Polscy fizycy na tropie przyczyn powstawania raka. Krok do skuteczniejszego leczenia

Katarzyna Pinkosz, Wprost: Bezpieczeństwo w elektrowniach jądrowych, indywidualna wrażliwość na promieniowanie jonizujące, fizyka nowotworów: to kilka zagadnień, którymi na co dzień się Pan zajmuje. Wszystkie te zagadnienia są poniekąd związane z nowotworami. Zacznę od elektrowni jądrowych, gdyż coraz bliżej do ich powstania w Polsce. Czy osoby pracujące w elektrowni jądrowej, mieszkające w pobliżu, będą mogły czuć się bezpiecznie?

Dr hab. inż. Krzysztof Fornalski: Tak. Oczywiście, czasem ciężko przekonać sceptyków, którzy uważają, że skoro jest elektrownia jądrowa, to może być pewne ryzyko znacznych uwolnień substancji promieniotwórczych. Tylko że to prawdopodobieństwo jest tak ekstremalnie niskie, że nie trzeba się nim przejmować. Podobnie jak nie martwimy się, że sufit może się nagle zawalić nam na głowę. Oczywiście, mamy w pamięci awarie elektrowni w Fukushimie, Czarnobylu, a wcześniej wybuchy jądrowe w Hiroszimie i Nagasaki, i stąd w społeczeństwie negatywna percepcja dotycząca promieniowania jonizującego i energetyki jądrowej. Ten strach przed energetyką jądrową nazywamy radiofobią. To trudny temat; z jednej strony zdajemy sobie sprawę, że zagrożenia praktycznie nie ma, z drugiej – nigdy jednak nie będzie ono całkowicie zerowe. Może być ekstremalnie niskie, ale nie zerowe, co dla zwykłego człowieka jest zupełnie inną informacją niż dla fizyków.

Pomijając ekstremalnie niskie ryzyko awarii: czy jeśli elektrownia pracuje bezawaryjnie, to dla osób, które w niej pracują, mieszkają w pobliżu, promieniowanie może być szkodliwe?

Nie. Poza tym będzie tam stały monitoring radiacyjny – otoczenia, ludzi. Będzie też monitoring stanu zdrowia pracowników; pod tym względem ludzie będą nawet bezpieczniejsi, ponieważ będą stale monitorowani.

Poza tym pamiętajmy, że cały czas jesteśmy skąpani w morzu promieniowania jonizującego, które pochodzi z kosmosu, z gleby, ze wszystkiego, co nas otacza. Również my sami jesteśmy promieniotwórczy, bo w naszym organizmie znajduje się bardzo wiele substancji promieniotwórczych. To jest tzw. promieniowanie tła.

Pytanie: jak względem promieniowania tła znajduje się promieniowanie z elektrowni jądrowej. Otóż promieniowanie tła jest nieporównywalnie większe niż promieniowanie pochodzące z elektrowni, która pracuje pół kilometra od naszego domu.

Jak to jest możliwe?

Po prostu tak niewielkie jest promieniowanie pochodzące bezpośrednio z elektrowni jądrowej. Wiemy, jak postępować z substancjami promieniotwórczymi, jesteśmy w stanie wszystko tak zabezpieczyć, żeby promieniowanie było niskie. Przemysł jądrowy ma to doskonale opanowane od dziesiątków lat, bo przecież na świecie działają setki elektrowni jądrowych, zarówno w państwach wysoko uprzemysłowionych, jak i tych biedniejszych. Nad bezpieczeństwem czuwa Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej, są normy, wytyczne międzynarodowe. Standardy ochrony radiologicznej na całym świecie są mniej więcej zunifikowane.

Prowadził Pan badania nad osobami, które przez wiele lat pracowały przy reaktorach jądrowych w Instytucie Badań Jądrowych (dziś Narodowym Centrum Badań Jądrowych). To prawda, że osoby, które były narażone na nieco większe promieniowanie, były zdrowsze? Rzadziej chorowały na nowotwory?

Badania wykonywałem w 2011 roku. Przez pół roku przeglądałem dokumentację dozymetryczną pracowników Instytutu Badań Jądrowych od lat 50. XX wieku, a później wyodrębnionych z niego Instytutu Problemów Jądrowych i Instytutu Energii Atomowej – czyli obecnych instytutów tworzących Narodowe Centrum Badań Jądrowych. Przeanalizowałem dane ok. 4600 pracowników: tyle osób od lat 50. XX wieku do 2011 roku było objętych kontrolą dozymetryczną. Zidentyfikowałem rejestry medyczne dla kilkuset pracowników. Wśród tych osób udało się znaleźć słabą korelację między dawką otrzymanego promieniowania a stanem zdrowia.

Wykazaliśmy, że wśród osób, które były narażone na pewne znaczące dawki promieniowania – zaznaczę, że słowo „znaczące” oznacza, że dozymetr coś wskazywał, ponieważ w przypadku większości pracowników dozymetr pokazywał wartości poniżej poziomu detekcji, czyli dawki promieniowania w ogóle nie były wykrywalne – odsetek występowania chorób nowotworowych był nieznacząco mniejszy niż w ogólnej populacji.

