Επιταχυντές «τσέπης» στη μάχη κατά του καρκίνου

Από μια μέθοδο για την επιθεώρηση πυρηνικών όπλων ξεπήδησε ένας τρόπος πολύ βελτιωμένης θεραπείας των καρκινικών όγκων! Ετσι, ένα «κανόνι» πρωτονίων αντί να αφαιρεί ανθρώπινες ζωές σκοτώνει με την ακρίβεια ενός ελεύθερου σκοπευτή όγκους φωλιασμένους βαθιά μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Το να βομβαρδίζεις ανεπιθύμητους καρκίνους με σωματίδια που δεν τα πιάνει καν το μάτι του ανθρώπου ήταν μια μέθοδος πολύ αποτελεσματική από τα τέλη του 19ου αιώνα. Οι ακτίνες Χ, όταν έπεσαν και στο χέρι ενός παρατηρητικού φοιτητή, του Emil Grubbe, έκαναν το δέρμα του να ξεφλουδίσει. Αυτός κατάλαβε αμέσως ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει την ιδιότητά τους αυτή για θεραπευτικούς σκοπούς και ακτινοβόλησε τον όγκο στο στήθος μιας ασθενούς με αποτέλεσμα να επιβραδύνει την εξέλιξή του. Ως σήμερα χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος, αλλά τα μειονεκτήματά της είναι αρκετά. Φθάνοντας στον «στόχο» δημιουργεί ελεύθερες ρίζες που θα οξειδώσουν τις ουσίες του καρκινικού κυττάρου με αποτέλεσμα τον θάνατό του. Μόνο που το πέρασμα της ακτινοβολίας δεν είναι εντελώς ανώδυνο. Επειδή δεν μπορεί να εστιαστεί με ακρίβεια συνήθως καταστρέφει και διπλανούς υγιείς ιστούς, όπως, για παράδειγμα, στην περίπτωση του προστάτη, με αποτέλεσμα να παρατηρούνται μετά σεξουαλικές δυσλειτουργίες.

Σήμερα μια επιταχυνόμενη δέσμη πρωτονίων ενάντια σε έναν όγκο θεωρείται πολύ πιο αποτελεσματική. Τόσο πιο αποτελεσματική ώστε να έχουν δημιουργηθεί 31 εγκαταστάσεις σε όλο τον κόσμο, με το μέγεθός τους να είναι όσο και ένα κλειστό γήπεδο μπάσκετ και το κόστος τους λίγο πιο επάνω από τα 100 εκατ. ευρώ. Ποια είναι τα προσόντα των πρωτονίων; Εχουν μάζα πολύ μεγαλύτερη από αυτή των ηλεκτρονίων, η δέσμη τους εστιάζεται πολύ καλύτερα, άρα αποφεύγονται οι παράπλευρες ζημιές σε διπλανούς ιστούς που είναι υγιείς, και προκαλούν πολύ λιγότερες βλάβες κατά τη διαδρομή τους μέχρι να φθάσουν στον στόχο. Επίσης η ενέργειά τους μπορεί να καθοριστεί έτσι ώστε να σταματήσουν μέσα στον όγκο. Ειδικά νεοπλασίες που έχουν δημιουργηθεί στο μάτι και περιπτώσεις μικρών παιδιών συγκαταλέγονται ανάμεσα στις επιτυχίες της μεθόδου, η οποία έχει αρχίσει να εφαρμόζεται από τα μέσα του 1990. Αλλά οι εγκαταστάσεις αυτές απαιτούν τσιμεντένιους τοίχους πάχους 3 μέτρων, τριώροφες κατασκευές και τη συναρμολόγηση ενός μηχανισμού επιτάχυνσης τύπου κύκλοτρον, με εφιαλτικά μεγάλους μαγνήτες που επιβάλλουν με τη σειρά τους πολυέξοδα μέτρα προστασίας όσων εργάζονται εκεί, καθώς και των ασθενών.

Σε ένα φημισμένο όμως εργαστήριο της Καλιφόρνιας, το Lawrence Livermore, είχαν αρχίσει να εργάζονται επάνω στις δέσμες πρωτονίων και πριν από το 1990. Αλλά όχι για να κάνουν καλά άρρωστους ανθρώπους. Είχαν απαγορευτεί τότε οι υπόγειες δοκιμές πυρηνικών όπλων και έψαχναν, για λογαριασμό της κυβέρνησης των Ηνωμένων Πολιτειών βέβαια, να βρουν τρόπους να ελέγχουν την κατάσταση και την ετοιμότητα των αποθηκευμένων πυρηνικών κεφαλών. Χρειαζόταν λοιπόν κάτι πιο διεισδυτικό από τις ακτίνες Χ. Μια δέσμη πρωτονίων μπορεί να είναι 10.000 φορές μικρότερη από μια δέσμη ακτίνων Χ. Επίσης οι ακτίνες Χ είναι ευαίσθητες στην πυκνότητα των υλικών που συναντούν. Αρα υλικά με την ίδια περίπου πυκνότητα κατά την ανίχνευση παρουσίαζαν την ίδια ένδειξη με τις ακτίνες Χ και αυτό προκαλούσε σύγχυση. Η τεχνολογία λοιπόν των ακτίνων πρωτονίων προχώρησε αρκετά αλλά χρειάζονταν τεράστιοι μαγνήτες και εγκαταστάσεις μεγάλης έκτασης για τον χειρισμό τους. Εκεί λοιπόν είναι που άρχισαν κάποιοι ερευνητές να σκέπτονται το πώς θα «κοντύνουν» τα στάδια της επιτάχυνσης, ενώ όσοι προχώρησαν με την τεχνολογία που υπήρχε έπρεπε να διαθέτουν χώρους όσο και ένα κλειστό γήπεδο μπάσκετ και κάπου 100 εκατ. ευρώ.

