การบำบัดด้วยการจับยึดนิวตรอน

การบำบัดด้วยการจับยึดนิวตรอน (อังกฤษ: Neutron capture therapy (NCT)) เป็นการรักษาโรคแบบไม่รุกล้ำ(เข้าในร่างกาย)เพื่อรักษาเนื้องอกร้ายแรงแบบแพร่กระจายเป็นที่ เช่นเนื้องอกในสมองหลักและมะเร็งที่หัวและลำคอกำเริบ มีสองขั้นตอนได้แก่: ขั้นตอนแรก ผู้ป่วยจะถูกฉีดด้วยยาที่ใช้กำหนดตำแหน่งเนื้องอก ยานี้จะประกอบด้วยไอซโทปไม่มีกัมมันตภาพรังสีที่มีความโน้มเอียงหรือภาคตัดขวาง (ฟิสิกส์) (σ) สูงต่อการจับยึดนิวตรอนช้า ตัวแทนการจับยึด (อังกฤษ: capture agent) จะมีภาคตัดขวางมากกว่าหลายเท่าเมื่อเทียบกับขององค์ประกอบอื่น ๆ ที่ปรากฏอยู่ในเนื้อเยื่อต่าง ๆ เช่นไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน ในขั้นตอนที่สอง ผู้ป่วยจะปล่อยรังสีนิวตรอนเอพิเทอร์มัล ซึ่งหลังจากการสูญเสียพลังงานเมื่อพวกมันเจาะข้าไปในเนื้อเยื่อ รังสีเอพิเทอร์มัลจะถูกดูดซึมโดยตัวแทนการจับยึดซึ่งภายหลังก็ปลดปล่อยอนุภาคพลังงานสูงที่มีประจุออกมา ด้วยเหตุนี้จึงส่งผลให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบทำลายล้างทางชีวภาพ (รูปที่ 1 ) ทั้งหมดของประสบการณ์ทางคลินิกกับ NCT จนถึงวันนี้จะทำกับไอโซโทปของโบรอน-10ที่ไม่มีกัมมันตรังสี และถูกเรียกว่าการบำบัดด้วยการจับยึดนิวตรอนจากธาตุโบรอน (BNCT) ในเวลานี้ การใช้ไอโซโทปที่ไม่มีกัมมันตรังสีอื่น ๆ เช่น gadolinium ได้ถูกจำกัด และจนถึงปัจจุบัน มันก็ยังไม่ได้ถูกนำมาใช้ในทางคลินิก. BNCT ได้รับการประเมินทางคลินิกในฐานะที่เป็นทางเลือกในการรักษาด้วยรังสีธรรมดาสำหรับการรักษาเนื้องอกในสมองชนิดร้ายแรง (gliomas) และเมื่อเร็ว ๆ นี้ก็ถูกใช้ในการรักษาโรคมะเร็งหัวและลำคอที่ระบาดเฉพาะที่และกำเริบ การบำบัดด้วยการจับยึดนิวตรอนเป็นระบบเลขฐานสองที่ใช้สององค์ประกอบที่แยกจากกันเพื่อให้บรรลุผลการรักษา แต่ละส่วนประกอบในตัวของมันเองเป็นแบบไม่เกี่ยวกับการทำลายเซลล์มะเร็ง (อังกฤษ: non-tumoricidal) แต่เมื่อพวกมันถูกนำมารวมเข้าด้วยกันพวกมันจะมีฤทธิ์ฆ่าเซลล์มะเร็งอย่างรุนแรง การบำบัดด้วยจับยึดนิวตรอนจากธาตุโบรอน (อังกฤษ: Boron neutron capture therapy (BNCT)) จะมีพื้นฐานมาจากการจับยึดจากนิวเคลียสและปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเมื่อโบรอน 10ที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสี(ที่เกิดขึ้นจากประมาณ 20% ของธาตุโบรอนธรรมชาติ) ถูกทำให้มีการฉายรังสีที่มีนิวตรอนพลังงานที่เหมาะสมเพื่อให้ได้โบรอน-11 (11B*)ที่ตื่นตัว จากนั้นมันจะสลายตัวไปเป็นอนุภาคแอลฟาพลังงานสูง (นิวเคลียสของ 4He ที่"ถูกเปลื้องผ้าออก" ) และนิวเคลียสของ ลิเธียม-7 (7Li) พลังงานสูง ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะเป็นดังนี้: ทั้งอนุภาคแอลฟาและลิเธียมไอออนจะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนระยะใกล้ในบริเวณใกล้เคียงกับจุดที่เกิดปฏิกิริยา โดยมีระยะห่างประมาณ 5–9 ไมโครเมตร ซึ่งระยะดังกล่าวเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์เป้าหมาย ความรุนแรงของปฏิกิริยาการจับยึดจะถูกจำกัดอยู่ที่โบรอนที่มีเซลล์ เพราะฉะนั้น BNCT