Medycyna nuklearna – historia i dzień dzisiejszy

25.08.2022

Medycyna nuklearna jest samodzielną dziedziną medycyny wykorzystującą w diagnostyce i leczeniu promieniowanie jonizujące emitowane przez radioizotopy. Jej rozwój opiera się na osiągnięciach z zakresu fizyki, chemii, biologii.

Medycyna nuklearna jest także istotnym narzędziem w definiowaniu kolejnych teorii kosmologicznych i filozoficznych w medycynie.

– Jej rozwój jest niekończącą się, pasjonującą historią. Prekursorami medycyny nuklearnej byli badacze różnych dziedzin nauki a beneficjentami pozostają chorzy wymagający terapii: spersonalizowanej, precyzyjnej, bezpiecznej i skutecznej jednocześnie – mówi prof. Leszek Królicki, kierownik Zakładu Medycyny Nuklearnej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, konsultant krajowy w dziedzinie medycyny nuklearnej.

Funkcja – nie tylko obraz

Współczesna medycyna, zarówno w zakresie diagnostyki, jak i terapii, wymaga szczegółowych informacji dotyczących nie tylko zmian morfologicznych (zmian w budowie narządów), ale także tłumaczących przyczynę ich występowania i zaburzeń, które powodują. Mówiąc inaczej, współczesna medycyna opiera się przede wszystkim na informacjach dotyczących zaburzeń czynnościowych, funkcjonalnych. Zgodnie z poglądami francuskiego fizjologa, Cl. Bernarda, przyczyną procesów chorobowych są zaburzenia czynnościowe, które dopiero wtórnie prowadzą do zmian morfologicznych.

Tak więc, aby poznać przyczynę choroby, musimy poznać przyczynę zaburzeń w funkcjonowaniu narządu, komórki; przyczynę zmian na poziomie molekularnym. Dzięki możliwości stosowania różnego rodzaju znaczników – radiofarmaceutyków, wskazujących na zaburzenia funkcjonalne na poziomie molekularnym, medycyna nuklearna jest obecnie jednym z najważniejszych narzędzi w badaniach funkcjonalnych.

Słoń i komar - wyjątkowa czułość

Metody medycyny nuklearnej wyróżniają się na tle innych dostępnych technik diagnostycznych wyjątkową czułością. W medycynie nuklearnej możliwe jest stwierdzenie „in vivo” zmian w stężeniu wybranej substancji chemicznej już wówczas, gdy sięgają one 10-11 mol. Stosując technikę tomografii rezonansu magnetycznego, można ocenić zmiany w stężeniu badanej substancji, gdy różnice stężeń sięgają 10-4 mol, czyli są znacznie, znacznie większe (widoczne są dopiero wtedy, kiedy choroba jest bardziej zaawansowana).

Mówiąc obrazowo, różnicę między 10-11 i 10-4 można porównać do różnicy w wadze słonia i komara. Bardzo dobrym przykładem jest diagnostyka choroby Parkinsona. W początkowym okresie tego schorzenia obserwuje się zmniejszenie stężenia przekaźników synaptycznych (dopaminy) o około 10-11mol, co można już stwierdzić z zastosowaniem technik medycyny nuklearnej - wiele lat przed wystąpieniem pierwszych objawów klinicznych choroby!

Wyjątkowe promieniowanie

Jak wspomniano, medycyna nuklearna jest efektem współpracy naukowców wielu dziedzin nauki. Wielu z nich zostało laureatami nagrody Nobla. W tym miejscu należy podkreślić przede wszystkim osiągnięcia Henri Becquerel’a i Piotra Curie oraz Marii Curie-Skłodowskiej (odkrycie naturalnej promieniotwórczości). Także późniejsze dokonania uznanej za najbardziej wpływową kobietę na świecie Marii Curie-Skłodowskiej a także jej córki Ireny Joliot-Curie oraz zięcia Fryderyka Joliot były kamieniami milowymi w powstaniu medycyny nuklearnej. Małżonkowie Joliot opisali, jak w sposób sztuczny w warunkach laboratoryjnych można otrzymać zaprojektowany wcześniej radioizotop. Warto podkreślić, że radioizotopy otrzymywane dzięki badaniom małżonków Joliot są obecnie stosowane w milionach procedur medycznych rocznie. Ich użycie ratuje miliony chorych.

Fizyka i medycyna

Idea mówiąca o tym, że promieniotwórczość może zostać wykorzystana w medycynie, była bliska już prekursorom medycyny nuklearnej. Twórcy filmowej biografii Marii Curie-Skłodowskiej przypominają w jednej ze scen, jak do laboratorium małżonków Curie ustawiali się w kolejce paryscy lekarze proszący o próbki radioaktywnego radu, stosowanego do leczenia zmian nowotworowych skóry. Metoda polegająca na naświetlaniu zmian chorobowych promieniowaniem emitowanym przez radioizotop w postaci zamkniętego źródła promieniowania jest nazywana brachyterapią – znamienne, że we Francji wciąż nazywana jest Curie-terapią.

