Straling wordt vaak gezien als gevaarlijk en ongezond. Dat is het natuurlijk ook, wanneer het op de verkeerde manier wordt gebruikt, en de geschiedenis heeft ons heel duidelijk laten zien hoe dat eruitziet. Maar hoe belangrijk het ook is om te begrijpen wat er gebeurt als het ergste scenario zich voordoet, is het ook belangrijk om in gedachten te houden hoe krachtig straling kan zijn als het ten goede wordt ingezet, mits het niet onzorgvuldig wordt gebruikt. Wanneer straling en stralingsuitstotende stoffen op de juiste manier worden gebruikt door artsen die begrijpen hoe ze de gezondheidsrisico’s tot een minimum kunnen beperken, zijn de toepassingen ervan onmisbaar bij de behandeling van kanker en bij medische diagnostische beeldvorming.
De geschiedenis van genezing: geneeskunde ontstaan uit gif
Hoe beangstigend de gevolgen van overmatige blootstelling aan straling ook zijn, radioactieve stoffen bevinden zich in goed gezelschap in de medische wereld. Door de geschiedenis heen zijn geneesmiddelen ontwikkeld op basis van giftige planten en giftige dieren. Hetzelfde gif uit de beet van een ratelslang dat je bloed in een dikke rode smurrie verandert, maakt deel uit van een antistollingsmiddel. De vreselijk verslavende opiumpapaver, die in de 19e eeuw grote ravage aanrichtte in China en aanleiding gaf tot twee oorlogen tegen het Britse Rijk, werd het belangrijkste ingrediënt van morfine. Het gif in de bladeren van vingerhoedskruid, dat een onregelmatige hartslag kan veroorzaken, wordt gebruikt in digoxine om mensen met hartfalen te behandelen. Zelfs arseen heeft medicinale toepassingen.
Bij wijze van spreken begint elk geneesmiddel als een gif dat datgene wat er mis is met je sneller doodt dan het de rest van je lichaam zou doden. Het is allemaal een kwestie van zorgvuldig en verstandig gebruik. Er is een reden waarom het symbool van de Griekse god Asclepius, de god van de genezing en de geneeskunde, een slang is die zich om een staf kronkelt – een symbool dat tot op de dag van vandaag wereldwijd door de meeste professionele medische organisaties wordt gebruikt.
Straling: een reis van wondermiddel naar gezondheidsrisico naar levensreddend medisch hulpmiddel
Stralingstherapie als behandeling voor kanker kwam tot stand dankzij de ontdekkingen van röntgenstraling door Wilhelm Röntgen en van radium en polonium door Marie Curie, hoewel het een moeizame start kende. Aangezien de gevaren van straling nog niet goed werden begrepen, was de grens tussen effectief gebruik van straling en gevaarlijk misbruik decennialang breed en vaag.
Bovendien stelden mensen die gefascineerd en geïntrigeerd waren door de gloed die dergelijke elementen uitstraalden, zichzelf bloot aan angstaanjagende hoeveelheden straling. Kwakzalvers en charlatans gebruikten radioactieve stoffen zoals radium en radon als ingrediënten in zogenaamde ‘wondermiddelen’: poeders, zalven, tonica en zelfs tandpasta. Een groot deel van ons inzicht in de gevaren van straling kwam voort uit de zeer publieke ontdekking van wat er gebeurde wanneer radioactieve materialen verkeerd werden gebruikt.
In het begin van de 20e eeuw, toen radium werd gebruikt voor de productie van zelflichtende verf voor wijzerplaten van horloges en andere producten die in het donker oplichten, werden de fabrieksarbeiders (voornamelijk vrouwen) blootgesteld aan gevaarlijke niveaus van radioactiviteit. Sommige arbeidsters, die door hun leidinggevenden waren verzekerd dat de radiumverf volkomen veilig was, brachten de verf zelfs aan op hun nagels, gezicht en tanden om hun make-up een mysterieuze en modieuze gloed te geven. Waarom zou hun baas tenslotte tegen hen liegen?
