Η Μελέτη Ιατρικής Μηχανής Proton Ion (PIMMS), που ιδρύθηκε το 1996 από τη συνεργασία του Ιδρύματος CERN-TERA-MedAustron-Oncology2000, άνοιξε το δρόμο για την κατασκευή δύο κέντρων θεραπείας αδρονίου: CNAO στην Παβία (Ιταλία) και MedAustron στο Wiener Neustadt ( Αυστρία).
Μια παράλληλη πρωτοποριακή ανάπτυξη στο GSI παρήγαγε δύο παρόμοια κέντρα στη Γερμανία (HIT στη Χαϊδελβέργη και MIT στο Marburg). Από την έναρξη λειτουργίας της πρώτης εγκατάστασης το 2009, τα τέσσερα ευρωπαϊκά κέντρα θεραπείας αδρονίου έχουν θεραπεύσει περισσότερους από 10.000 ασθενείς με πρωτόνια ή ιόντα άνθρακα. Η βελτιωμένη υγεία και προσδόκιμο ζωής αυτών των ατόμων είναι η καλύτερη ανταμοιβή για το όραμα όλων εκείνων στο CERN και στο GSI που έθεσαν τα θεμέλια για αυτόν τον νέο τύπο θεραπείας καρκίνου.
Σχεδόν τέσσερα εκατομμύρια νέες περιπτώσεις καρκίνου διαγιγνώσκονται ετησίως στην Ευρώπη, περίπου τα μισά από τα οποία μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά με ακτίνες Χ με σχετικά χαμηλό κόστος. Όπου τα αδόνια είναι πλεονεκτικά είναι η θεραπεία βαριών όγκων κοντά σε κρίσιμα όργανα ή παιδιατρικών όγκων. Για αυτούς τους καρκίνους, το χαρακτηριστικό απόθεσης ενέργειας «Bragg peak» των φορτισμένων σωματιδίων μειώνει τη δόση ακτινοβολίας στα όργανα που περιβάλλουν τον όγκο, αυξάνοντας τα ποσοστά επιβίωσης και μειώνοντας τις αρνητικές παρενέργειες και τον κίνδυνο υποτροπής. Όσον αφορά τα πρωτόνια, τα ιόντα άνθρακα έχουν τα επιπρόσθετα πλεονεκτήματα του να χτυπήσουν τον στόχο με μεγαλύτερη ακρίβεια με υψηλότερο βιολογικό αποτέλεσμα, και ότι είναι αποτελεσματικά έναντι των υπεριωδών υποξικών όγκων, που αποτελούν μεταξύ 1 και 3% όλων των περιπτώσεων θεραπείας ακτινοβολίας. Οι υπάρχουσες εγκαταστάσεις αντιμετωπίζουν μόνο ένα μικρό κλάσμα όλων των ασθενών που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τη θεραπεία με αδρονίνη, ωστόσο. Η διάδοση αυτής της σχετικά νέας θεραπείας για τον καρκίνο περιορίζεται κυρίως από το κόστος της και από την ανάγκη για πιο προ-κλινική και κλινική έρευνα για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της.
Λαμβάνοντας υπόψη αυτούς τους περιορισμούς, πώς μπορεί η επιστημονική κοινότητα να συμβάλει στην επέκταση των οφελών της θεραπείας με αδρονίνη σε μεγαλύτερο αριθμό καρκινοπαθών; Για να επανεξετάσει αυτό και παρόμοιες ερωτήσεις, το CERN έδωσε πρόσφατα μια νέα ώθηση στις ιατρικές επιταχυντές του, μετά από μια μακρά διακοπή που αντιστοιχεί στη στιγμή που οι πόροι του CERN κατευθύνονται κυρίως προς την κατασκευή LHC Το πλαίσιο αυτής της ανανεωμένης προσπάθειας δόθηκε από το Συμβούλιο CERN το 2017 όταν ενέκρινε μια στρατηγική σχετικά με τη μεταφορά γνώσεων προς όφελος των ιατρικών εφαρμογών. Αυτή η στρατηγική ενθάρρυνε συγκεκριμένα νέες πρωτοβουλίες για να αξιοποιήσουν τις υπάρχουσες και τις επερχόμενες τεχνολογίες CERN και την τεχνογνωσία στις τεχνολογίες επιταχυντών προς το σχεδιασμό μιας νέας γενιάς επιταχυντών φωτός για ιατρική.