จึงถือได้ว่าเป็นการบำบัดด้วยรังสีของเป้าหมายทั้งประเภททางชีวภาพและทางกายภาพ ความสำเร็จของ BNCT จะขึ้นอยู่กับการส่งมอบแบบเลือกของปริมาณที่เพียงพอของ 10B ให้กับเนื้องอกด้วยเพียงปริมาณน้อยเฉพาะจุดรอบ ๆ เนื้อเยื่อปกติ ดังนั้น เนื้อเยื่อปกติถ้าพวกมันไม่ได้รับปริมาณที่เพียงพอของโบรอน-10 พวกมันจะสามารถรอดจากการจับยึดจากนิวเคลียสและปฏิกิริยาฟิชชัน ความทนทานของเนื้อเยื่อปกติจะถูกกำหนดโดยปฏิกิริยาการจับยึดนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นกับเนื้อเยื่อปกติไฮโดรเจนและไนโตรเจน ความหลากหลายของตัวแทนการส่งมอบของธาตุโบรอนได้มีการสังเคราะห์ แต่ก็มีเพียงสองตัวเท่านั้นที่มีการใช้ในการทดลองทางคลินิกในปัจจุบัน ตัวแรกได้ถูกนำมาใช้เป็นหลักในประเทศญี่ปุ่น มันคือ polyhedral borane anion, sodium borocaptate or BSH (Na2B12H11SH), ตัวที่สองได้ถูกนำมาใช้ในการทดลองทางคลินิกในสหรัฐอเมริกา ยุโรป ญี่ปุ่นและไม่นานมานี้อาร์เจนตินาและไต้หวัน หลังจากการบริหารงานของ BPA หรือ BSH โดยฉีดเข้าเส้นเลือดดำ, จุดเกิดเนื้องอกจะมีการฉายรังสีด้วยนิวตรอนที่มีแหล่งกำเนิดเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ถูกดัดแปลงเป็นพิเศษ จนถึงปี 1994 ลำแสงนิวตรอนพลังงานต่ำ (<0.5 eV) ถูกนำมาใช้เป็นหลักในประเทศญี่ปุ่น แต่เนื่องจากพวกมันมีความลึกของการเจาะเข้าไปในเนื้อเยื่อที่จำกัด , ลำแสงนิวตรอนเอพิเทอร์มัลพลังงานที่สูงกว่า (>.5eV<10 keV) ซึ่งมีความลึกของการเจาะมากขึ้นได้ถูกนำมาใช้ในการทดลองทางคลินิกในสหรัฐอเมริกา  ยุโรป และญี่ปุ่น ในทางทฤษฎี BNCT เป็นชนิดที่เลือกสรรอย่างสูงของ การบำบัดด้วยรังสี ที่สามารถกำหนดเป้​​าหมายไปที่เซลล์มะเร็งได้โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายจากรังสีต่อเซลล์ปกติและเนื้อเยื่อท​​ี่อยู่ติดกัน ปริมาณรังสีสูงถึง 60-70 Gy สามารถฉายไปยังเซลล์มะเร็งในหนึ่งหรือสองครั้งของการจ่ายยาเมื่อเทียบกับ 6-7 สัปดาห์สำหรับการฉายรังสีโฟตอนด้วยลำแสงภายนอกโดยทั่วไป แต่ประสิทธิภาพของ BNCT จะขึ้นอยู่กับการกระจายแบบเนื้อเดียวกันของ 10B ภายในเนื้องอกและเงื่อบไขนี้ยังคงเป็นส่วนหนึ่งของปัญหาหลักที่ยังแกัไม่ได้ที่จำกัดความสำเร็จของมันอยู่[ต้องการอ้างอิง] ปริมาณรังสีที่ส่งมอบให้กับเนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติในช่วงการทำ BNCT จะเกิดจากการสะสมของพลังงานที่ได้จากสามประเภทของรังสีจากการแตกตัวเป็นไอออนโดยตรงที่แตกต่างกันใน การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET) ของพวกมันซึ่งเป็นอัตราการสูญเสียพลังงานไปตามเส้นทางของอนุภาคที่แตกตัวเป็นไอออนดังนี้: 1. รังสีแกมมา LET ต่ำ ที่เป็นผลส่วนใหญ่มาจากการจับยึดของนิวตรอนความร้อนโดยอะตอมไฮโดรเจนเนื้อเยื่อปกติ [1H(n,γ)2H] (อ่านว่า 1H + n ได้ γ + 2H); 2. โปรตอน LET สูง ที่ผลิตโดยกระเจิงของนิวตรอนเร็วและจากการจับยึดของนิวตรอนความร้อนโดยอะตอมไนโตรเจน [14N(n,p)14C]; และ 3. อนุภาคแอลฟา ประจุสูง LET สูง (นิวเคลียสของ 4He) ที่ถูกถอดเสื้อผ้าและ ลิเธียม-7 ไอออน, ถูกปล่อยออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ของการจับยึดนิวตรอนความร้อนและปฏิกิริยาฟิชชันกับ 