Medycyna i filozofia

Zjawisko sztucznej transmutacji, polegające na emisji promieniowania jonizującego w wyniku spontanicznego rozpadu promieniotwórczego, zostało opisane przez Ernesta Rutheforda, który w 1908 roku za to odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla. Badacz wprowadził do nauki pojęcia takie jak: czas półtrwania, promieniowanie alfa i beta, radon, jądro atomowe, protony. Warto nadmienić, że podobnie jak w wielu innych przypadkach wybitnym odkryciom w obszarze fizyki, chemii i innych dyscyplin towarzyszyła nowa idea postrzegania świata. Pewnym potwierdzeniem tej koncepcji jest fakt, że Ernest Rutheford był członkiem Amerykańskiego Towarzystwa… Filozoficznego.

Technologie kosmiczne

Aby zastosować niewidzialne promieniowanie w medycynie, konieczne okazało się skonstruowanie urządzeń, które mogłyby je mierzyć i obrazować jego rozkład w organizmie. Roentgen w celu pomiaru promieniowania X zastosował folię światłoczułą. W przypadku medycyny nuklearnej technika ta okazała się jednak niewystarczająca. Pierwsze tego typu urządzenie zostało skonstruowane w 1950 roku przez Benedicta Cassena. Był to scyntygraf liniowy. Aparat zbudowany był z pojedynczej sondy scyntylacyjnej, która skokowo przesuwała się na specjalnym ramieniu poruszanym przez silnik elektryczny nad badanym narządem i mierzyła kolejno radioaktywność w rzucie bardzo małych objętości. Było to możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych ołowianych kolimatorów, ograniczających pole widzenia sondy. Mierzone radioaktywności były z kolei rejestrowane przez drukarkę na papierze lub na błonie światłoczułej.

Drugim urządzeniem była gamma kamera scyntylacyjna, skonstruowana przez Hala Angera w 1952 roku. W aparacie tym zastosowano duży kryształ i wiele fotopowielaczy, co umożliwiało jednoczesny pomiar radioaktywności w rzucie całego badanego narządu. Możliwe okazały się badania dynamiczne. Obydwa aparaty opierały się na zjawisku scyntylacji i scyntylatorach połączonych z fotopowielaczami czyli lampami próżniowymi pozwalającymi na zamianę scyntylacji (błysku świetlnego) na prąd elektryczny. Pierwszy scyntylator zawierający płytkę z naniesionym siarczkiem cynku skonstruował Wiliam Crookes w 1903 roku. Naukowiec użył go do badania właściwości promieniowania alfa.

Cząstki elementarne

Odkryciem o niezwykle istotnym znaczeniu dla medycyny nuklearnej było stwierdzenie istnienia pozytonu (antycząstki elektronu), za które w 1933 roku Nagrodę Nobla otrzymał Paul Dirac (ściślej: za odkrycie, że elementarne cząstki antymaterii mogą mieć ładunek dodatni lub ujemny). Za potwierdzenie istnienia pozytonów w 1936 roku nagrodzony Noblem został Carl Anderson, który dokonując analiz promieniowania kosmicznego potwierdził istnienie elektronów i właśnie pozytonów.

Kolejnym kamieniem milowym w historii wybitnych osiągnięć naukowych, które złożyły się na podwaliny medycyny nuklearnej było zdefiniowanie zjawiska anihilacji i pomiar promieniowania pozytonowego metodą koincydencji, dokonane przez Richarda P. Feynmana i nagrodzone Nagrodą Nobla w 1965 roku. Wszystkie te osiągnięcia stały się podstawą do wprowadzenia nowej - niezwykle ważnej - technologii w medycynie: pozytonowej tomografii emisyjnej.

PET

Dwa wstępne doniesienia o możliwościach zastosowania promieniowania pozytonowego w medycynie (z wykorzystaniem techniki koincydencji) zostały opublikowane niezależnie od siebie w 1951 roku. Dotyczyły one diagnostyki guzów mózgu. Szczegółową publikację na temat zastosowania wykrywania koincydencji do lokalizacji guzów mózgu opublikowali G. Brownell i W. Sweet z Massachusetts General Hospital (MGH) w 1953 r. Autorzy zastosowali 74As w diagnostyce guzów mózgu. Związki Astatu dyfundują przez uszkodzoną barierę krew-mózg, dzięki czemu możliwe było lokalizowanie zmian chorobowych w mózgowiu (wykazywały one zwiększoną radioaktywność w porównaniu do prawidłowych obszarów mózgowia). Na tej samej zasadzie działają obecnie stosowane środki kontrastowe w badaniach TK czy MRI. Tak więc idea zrodzona w laboratorium medycyny nuklearnej jest wykorzystywana do tej pory również w innych technikach obrazowania.