Το τοπίο θεραπείας με αδρονίνη το 2020 είναι πολύ διαφορετικό από αυτό που ήταν πριν από 20 χρόνια. Ο κύριος λόγος είναι ότι η βιομηχανία έχει εισέλθει στον τομέα και ανέπτυξε μια νέα γενιά συμπαγών κυκλοτρονίων για θεραπεία πρωτονίων. Πέρα από τα τέσσερα κέντρα αδρονίου (πρωτόνιο και ιόντα) υπάρχουν τώρα 23 βιομηχανικές εγκαταστάσεις στην Ευρώπη που παρέχουν μόνο θεραπεία πρωτονίων σε περίπου 4000 ασθενείς ετησίως. Χάρη σε αυτό το νέο σύνολο εγκαταστάσεων, η θεραπεία πρωτονίων έχει πλέον αναπτυχθεί πολύ και επεκτείνει προοδευτικά την εμβέλειά της σε ανταγωνισμό με πιο συμβατική θεραπεία ακτινογραφίας.
Παρά τα πολλά πλεονεκτήματά του έναντι των ακτίνων Χ και των πρωτονίων, η θεραπεία με ιόντα (κυρίως άνθρακας, αλλά άλλα ιόντα όπως το ήλιο ή το οξυγόνο είναι υπό μελέτη) εξακολουθεί να χορηγείται στην Ευρώπη μόνο από τις τέσσερις μεγάλες εγκαταστάσεις θεραπείας αδρονίου. Συγκριτικά, οκτώ επιταχυντές θεραπείας ιόντων λειτουργούν στην Ασία, οι περισσότεροι από αυτούς στην Ιαπωνία και τέσσερις άλλοι είναι υπό κατασκευή. Η ανάπτυξη νέων ειδικών μέσων για θεραπεία καρκίνου με ιόντα είναι μια ιδανική εφαρμογή για τεχνολογίες CERN, σύμφωνα με το ρόλο του CERN στην προώθηση της υιοθέτησης τεχνολογιών αιχμής που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καινοτόμα προϊόντα και να ανοίξουν νέες αγορές.
Επιταχυντές επόμενης γενιάς
Για να προωθήσουμε τη χρήση καρκινικής θεραπείας με ιόντα, χρειαζόμαστε επιταχυντή επόμενης γενιάς, ικανό να φέρει δέσμες ιόντων άνθρακα στην ενέργεια 430 MeV / u που απαιτείται για να καλύψει ολόκληρο το σώμα, με μικρότερες διαστάσεις και κόστος σε σύγκριση με τις μηχανές τύπου PIMMS. Ένας νέος σχεδιασμός επιταχυντή με βελτιωμένη ένταση και λειτουργική ευελιξία θα επέτρεπε επίσης ένα ευρύ ερευνητικό πρόγραμμα για τη βελτιστοποίηση ειδών ιόντων και τρόπων επεξεργασίας, σύμφωνα με αυτό που προβλέφθηκε από το ακυρωμένο πρόγραμμα BioLEIR στο CERN. Αυτό θα επέτρεπε την εξερεύνηση καινοτόμων διαδρομών για τη θεραπεία του καρκίνου, όπως η εξαιρετικά σύντομη θεραπεία με FLASH ή ο πολλά υποσχόμενος συνδυασμός θεραπείας ιόντων με ανοσοθεραπεία, η οποία αναμένεται να προκαλέσει ανοσοαπόκριση ενάντια σε διασκορπισμένους καρκίνους και μεταστάσεις.