Uiteraard raakten de fabrieksarbeidsters ernstig ziek. Na een jarenlange strijd voor gerechtigheid tegen felle tegenstand in, kregen de ‘Radium Girls’, zoals ze in de media bekend werden, een vergoeding voor hun medische en tandheelkundige kosten. Hun strijd werd daarmee een cruciaal moment in de geschiedenis van de arbeidsrechten. Bovendien maakte de strijd van de Radium Girls mensen er meer van bewust dat radioactieve straling niet zomaar een onschadelijke stof was en dat verkeerd gebruik ervan ernstige, soms gruwelijke gevolgen had.
De wereld ontdekte al snel dat straling geen kracht was waarmee je onverantwoordelijk kon omgaan. Eben Byers, een spraakmakende industrieel die erom bekend stond water met radium te drinken en trots de gezondheidsvoordelen ervan aanprees, stierf in 1932 aan stralingsvergiftiging toen zijn kaak afviel. Dit maakte een einde aan het grootste deel van de kwakzalverij op het gebied van straling, hoewel sommige charlatans hun waren nog tot ver in het atoomtijdperk bleven aanprijzen.
Straling had echter ook onmiskenbare voordelen. In de loop van tientallen jaren en dankzij zorgvuldig, weloverwogen en methodisch onderzoek hebben medische wetenschappers geleerd hoe ze veilige, gecontroleerde doses straling kunnen gebruiken om kankercellen te vernietigen, en hoe ze verschillende soorten straling kunnen toepassen die beter geschikt zijn voor bepaalde doeleinden.
Vanaf het moment van hun ontdekking werden röntgenstralen vrijwel onmiddellijk ingezet om dieper in het menselijk lichaam te kijken dan ooit tevoren mogelijk was geweest; dankzij een beter begrip van de wetenschap achter straling kon medische beeldvorming steeds verder doordringen. Radioactieve isotopen die veilig konden worden ingenomen of in de bloedbaan van een patiënt konden worden geïnjecteerd, vormden de basis voor medische beeldvorming zoals SPECT- en PET-scans, die kunnen worden gebruikt voor de diagnose en het toedienen van potentieel levensreddende behandelingen voor hartziekten en kanker bij patiënten.
Medische isotopen: hoe SHINE in een dringende behoefte voorziet
Medische radio-isotopen worden dagelijks tienduizenden keren gebruikt in ziekenhuizen over de hele wereld.
Radioactieve stoffen vervallen na verloop van tijd. De tijd die nodig is voordat de helft van een bepaalde hoeveelheid van een stof is vervallen tot een andere, minder radioactieve stof, wordt de ‘halfwaardetijd’ genoemd. Sommige elementen hebben een extreem lange halfwaardetijd. Radium, een van de eerste ontdekte radioactieve elementen, heeft een halfwaardetijd van 1.500 jaar. Andere radioactieve elementen, met name de isotopen die worden gebruikt bij medische beeldvorming, hebben extreem korte halfwaardetijden in de orde van uren of zelfs minuten.
Voor diagnostische beeldvorming gebruiken ziekenhuizen een oplossing van isotopen zoals technetium-99m of fluor-18. Technetium-99m heeft een halfwaardetijd van slechts zes uur, dus na zes uur is de helft ervan vervallen en onbruikbaar geworden. Na twaalf uur blijft een kwart van de oorspronkelijke hoeveelheid over, na achttien uur een achtste, na vierentwintig uur een zestiende, enzovoort. Fluor-18, een isotoop die van cruciaal belang is voor PET-scans, heeft een nog kortere halfwaardetijd van minder dan twee uur.
Met andere woorden: het is onmogelijk om deze medische isotopen op te potten of in voorraad te houden. De enige manier om er in je ziekenhuis over te beschikken, is door ze ter plaatse te produceren uit een isotope met een langere halfwaardetijd, en zodra je ze hebt geproduceerd, is het een race tegen de klok om ervoor te zorgen dat ze worden gebruikt zolang ze nog werkzaam zijn!