10B [10B(n,α)7Li] เนื่องจากทั้งเนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติโดยรอบจะปรากฏอยู่ในสนามรังสี แม้จะมีลำแสงนิวตรอนเอพิเทอร์มัลอยู่ด้วย มันก็จะมีปริมาณรังสีพื้นหลังที่ไม่เจาะจงและหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ประะกอบด้วยรังสีที่มี LET ทั้งสูงและต่ำ แต่ความเข้มข้นที่สูงกว่าของ 10B ในเนื้องอกจะส่งผลให้มันได้รับปริมาณรังสีทั้งหมดสูงกว่าเนื้อเยื่อปกติท​​ี่อยู่ติดกัน ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการเพิ่มผลกำไรของการรักษาด้วย BNCT ปริมาณรังสีรวม (Gy) ที่ส่งมอบให้กับเนื้อเยื่อใด ๆ สามารถแสดงในหน่วยเทียบเท่าโฟตอนได้ในรูปผลรวมของแต่ละส่วนประกอบยา LET สูงคูณด้วยปัจจัยถ่วง (GyW) ซึ่งขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพด้านรังสีชีวภาพที่เพิ่มขึ้นของแต่ละองค์ประกอบเหล่านี้ . ปัจจัยถ่วงทางชีวภาพได้ถูกนำมาใช้ในทุกการทดลองทางคลินิกล่าสุดกับผู้ป่วยที่มีระดับสูงของ gliomas โดยการใช้ boronophenylalanine (BPA) ร่วมกับลำแสงนิวตรอนเอพิเทอร์มัล ส่วนประกอบ 10B(n,α)7Li ของปริมาณรังสีที่ให้กับหนังศีรษะจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโบรอนที่วัดได้ในเลือดในช่วงเวลาของ BNCT ที่สมมติว่า เลือดต่ออัตราส่วนความเข้มข้นของโบรอนในหนังศีรษะเป็น 1.5:1 และปัจจัยประสิทธิภาพทางชีวภาพรวม (อังกฤษ: compound biological effectiveness CBE)) สำหรับ BPA ในผิวหนังมีค่าเท่ากับ 2.5 ปัจจัยของ ประสิทธิผลทางชีวภาพสัมพันธ์ (อังกฤษ: relative biological effectiveness (RBE)) เท่ากับ 3.2 ได้ถูกนำมาใช้กับเนื้อเยื่อทั้งหมดสำหรับส่วนประกอบ LET ที่สูงของลำแสงเช่นอนุภาคแอลฟา ปัจจัย RBE ถูกใช้ในการเปรียบเทียบประสิทธิภาพทางชีววิทยาของชนิดที่แตกต่างกันของรังสีจากการแตกตัวเป็นไอออน ส่วนประกอบที่มี LET สูงจะรวมถึงโปรตอนที่เกิดจากปฏิกิริยาการจับยึดที่มีไนโตรเจนเนื้อเยื่อปกติและโปรตอนหดตัวที่เป็นผลมาจากการปะทะกันของนิวตรอนเร็วกับไฮโดรเจน มันจะต้องเน้นย้ำว่าการกระจายเนื้อเยื่อของตัวแทนการจัดส่งของโบรอนในมนุษย์ควรจะคล้ายกับที่มีในแบบจำลองของสัตว์ทดลองเพื่อที่จะใช้ค่าที่ได้มาจจาการทดลองสำหรับการประมาณของปริมาณ รังสี สำหรับการแผ่รังสีจากคลินิก สำหรับข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการวัดปริมาณรังสีด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์และ การวางแผนเพื่อการบำบัด ผู้อ่านที่สนใจจะหาอ่านได้จากการทบทวนแบบครอบคลุมในหัวข้อนี้ การพัฒนาตัวแทนการจัดส่งของธาตุโบรอนสำหรับ BNCT เริ่มประมาณ 50 ปีก่อนและเป็นงานที่ยากลำบากและทำอย่างต่อเนื่องที่มีความสำคัญสูง โบรอน-10 ที่มีตัวแทนการจัดส่งจำนวนมากได้ถูกจัดเตรียมขึ้นสำหรับการใช้งานที่มีศักยภาพใน BNCT ความต้องการที่สำคัญที่สุดสำหรับโบรอนที่มีตัวแทนการจัดส่งที่ประสบความสำเร็จคือ 1. ความเป็นพิษต่อระบบและการดูดซึมของเนื้อเยื่อปกติที่ต่ำแต่มีการดูดซึมเข้าเนื้องอกที่สูงและอัตราส่วนความเข้มข้นของเนื้องอกที่เกิดร่วมกัน:สมอง (T:Br) และเนื้องอก:เลือด (T:Bl) ที่สูง (> 3-4:1); 2