Η ανάπτυξη νέων ειδικών εργαλείων για θεραπεία καρκίνου με ιόντα είναι μια ιδανική εφαρμογή για τεχνολογίες CERN
Αυτές οι εκτιμήσεις αποτελούν το θεμέλιο της μελέτης Next Ion Medical Machine (NIMMS), μιας νέας πρωτοβουλίας CERN που στοχεύει στην ανάπτυξη συγκεκριμένων τεχνολογιών επιταχυντή για την επόμενη γενιά εγκαταστάσεων θεραπείας ιόντων και θα βοηθήσει στην κατάλυση μιας νέας ευρωπαϊκής συλλογικής δράσης για θεραπεία με δέσμες ιόντων. Οι δραστηριότητες NIMMS ξεκίνησαν το 2019, μετά από ένα εργαστήριο στο ESI Archamps το 2018, όπου οι κοινότητες ιατρών και επιταχυντών συμφώνησαν σε βασικές προδιαγραφές για μια μηχανή νέας γενιάς. Εκτός από τις μικρότερες διαστάσεις και το κόστος, αυτά περιλαμβάνουν ένα υψηλότερο ρεύμα δέσμης για ταχύτερη επεξεργασία, λειτουργία με πολλαπλά ιόντα και ακτινοβόληση από διαφορετικές γωνίες χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ατσάλινων σκελετών.
Αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις των νέων σχεδίων με μειωμένες διαστάσεις, το CERN βασίζεται στις αναπτυξιακές εργασίες που προωθήθηκαν την τελευταία δεκαετία από το Ίδρυμα TERA. Η μείωση των διαστάσεων του επιταχυντή από τα συμβατικά συγχρονόμετρα που χρησιμοποιούνται μέχρι τώρα μπορεί να πάρει διαφορετικές κατευθύνσεις, εκ των οποίων οι δύο είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρες. Η πρώτη είναι η κλασική προσέγγιση της χρήσης υπεραγωγιμότητας για την αύξηση του μαγνητικού πεδίου και τη μείωση της ακτίνας του συγχροντρόν, και η δεύτερη συνίσταται στην αντικατάσταση του συγχρονισμού με έναν γραμμικό επιταχυντή υψηλής διαβάθμισης με ένα νέο σχέδιο – σύμφωνα με το linac treatment proton αναπτύχθηκε από την ADAM, μια εταιρία spin-off της CERN και της TERA που αποτελεί πλέον μέρος του ομίλου AVO. Ο στόχος και στα δύο σχέδια είναι να μειωθεί η επιφάνεια που καταλαμβάνεται από τον επιταχυντή κατά περισσότερο από έναν συντελεστή δύο, από περίπου 1200 έως 500 m 2. Έχοντας υπόψη αυτά τα ζητήματα, η μελέτη NIMMS έχει δομηθεί σε τέσσερα πακέτα εργασίας.
Ο κύριος δρόμος για μειωμένες διαστάσεις είναι η υπεραγωγιμότητα και ο στόχος του πρώτου πακέτου εργασίας είναι η ανάπτυξη νέων σχεδίων υπεραγώγιμων μαγνητών για παλμική λειτουργία, με μεγάλα ανοίγματα και καμπυλότητες κατάλληλο για μια ιδανική διάταξη «τετραγωνικού» συγχρονισμού με μόνο τέσσερις μαγνήτες 90 μοιρών. Διερευνούνται διαφορετικές έννοιες, με κάποια προσοχή στον λεγόμενο σχεδιασμό συνημίτονο-θήτα (βλέπε “Συνδυασμένες περιελίξεις”) που χρησιμοποιούνται για παράδειγμα σε διορθωτές τροχιάς για το LHC υψηλής φωτεινότητας, του οποίου πρόσφατα μια ομάδα στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley ανέπτυξε ένα καμπύλο πρωτότυπο για ιατρικές εφαρμογές. Άλλες επιλογές που μελετώνται βασίζονται σε πιο παραδοσιακά σχέδια συνημίτονο-θήτα (βλ. «Σπλιτ ζυγό») και στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων των σύγχρονων υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.
Το δεύτερο πακέτο εργασίας καλύπτει το σχεδιασμό ενός συμπαγούς γραμμικού επιταχυντή βελτιστοποιημένου για εγκατάσταση σε νοσοκομεία. Λειτουργώντας στα 3 GHz με υψηλές κλίσεις πεδίου, αυτός ο σχεδιασμός linac επωφελείται από την τεχνογνωσία που αποκτήθηκε με επιταχυνόμενες δομές που αναπτύχθηκαν για το προτεινόμενο Compact Linear Collider (CLIC) και χρησιμοποιεί ως εγχυτήρα μια νέα πηγή για πλήρως απογυμνωμένο άνθρακα με βάση το REX-ISOLDE σχέδιο. Η πηγή ακολουθείται από τετράπολο ραδιοσυχνοτήτων 750 MHz χρησιμοποιώντας τον σχεδιασμό που αναπτύχθηκε πρόσφατα στο CERN για ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές.