Medische instellingen produceren deze kortlevende isotopen door ze te verwerken uit een andere isotope, molybdeen-99. Mo-99 is een isotope met een veel langere halfwaardetijd dan technetium-99m of fluor-18… namelijk zesenzestig uur. Deze langere halfwaardetijd is net lang genoeg zodat ziekenhuizen aanzienlijke hoeveelheden van de isotope bij hun leveranciers kunnen bestellen zonder dat er tijdens het transport te veel verloren gaat. Net als technetium-99m kan het echter nog steeds niet worden opgeslagen voor toekomstig gebruik.
Het probleem met Mo-99
Molybdeen-99 wordt wereldwijd jaarlijks bij meer dan veertig miljoen medische beeldvormingsprocedures gebruikt, voornamelijk voor de diagnose van hartziekten en kanker met behulp van methoden zoals myocardperfusiescans en botscans. Het probleem met Mo-99 is echter dat er, hoewel het de meest gebruikte en meest gevraagde medische isotoop ter wereld is, maar heel weinig plaatsen zijn die het kunnen produceren.
Tegenwoordig wordt molybdeen-99 geproduceerd in kernreactoren. Wanneer een neutron in botsing komt met een uraniumatoom, ondergaat het uranium een kernsplijting en splitst het zich op in een overvloed aan kleinere elementen en extra neutronen (die vervolgens in wisselwerking treden met andere uraniumatomen en nog meer kernsplijtingsreacties veroorzaken). In reactoren ontstaat bij elke splijtingsreactie een neutron dat een nieuwe splijtingsreactie kan veroorzaken in nabijgelegen uraniumatomen, die op hun beurt weer meer neutronen vrijgeven, die weer nieuwe reacties veroorzaken, enzovoort, totdat de reactor een evenwichtstoestand bereikt.
Wanneer je neutronen op uranium afvuurt, maakt molybdeen-99 slechts ongeveer zes procent van de eindproducten uit. De overige 94% bestaat uit andere elementen en isotopen, waarvan sommige ook (zij het in beperkte mate) in de geneeskunde worden gebruikt. Door middel van chemische scheiding wordt de isotope van de overige elementen gescheiden, gezuiverd en naar ziekenhuizen verzonden, waar het tot technetium-99m wordt verwerkt.
Er zijn wereldwijd slechts een handvol grote reactoren die Mo-99 produceren; deze zijn allemaal in handen van de overheid en geen enkele bevindt zich in Noord-Amerika – de laatste grote producent op het westelijk halfrond is in 2018 stilgelegd.
Als dit voor jou klinkt als een precaire situatie – een handvol verouderde reactoren die voorzien in de behoefte van elk land ter wereld aan een isotoop die onmisbaar is voor levensreddende medische ingrepen – dan heb je gelijk. De toeleveringsketen voor Mo-99 raakt maar al te gemakkelijk verstoord. Plotselinge en onvoorziene reactorstilstanden (tijdelijk of permanent), vertragingen op luchthavens en andere problemen leiden tot wereldwijde tekorten.
Met elk uur dat verstrijkt, vervalt ongeveer 1% van de totale hoeveelheid Mo-99 die je in voorraad hebt tot onbruikbaar materiaal. Wanneer een ziekenhuis in de VS Mo-99 bestelt bij een producent in Australië, vervalt ongeveer 40% van de bestelde Mo-99 tijdens het transport. Dit betekent natuurlijk dat ziekenhuizen en andere medische instellingen die Mo-99 nodig hebben, te veel moeten inkopen en veel meer van de isotoop moeten bestellen dan ze nodig hebben, alleen maar om er zeker van te zijn dat ze genoeg bruikbaar materiaal hebben zodra het in het ziekenhuis aankomt.
De oplossing: eigen productie van Mo-99, dankzij SHINE
Wat als er een betere manier zou zijn voor ziekenhuizen in de VS om molybdeen-99 aan te schaffen? Wat als er meer faciliteiten zouden zijn die Mo-99 produceren, dichter bij huis, en die isotopen goedkoper en sneller zouden kunnen leveren? Wat als ziekenhuizen in de VS zich geen zorgen hoefden te maken dat bijna de helft van de isotopen die ze kopen tijdens het transport vervalt?