To znaczy, że osoby, które dostały wyższą dawkę promieniowania (choć mieszczącą się w normie) rzadziej chorowały na nowotwory?

To bardzo ciekawe wyniki, pamiętajmy jednak, że mówimy o maksymalnie kilkuset przypadkach; nie jest to grupa w pełni reprezentatywna. Nam bardzo ciekawe wydało się jednak to, że gdy spojrzeliśmy pod kątem podziału w zależności od dawki, to osoby, które otrzymywały najwyższe dawki promieniowania, rzadziej chorowały na nowotwory. Spośród ok. 50 pracowników, którzy otrzymali najwyższe dawki, żaden nie chorował na nowotwór. Mówię o roku 2011, wg rejestrów medycznych przechowywanych w Świerku. Później badania nie były kontynuowane.

Czy to oznacza, że pewna wyższa dawka promieniowania może być paradoksalnie korzystna dla zdrowia?

Musimy najpierw zrozumieć, jak działa promieniowanie. Jest ono tzw. stresorem, czyli czynnikiem wywołującym pewną reakcję naszego organizmu. Takim stresorem może być np. wysiłek fizyczny, zwłaszcza bardzo duży; a z drugiej strony aktywność fizyczna jest korzystna dla organizmu. Przykładowo, gdybyśmy sprintem w upał przebiegli 500 metrów, to nie czulibyśmy się za dobrze. Ale ten sam dystans pokonany łagodnym truchtem codziennie sprawi, że po trzech miesiącach nie traktowalibyśmy już tego jako poważny wysiłek fizyczny, bo nasz organizm w pewnym stopniu zaadaptowałby się. Tak więc działanie stresora w pewnych niewielkich dawkach może działać stymulująco na organizm.

Nie wiem, czy bieganie będzie korzystne dla każdego. To pytanie do kardiologów. Zapewne nie dla każdego. Podobnie jest z promieniowaniem jonizującym. Unikałbym generalizowania, czyli mówienia, że promieniowanie jest zawsze dobroczynne albo zawsze szkodliwe. To wszystko jest procesem bardzo złożonym.

Są badania pokazujące, że promieniowanie w pewnych niskich dawkach działa stymulująco na organizm. Inne pokazują brak jakiegokolwiek wpływu, jeszcze inny – negatywny, choć nieistotny statystycznie. To pokazuje, że promieniowanie może różnie oddziaływać na organizm, wiele zależy od indywidualnych predyspozycji (mówimy o indywidualnej promieniowrażliwości).

To dlatego, że organizm jest tzw. fizycznym układem złożonym: znalezienie prostej korelacji między stresorem a odpowiedzią układu jest trudne.

Zajmuje się Pan między innymi fizyką nowotworów. Czy fizyka może pomóc w zrozumieniu przyczyn powstawania nowotworów?

Z punktu widzenia fizyki mówimy o pewnych procesach, dalekich od stanu równowagi termodynamicznej. Człowiek jest układem żywym, samoorganizującym się – widać to np. po tym, że mamy stałą temperaturę ciała. Nasz organizm, by utrzymywać temperaturę i własną strukturę, musi przyjmować z otoczenia pewien strumień informacji oraz energię: oddychamy, pijemy, jemy, reagujemy na pewne sygnały, przetwarzamy informacje.

Nowotwór jest pewnego rodzaju zaburzeniem tego układu. Jak powstaje z punktu widzenia biologii, a właściwie biofizyki? Otóż w łańcuchu DNA jest przechowywana informacja, jak organizm ma funkcjonować. Ta informacja nieco się zmienia w ciągu życia, gdyż dochodzi do naturalnych procesów, które powodują zakłócenia w DNA. Dochodzi do różnego rodzaju uszkodzeń, z których naprawą organizm świetnie daje sobie radę: skuteczność jest bliska 100 proc. Jeśli jednak uszkodzenie w DNA zostanie błędnie naprawione, to dochodzi do mutacji, czyli utrwalonego uszkodzenia. W 99 procentach, gdy dojdzie do takiej mutacji, nic złego się nie stanie. Jednak 1 proc. łańcucha DNA odpowiada za mechanizmy kontroli podziału komórkowego, naprawy uszkodzeń, apoptozy (czyli zaprogramowanej śmierci komórek).

Jeśli komórka zostanie upośledzona w tych funkcjach, dojdzie do mutacji, która np. spowoduje zakłócenie procesu apoptozy, wyłączy się jej ten samobójczy mechanizm, to może się ona nieustannie dzielić. Może wtedy dojść do transformacji nowotworowej. Jako fizycy mówimy, że jest to przemiana fazowa.

Co to znaczy?

Najprostsza przemiana fazowa to zmiana stanu skupienia, np. wrzenie czy skraplanie wody. To pewnego rodzaju przeorganizowanie układu: z wody stał się gaz; komórka, która nie była nowotworową, nagle się nią stała. Z punktu widzenia biologii pojedyncza komórka nie stanowi jeszcze nowotworu, gdyż układ immunologiczny jest pewną dodatkową barierą ochronną. Dopiero jej przełamanie i namnażanie się komórek nowotworowych, prowadzi do nowotworu. Fizycy zajmują się pokazaniem procesów biologicznych – czyli tego, jak komórka nienowotworowa zmienia się w nowotworową – za pomocą równań czysto fizycznych, czyli procesów przejścia fazowego.