Υπήρχε γύρω στο 1997 κάτι που ήταν γνωστό ως τεχνολογία DWA (Dielectric Wall Accelerator). Μπορούσες δηλαδή να ανεβάσεις την ταχύτητα ηλεκτρονίων με έναν επιταχυντή που είχε μήκος μόλις μερικά μέτρα. Ενα σάντουιτς από λεπτά φύλλα διηλεκτρικού υλικού μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο έδινε αρκετά καλές επιταχύνσεις, αλλά ως τότε, το 1997, μόνο σε ηλεκτρόνια. Χρειάστηκαν όμως αρκετά χρόνια αναζήτησης και δουλειάς για να προσαρμοστεί η τεχνολογία στην περίπτωση των πρωτονίων.

Σήμερα οι επιστήμονες έχουν φθάσει στο τελικό στάδιο πριν από την εμπορική διάθεση των μίνι επιταχυντών. Διαθέτοντας διηλεκτρικά υλικά εξαιρετικής ποιότητας και μονωτικά που αντέχουν τεράστιες τιμές ηλεκτρικών τάσεων δημιουργούν πρωτότυπους αγωγούς με τον εξής τρόπο: παίρνουν 80 διηλεκτρικά φύλλα από πυριτικό υλικό πάχους μόλις 250 εκατομμυριοστών του μέτρου το καθένα και μια επικάλυψη με χρυσό. Τα θερμαίνουν και δημιουργούν έτσι έναν συμπαγή κύλινδρο που έχει στο κέντρο του πλέον έναν κενό κυλινδρικό αγωγό από όπου περνούν τα πρωτόνια. Πολλοί κύλινδροι μαζί θα δημιουργήσουν μια ολόκληρη στήλη διαδοχικής επιτάχυνσης των πρωτονίων.

Τι γίνεται μέσα στον κάθε σωλήνα; Για να δώσουμε παραστατικά την εικόνα μπορούμε να θεωρήσουμε ότι περνώντας από κάθε τέτοιο σωλήνα κατά μήκος του άξονά του τα – με θετικό φορτίο πάντα – προικισμένα πρωτόνια βλέπουν μπροστά τους μια αρνητική τάση. Αυτή τη δημιουργούν φορτία που εμφανίζονται την κατάλληλη στιγμή στα χείλη του διηλεκτρικού υλικού και «σέρνουν» προς τη μια κατεύθυνση τα πρωτόνια (αφού τα ετερώνυμα έλκονται), ενώ πίσω τους υπάρχει μια θετική τάση που τα σπρώχνει προς την ίδια κατεύθυνση. Για να επιτευχθεί αυτό που περιγράφεται έτσι απλά αλλά είναι τρομακτικά δύσκολο στην πράξη χρειάστηκε να εξελιχθούν υλικά ώστε να είναι εξαιρετικοί μονωτές και να μην υποχωρούν στις τεράστιες τάσεις που εφαρμόζονται στα άκρα τους, να τοποθετηθούν νανοσωματίδια σε διηλεκτρικά υλικά για να αυξηθεί η ικανότητά τους να δέχονται αυτές τις τάσεις χωρίς να «καίγονται» και επίσης να εξελιχθούν οπτικοί διακόπτες που ρυθμίζουν αυτό το τράβηγμα των πρωτονίων με αντιδράσεις νανοδευτερολέπτων όταν σκεφθούμε ότι το πάχος του κάθε κυλίνδρου δεν ξεπερνάει μερικά χιλιοστά!

Ετσι τελικά καταφέρνουν να δημιουργήσουν έναν επιταχυντή που φθάνει τα πρωτόνια σε ταχύτητες σχεδόν ίσες με το μισό της ταχύτητας του φωτός, αλλά όλο αυτό μέσα σε ένα μήκος μόλις τεσσάρων μέτρων! Η εταιρεία που ιδρύθηκε από τους ερευνητές του Lawrence Livermore και άλλους χρηματοδότες, η CPAC, ελπίζει ότι θα μπορεί την επόμενη χρονιά να δοκιμάσει τις πρώτες πλήρως συναρμολογημένες συσκευές αχρηστεύοντας σχεδόν τις γιγάντιες προηγούμενες και τις αντίστοιχες επενδύσεις, αφού το κόστος πέφτει κάτω και από το ένα τρίτο.