De wetten van de natuurkunde kunnen natuurlijk niet worden veranderd, en niemand kan er iets aan doen om de halfwaardetijd van Mo-99 te verlengen. Maar het blijkt dat je geen kernreactor aan de andere kant van de wereld nodig hebt om Mo-99 te produceren. Het enige wat je nodig hebt, is een op een deeltjesversneller gebaseerde neutronengenerator – precies zoals we die hier bouwen.
Onze afdeling voor de productie van diagnostische isotopen werd in 2010 opgericht met als doel de veelvoorkomende tekorten aan Mo-99, die de medische sector wereldwijd teisteren, te verhelpen. De productiecapaciteit van SHINE op het gebied van medische isotopen is deels te danken aan de vooruitgang die we hebben geboekt op het gebied van compacte, praktische neutronengeneratoren.
Waarin onderscheidt de techniek van SHINE voor het produceren van medische isotopen zich van de gangbare werkwijze?
Om te beginnen komt er geen kernreactor aan te pas. In plaats daarvan produceert een (relatief) lichte, compacte lineaire versneller de neutronen, die door een tank met in water opgelost laagverrijkt uranium gaan en zo de benodigde kernsplijtingsreacties teweegbrengen.
Van alle isotopen van uranium is U-235 het meest geschikt voor kernsplijting. In het verleden hebben producenten van molybdeen-99 in hun reactoren hoogverrijkt uranium (HEU) gebruikt, dat wil zeggen uranium dat voor 20% of meer uit U-235 bestaat. HEU is moeilijk aan te schaffen, te vervoeren en te gebruiken, omdat het, als het in verkeerde handen zou vallen, zou kunnen worden gebruikt om een kernwapen te bouwen. Laagverrijkt uranium daarentegen kan dat niet.
In het afgelopen decennium hebben wettelijke en marktgerelateerde druk over de hele wereld fabrikanten van Mo-99 ertoe aangezet om over te stappen van HEU naar laagverrijkt uranium (LEU). Zoals de naam al aangeeft, bevat LEU minder dan 20% U-235, maar nog steeds voldoende U-235 voor praktische toepassingen. Omdat LEU niet kan worden gebruikt in kernwapens, gelden er minder wettelijke beperkingen voor het gebruik ervan.
SHINE brengt zijn productiecapaciteiten voor medische isotopen in hoog tempo op de markt, niet alleen voor diagnostische isotopen zoals Mo-99, maar ook voor therapeutische isotopen zoals lutetium-177, die een potentieel levensreddende behandeling kunnen bieden aan patiënten met prostaatkanker in een vergevorderd stadium. Zodra onze Mo-99-productiefaciliteit in gebruik wordt genomen en op volle capaciteit draait, zijn wij ervan overtuigd dat onze versnellersystemen ons in staat zullen stellen om meer dan een derde van de wereldwijde vraag naar Mo-99 te produceren, waardoor de druk op verouderde reactoren in het buitenland wordt verlicht en de pijnlijke tekorten aan medische isotopen worden verholpen.
In 2019 hebben we een baanbrekende gezamenlijke test van 5,5 dagen uitgevoerd met de hoogflux-neutronengenerator die het medische isotopenproductiesysteem van SHINE zal aandrijven; deze test leverde een ongekende neutronenoutput en betrouwbaarheid op. Daarna volgde een gezamenlijke test die naar onze mening een wereldrecord heeft gebroken: deze leverde de hoogste aanhoudende neutronenoutput op van een fusieneutronenbron in de geschiedenis van de mensheid, waarmee de vorige recordhouders met meer dan 25% werden overtroffen.
Neutronenvangsttherapie: neutronen op kanker richten
Een andere veelbelovende toepassing van onze neutronengeneratoren in de geneeskunde ligt in de rol die neutronenstraling kan spelen bij de behandeling van kanker. Elementen die sterk reageren op neutronenstraling, zoals boor en gadolinium, kunnen worden ingezet om tumoren gericht aan te pakken en artsen te helpen kankerpatiënten effectiever te behandelen met minder bijwerkingen.
Hoe de boor-neutronvangsttherapie werkt
De vrije neutronen die door onze generatoren worden geproduceerd, kunnen tumoren bestralen en de kankercellen vernietigen, terwijl gezonde cellen onaangetast blijven, wanneer ze worden ingezet in een proces dat ‘boor-neutronenvangsttherapie’ wordt genoemd.