Το τρίτο πακέτο εργασίας NIMMS επικεντρώνεται σε συμπαγή υπεραγώγιμα σχέδια για το κιβώτιο, το μεγάλο στοιχείο που απαιτείται για την ακριβή παράδοση ακτίνων ιόντων στον ασθενή που είναι κρίσιμο για το κόστος και την απόδοση μιας εγκατάστασης ιοντοθεραπείας. Το πρόβλημα της ενσωμάτωσης μιας οπτικής δέσμης μεγάλης αποδοχής με ένα συμπαγές υπεραγώγιμο μαγνητικό σύστημα σε μια στιβαρή μηχανική δομή είναι μια ιδανική πρόκληση για την τεχνογνωσία των ομάδων επιταχυντών CERN. Εξετάζονται δύο σχέδια: ένα ελαφρύ περιστροφικό στύλο που καλύπτει μόνο 180 μοίρες που είχε προταθεί αρχικά από την TERA και το τοροειδές σκελετό GaToroid που αναπτύσσεται στο CERN.
Η NIMMS θα εξετάσει νέα σχέδια για τον εγχυτήρα linac, με μειωμένο κόστος και διαστάσεις
Το τέταρτο πακέτο εργασίας είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη νέων σύγχρονων σχεδίων συγχρονισμού και στην ενσωμάτωσή τους σε μελλοντικές εγκαταστάσεις έρευνας και θεραπείας για τον καρκίνο. Για να μειωθεί ο χρόνος θεραπείας, ο στόχος είναι να επιταχυνθεί περισσότερο από μια τάξη μεγέθους υψηλότερου ρεύματος από ό, τι στις σημερινές ευρωπαϊκές εγκαταστάσεις. Αυτό απαιτεί προσεκτική έγχυση πολλαπλών στροφών στον δακτύλιο και αυστηρό έλεγχο της οπτικής δέσμης, τα οποία προσθέτουν σε άλλα ειδικά χαρακτηριστικά του νέου σχεδιασμού, συμπεριλαμβανομένης μιας γρήγορης εξαγωγής που θα κάνει δυνατές τις δοκιμές με τη νέα εξαιρετικά γρήγορη μέθοδο επεξεργασίας FLASH. Εξετάζονται δύο διατάξεις συγχρονισμού, μια πιο συμβατική με μαγνήτες θερμοκρασίας δωματίου (βλ. «Ιόντα για θεραπεία») και μια πολύ συμπαγής υπεραγωγική μία από τις περιφέρειες των 27 μέτρων. Το τελευταίο, εξοπλισμένο με ένα σκελετό νέου σχεδιασμού,2 . Επιπλέον, η NIMMS θα εξετάσει νέα σχέδια για το εγχυτικό linac, με μειωμένο κόστος και διαστάσεις και θα περιλαμβάνει την επιλογή να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ιατρικών ραδιοϊσοτόπων – για απεικόνιση και θεραπεία – κατά τη διάρκεια του κατά τα άλλα αδράνειας μεταξύ δύο ενέσεων συγχροντρόν.
