systémy vedení svazku, fokusace a aplikační nozzle. Veškeré fyzikálně-dozimetrické parametry svazku jsou monitorovány. Pro fixaci a výběr správné nádechové hladiny pacienta jsou pak na každé ze čtyř ozařoven další speciální systémy včetně vysoce přesného polohovacího stolu s šesti stupni volnosti.
Z pohledu pacienta proces probíhá tak, že se mu po konzultaci s lékařem udělá úvodní plánovací CT a případně vyrobí fixační maska. Obvykle během několika dní je plán hotový a zverifikovaný, je tedy možné začít s ozařovacími frakcemi, jejichž počet závisí silně na diagnóze. Vždy je kontrolována správná fixace pomocí rentgenů a čas od času je pomocí kontrolního CT vyhodnoceno, jestli se pacient fyziologicky během léčby nezměnil natolik, že je potřeba udělat úpravu plánu, což se nezřídka stává.
Čím vás oslovila radiologická, resp. částicová fyzika?
Osobně mne vždy fascinovaly takové ty základní otázky života, vesmíru a vůbec. Proto jsem se chtěl věnovat nějakému oboru, který by mě k odpovědím přiblížil. Osud tomu chtěl, že jsem se ve druhém ročníku studia fyziky na Matfyzu dostal v rámci studentského fakultního grantu k projektu vývoje nového křemíkového trackovacího detektoru pro komplex ATLAS ve švýcarském centru CERN, kde jsem při častých jednáních hltal nejen zkušené kolegy kolem mě, ale i tamní inspirativní prostředí. V naší rodině máme ale velmi blízko ke zdravotnictví a bohužel také neblahé zkušenosti s rakovinou, takže když jsem potom při doktorském studiu částicové fyziky hledal nějakou zajímavou zkušenost, bylo celkem přirozenou volbou spojit síly s Protonovým centrem v Praze. Jsem rád, že mohu fyzikální cestou pomáhat lidem, kteří to potřebují.
Přímo v Protonovém centru jste nedávno s kolegy uspořádal dvě úspěšné Masterclasses. Co bylo smyslem této akce?
Program International Physics Masterclasses je celosvětová akce zaměřená primárně na popularizaci základního výzkumu ve fyzice mezi středoškoláky. Každý rok se jí zúčastní přes 13 000 studentů z více než 60 zemí světa. Donedávna se program omezoval pouze na akce tematicky zaměřené na urychlovačové experimenty ve švýcarském CERN nebo japonském KEK (v ČR většinou pořádané MFF UK nebo FJFI ČVUT), ale v posledních letech se kolegům z německého centra GSI pro výzkum těžkých iontů podařilo ve spolupráci s CERN uvést k životu akci stejného formátu zaměřenou na částicovou terapii. Pilotní ročník této akce jsem v ČR pořádal v roce 2021 pod hlavičkou MFF UK ještě v covidovém online režimu. Letos se vzhledem k mému částečnému úvazku v Protonovém centru přímo nabízelo uspořádat s pomocí dalších kolegů podobnou akci naživo přímo v prostorách centra. Akci jsme záměrně uspořádali v čase odstávky cyklotronu, aby studenti mohli nahlédnout i do míst běžně nepřístupných a odnést si co nejvíce zážitků a poznatků. Měli také možnost si na vlastní kůži vyzkoušet plánování ve specializovaném softwaru matRad a nakonec při videokonferenci s ostatními pořádajícími institucemi a GSI odprezentovat své závěry. Podle pozitivních ohlasů a hojné účasti na obou termínech předpokládáme, že akce se líbila a měla snad i úspěch.
Čemu se aktuálně věnujete? Chystáte do budoucna nějaké podobné akce pro veřejnost/studenty?
V rámci své doktorské práce dokončuji vývoj a přípravu produkce křemíkových stripových modulů pro příští generaci detektoru ATLAS v CERN, který bude součástí chystaného upgradu urychlovače na High-Luminosity LHC. Věnuji se ale také analýze současných dat z detektoru ATLAS v oblasti výzkumu úhlových rozdělení v rozpadu B mezonů. V této oblasti zájmu existují jisté anomálie, které by potenciálně mohly souviset s nějakou novou fyzikou za Standardním modelem částicové fyziky. Obecně se rád věnuji popularizačním akcím a určitě plánujeme do budoucna pokračovat minimálně s dalšími Masterclasses projekty. Připravuje se také akce pro středoškoláky opakující se každé dva roky s názvem Částicová Praha, která se bude konat v září a kde určitě povedu jeden z výzkumných projektů, takže na tu rád studenty pozvu!
Mgr. Martin
Sýkora
Na MFF UK dokončuje doktorské studium v oboru částicová a jaderná fyzika.
Pracuje na vývoji nových radiačně odolných stripových křemíkových
detektorů pro další generaci detektoru ATLAS ve švýcarském CERN. Kromě
toho se také zabývá analýzou úhlových rozdělení B mezonů na detektoru
ATLAS, což je jedna ze slibných oblastí nalezení fyziky za dosud známým
Standardním modelem částicové fyziky. V Protonovém centru Praha pracuje
jako radiologický fyzik. Jako organizátor se podílí na mezinárodním
projektu International Masterclasses.
Mohlo by vás také zajímat:
Začínající
fyzik: Věda je vzrušující cesta
Tereza
Jeřábková: Vesmír je moje laboratoř
Teoretická
fyzička: Dělat vědu má smysl