Bij boor-neutronenvangsttherapie worden moleculen gebruikt die een affiniteit hebben voor kankercellen; hieraan worden booratomen gekoppeld, waarna de oplossing in het lichaam van de patiënt wordt geïnjecteerd. Het boor verspreidt zich door de tumor. Vervolgens wordt een bundel neutronenstraling op de tumor gericht – of, om precies te zijn, op al het boor dat zich daarin bevindt.
Boor heeft een hoge neutronenabsorptie, wat betekent dat wanneer een verdwaald neutron in botsing komt met een booratoom, het neutron door het booratoom wordt opgeslokt. Het booratoom zendt daarbij een alfadeeltje uit in een proces dat ‘alfaverval’ wordt genoemd, waarbij alfastraling ontstaat.
Alfa-straling is ioniserende straling – het soort dat cellen vernietigt. Van alle soorten straling is alfa-straling zelfs een van de meest levensbedreigende, ook al heeft ze een beperkt bereik en dringt ze niet door de huid heen (wat er onder je huid zit, is echter een ander verhaal – daarom vormen alfa-deeltjes over het algemeen alleen een gevaar als je iets binnenkrijgt dat ze uitzendt). In dit geval is dat echter juist goed! Het gaat er immers om de kankercellen te doden, en het spreekt voor zich dat je daarvoor iets behoorlijk dodelijks nodig hebt.
Wanneer een neutron in botsing komt met een booratoom in de tumor van de patiënt, gaat het bij de botsing vrijgekomen alfadeeltje door de aangrenzende kankercel heen, waarbij het DNA van die cel wordt beschadigd, waardoor deze zich niet meer kan vermenigvuldigen. Aangezien alfadeeltjes niet erg ver reiken, vormen ze geen bedreiging meer nadat ze een paar tumorcellen zijn gepasseerd. Gezonde cellen die aan de tumor grenzen, blijven – afgezien van wat nevenschade – ongeschonden.
Boor-neutronenvangsttherapie is een techniek die zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt. Een van de grootste knelpunten die de neutronenvangsttherapie in de weg staan, is de vraag waar de benodigde neutronen vandaan moeten komen. Onderzoeks- en testreactoren die door universiteiten worden beheerd, vormen momenteel de belangrijkste bron van neutronenstraling, maar brengen een hele reeks problemen met zich mee, met name voor medisch gebruik. Zoals de naam al aangeeft, zijn onderzoeksreactoren geschikt voor onderzoek, maar is het moeilijk om patiënten daarheen te brengen voor behandeling.
Op versnellers gebaseerde, reactorloze neutronenbronnen kunnen de sleutel zijn tot de verdere ontwikkeling van neutronenvangsttherapie als veelbelovende behandeling voor kankerpatiënten.
Vanaf de dag dat de allereerste oermens ontdekte dat het eten van een klein genoeg stukje van een giftige plant hem beter deed voelen in plaats van slechter, draait de ontwikkeling van de geneeskunde om het verfijnen van zelfs de dodelijkste stoffen tot geneesmiddelen. Toen we straling eenmaal hadden ontdekt, duurde het lang voordat we de eigenschappen ervan volledig begrepen – zowel de voordelen als de gevaren – en uitvonden hoe we het konden inzetten voor effectieve medische behandelingen, net zoals bij elke andere gevaarlijke stof die we in de geneeskunde hebben weten te integreren.
Radiotherapie en medische radiografie hebben in de loop van de 20e eeuw een lange en bochtige weg afgelegd om uit te groeien tot de gevestigde en wijdverbreide medische toepassingen die we vandaag de dag kennen. Ook nieuwere behandelingen, zoals neutronenvangsttherapie, hebben nog een lange weg te gaan terwijl de technologie die deze mogelijk maakt zich verder ontwikkelt; bij SHINE zijn we er trots op dat we kunnen bijdragen aan de verdere vooruitgang van de geneeskunde en de rol van nucleaire technologie in ziekenhuisomgevingen.
Lees meer over de technologie van SHINE voor de productie van medische isotopen