Φιλόδοξο πρόγραμμα εργασίας
Αυτό το φιλόδοξο πρόγραμμα εργασίας υπερβαίνει τους πόρους που μπορεί να διαθέσει το CERN σε αυτήν τη μελέτη και η ανάπτυξή του απαιτεί συνεργασίες σε διαφορετικά επίπεδα. Ο πρώτος ενθουσιώδης εταίρος είναι ο νέος οργανισμός SEEIIST (Νοτιοανατολικό Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Βιώσιμων Τεχνολογιών), που στοχεύει στη δημιουργία πανευρωπαϊκής εγκατάστασης για έρευνα και θεραπεία καρκίνου με ιόντα (βλ. «Ιόντα για θεραπεία»). Το SEEIIST ήδη ενώνει τις δυνάμεις του με το NIMMS υποστηρίζοντας το προσωπικό που εργάζεται στο CERN σχετικά με το σχεδιασμό συγχρονισμού και ατσάλινων σκελετών. Η δεύτερη συνεργασία είναι με τα κέντρα θεραπείας ιόντων CNAO και MedAustron, τα οποία αξιολογούν τον προτεινόμενο σχεδιασμό υπεραγωγών ατσάλινων σκελετών με σκοπό την επέκταση των θεραπευτικών δυνατοτήτων των εγκαταστάσεων τους. Ένας τρίτος κρίσιμος συνεργάτης είναι το CIEMAT, το οποίο θα κατασκευάσει τον προ-εγχυτήρα linac υψηλής συχνότητας και θα το επικυρώσει με δέσμη. Άλλοι συνεργάτες που συμμετέχουν στη μελέτη σε διαφορετικά επίπεδα είναι οι GSI, PSI, HIT, INFN, Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, Imperial College και φυσικά το TERA που παραμένει μια από τις κινητήριες δυνάμεις πίσω από τις εξελίξεις των ιατρικών επιταχυντών. Αυτή η ευρεία συνεργασία πέτυχε να προσελκύσει πρόσθετη υποστήριξη από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή μέσω δύο πρόσφατα εγκεκριμένων έργων που ξεκίνησαν το 2021. Το πολυτομεακό έργο HITRIplus σχετικά με τη θεραπεία ιόντων περιλαμβάνει πακέτα εργασίας αφιερωμένα στον σχεδιασμό επιταχυντή, ατσάλινου και υπεραγωγού μαγνήτη, ενώ το έργο IFAST για κοπή- Το edge accelerator R&D περιέχει ένα φιλόδοξο πρόγραμμα που εστιάζει στη βελτιστοποίηση και την παραγωγή πρωτοτύπων υπεραγωγών μαγνητών για τη θεραπεία ιόντων με τη βιομηχανία. και φυσικά το TERA που παραμένει μια από τις κινητήριες δυνάμεις πίσω από τις εξελίξεις των ιατρικών επιταχυντών. Αυτή η ευρεία συνεργασία πέτυχε να προσελκύσει πρόσθετη υποστήριξη από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή μέσω δύο πρόσφατα εγκεκριμένων έργων που ξεκίνησαν το 2021. Το πολυτομεακό έργο HITRIplus σχετικά με τη θεραπεία ιόντων περιλαμβάνει πακέτα εργασίας αφιερωμένα στον σχεδιασμό επιταχυντή, ατσάλινου και υπεραγωγού μαγνήτη, ενώ το έργο IFAST για κοπή- Το edge accelerator R&D περιέχει ένα φιλόδοξο πρόγραμμα που εστιάζει στη βελτιστοποίηση και την παραγωγή πρωτοτύπων υπεραγωγών μαγνητών για θεραπεία με ιόντα με τη βιομηχανία. και φυσικά το TERA που παραμένει μια από τις κινητήριες δυνάμεις πίσω από τις εξελίξεις των ιατρικών επιταχυντών. Αυτή η ευρεία συνεργασία πέτυχε να προσελκύσει πρόσθετη υποστήριξη από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή μέσω δύο πρόσφατα εγκεκριμένων έργων που ξεκίνησαν το 2021. Το πολυτομεακό έργο HITRIplus σχετικά με τη θεραπεία ιόντων περιλαμβάνει πακέτα εργασίας αφιερωμένα στον σχεδιασμό επιταχυντή, ατσάλινου και υπεραγωγού μαγνήτη, ενώ το έργο IFAST για κοπή- Το edge accelerator R&D περιέχει ένα φιλόδοξο πρόγραμμα που εστιάζει στη βελτιστοποίηση και την παραγωγή πρωτοτύπων υπεραγωγών μαγνητών για τη θεραπεία ιόντων με τη βιομηχανία.
Κάθε τεχνολογία ξεκινά από ένα όνειρο και οι επιταχυντές σωματιδίων είναι εκεί για να εκπληρώσουν ένα από τα παλαιότερα: κοιτάζοντας μέσα στο ανθρώπινο σώμα και θεραπεύοντάς το χωρίς αιματοχυσία. Εναπόκειται σε εμάς να αναπτύξουμε περαιτέρω τα εργαλεία για την πραγματοποίηση αυτού του ονείρου.