Radioizotopy i terapia celowana

W 1908 roku Paul Erlich otrzymał Nagrodę Nobla za ideę znaną jako „magic bullet”. Pojęcie to oznaczało leki, które po podaniu do organizmu działałyby wyłącznie na komórki zmienione chorobowo - bez wpływu na prawidłowe tkanki. O idei tej należy wspomnieć, ponieważ podstawową zasadą w medycynie jest stosowanie takich radiofarmanceutyków, które w sposób możliwie swoisty pozwalają na ocenę określonego procesu chemicznego czy biologicznego. Idea P. Erlicha jest nadal podstawą nowych koncepcji w medycynie, w tym koncepcji medycyny precyzyjnej. W 1943 roku Noblem został nagrodzony György von Hevesy - twórca idei znacznika radioizotopowego (chociaż nagroda została przyznana za inne osiągnięcia badacza).

Radiofarmaceutyk na receptę

W latach trzydziestych XX wieku wiadomo już było, jak ważną rolę w czynności tarczycy odgrywa jod. Badano, czy radioizotopy jodu mogłyby służyć do diagnostyki i leczenia schorzeń tego gruczołu. Przełomowy okazał się dzień 12 listopada 1936 roku, kiedy to odbywało się wspólne sympozjum lekarzy i fizyków z udziałem profesora Karla Comptona. Prof. K. Compton zadał słynne pytanie: Co fizyka może zrobić dla biologii i medycyny? Dr S. Hertz, ówczesny dyrektor Kliniki Schorzeń Tarczycy w Massachusetts General Hospital, zadał w odpowiedzi swoje pytanie: Czy możliwe jest otrzymywanie sztucznie radioaktywnego jodu? Pytanie zostało postawione spontanicznie, ponieważ dr S. Hertz prowadził badania nad wpływem jodu na funkcję tarczycy.

Okazało się, że możliwe jest uzyskiwanie radioaktywnego jodu w cyklotronie. Cyklotronowy 128I charakteryzował się jednak bardzo krótkim czasem półtrwania (28 minut) i jego zastosowanie w klinice byłoby niemożliwe. Zwrócono się z tego powodu do Gleena Seeborga (kolejnego Noblisty związanego z medycyną nuklearną). Zapytano badacza: czy możliwe byłoby uzyskanie radioaktywnego jodu o czasie półtrwania około 7 dni, który emitowałby promieniowanie gamma/beta? Okazało się to możliwe. Tak wprowadzono do praktyki klinicznej jod-131 (stosowany do tej pory). Jest to prawdopodobnie pierwszy i jedyny radioizotop stosowany w medycynie, otrzymany ściśle zgodnie z receptą lekarską.

Zapomniany polski wątek

W historii medycyny nuklearnej należy podkreślić nazwisko radiobiologa Józefa Rotblata. Po II Wojnie Światowej i dobrowolnej rezygnacji z badań nad produkcją bomby atomowej w Los Alamos, Rotblat został profesorem fizyki w Szkole Medycznej St Bartholomew's i był pionierem w zastosowaniu akceleratora liniowego 15 MeV w terapii i badaniach naukowych. Zapisał się także w historii medycyny nuklearnej. Jako pierwszy (kilka lat przed skonstruowaniem scyntygramu) uzyskał obraz tarczycy po podaniu pacjentowi radioaktywnego jodu, stosując zewnętrzny pomiar radioaktywności za pomocą skolimowanego licznika Geigera.

Józef Rotblat jest więc prekursorem technik obrazowych stosowanych do dziś w medycynie nuklearnej. Uczony Nagrodę Nobla otrzymał jednak nie za dokonania naukowe, ale za swoją działalność na rzecz… pokoju. Był on wraz z angielskim filozofem B. Russelem założycielem Pugwash - pacyfistycznego ruchu uczonych działających na rzecz likwidacji broni jądrowej. To polski „Noblista z Nowolipek”.

„Never ending story”

Od diagnostyki i terapii do terapii celowanej i kontroli efektów prowadzonego leczenia – rozwój obrazowania molekularnego jest prawdziwie „Niekończącą się opowieścią”. Medycyna nuklearna pozwala obecnie na rozpoznanie schorzenia, ocenę ryzyka nawrotu choroby, planowanie leczenia i kontrolę efektywności prowadzonej już terapii. Medycyna nuklearna to także metoda skutecznego leczenia szeregu schorzeń, przede wszystkim onkologicznych.