Czy dzięki fizyce będzie szansa na wcześniejsze wykrycie nowotworu i lepsze leczenie?

Podstawowe badania naukowe mają to do siebie, że nigdy nie wiadomo, co z nich ostatecznie wyjdzie. Na pewno zwiększają naszą wiedzę na temat powstawania nowotworów. A co dalej? Są inżynierowie, wynalazcy, lekarze – czas pokaże, co stanie się dalej z tym, co odkryjemy. Dziś zwiększmy nasz zasób wiedzy na temat nowotworów.

Na pewno będzie można dużo lepiej oszacować ryzyko wystąpienia choroby nowotworowej. W jednej z publikacji wykazaliśmy, że osoby posiadające mutacje wrodzone – dotyczyło to mutacji BRCA1, BRCA2, czyli w genie odpowiedzialnym m.in. za choroby nowotworowe piersi – mają większe ryzyko zachorowania, co zresztą jest znane w medycynie od lat. Wiemy, że u tych osób trzeba częściej przeprowadzać badania, by wykryć nowotwór w jak najwcześniejszym stadium, aby był w pełni wyleczalny.

Czy opierając się na fizyce, byłoby możliwe wymyślenie testu, dzięki któremu będzie można wykryć zmiany dużo wcześniej niż dziś?

To pytanie bardziej do biologów niż do fizyków. Jako fizycy możemy patrzeć na sposób organizacji danego układu, czyli jeśli widzimy pewne procesy kierujące nas do przejścia fazowego, to możemy wymyślić pewne metody, które są w stanie to opisać. To np. metody analizy entropii generowanej przez dany układ. Entropia jest pewną miarą nieuporządkowania danego układu. Entropia, która jest produkowana przez komórki nowotworowe, jest często większa niż produkowana przez komórki zdrowe. Efektem tego jest chociażby to, że komórki nowotworowe mają zazwyczaj nieco wyższą temperaturę niż komórki zdrowe.

Nas interesuje rozwój nowotworu z punktu widzenia fizyki, gdyż widzimy go jako „układ działający w układzie”. Są pewne modele relacji pasożyt-żywiciel, które pasują do relacji nowotwór-człowiek.

Nowotwór jest też układem adaptacyjnym i samoorganizującym się, potrzebuje energii, którą czerpie z organizmu. Fizycy mogą pokazać, że można trochę „przeszkodzić” nowotworowi, by nie mógł tak śmiało pobierać energii z organizmu.

Są pewne prace naukowe, które za pomocą pola elektromagnetycznego próbowały wyrównać produkcję entropii w tkankach zdrowych i w tkance nowotworowej, by zaburzyć rozwój nowotworu. Częściowo to odniosło sukcesy, ale nie na tyle, by weszło to do praktyki klinicznej.

Czy fizyka może pomóc zoptymalizować radioterapię nowotworów dzięki poznaniu mechanizmów promieniowrażliwości?

W każdej terapii nowotworowej chodzi o zabicie komórek nowotworowych, a oszczędzenie zdrowych, a przynajmniej o utrzymanie guza „w ryzach”. Z radioterapią jest związany cały szereg zjawisk. Jednym z nich jest tzw. efekt sąsiedztwa, zwany też efektem widza. Polega na tym, że gdy naświetla się pewien obszar i mamy pewną granicę pola promieniowania, to komórki, które leżą w pewnym marginesie, a nie zostały napromienione, zachowują się tak, jakby były napromienione. To może być przyczyną tzw. wtórnych nowotworów, które mogą pojawić się po pewnym czasie jako skutek uboczny leczenia, kiedy tkanka zdrowa otrzymała tak wiele różnego typu stresorów, że doszło do akumulacji mutacji, transformacji i powstania zupełnie nowego nowotworu. O nowotworach wtórnych będzie mówić raport UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation), który ma być wkrótce opublikowany.

Zdarza się jednak też, że niektóre komórki nowotworowe w obszarze napromienianym przeżyły. Kluczowe jest to, czy zostały naświetlone i przeżyły, czy część nie została naświetlona. Ta druga sytuacja jest paradoksalnie prostsza, bo można powtórzyć terapię. Gorzej, gdy zostały naświetlone i przeżyły – mogą wykazywać się w przyszłości większą promienioodpornością.

Zaadaptowały się do radioterapii i już na nią nie zareagują?

Mogły się zaadaptować. W każdej populacji są osobniki bardziej i mniej wrażliwe, bardziej i mniej odporne. Można to porównać do sytuacji, gdy pojawia się bardzo groźny wirus, z powodu którego 95 proc. populacji umiera. Pozostaje 5 proc. populacji, która jest bardziej odporna. Te 5 proc. przetrwa, rozmnoży się, w wyniku czego cała populacja potomna będzie odporna na tę chorobę.

Jeśli część komórek nowotworowych będzie bardziej promieniooporna, to potem, gdy ta populacja rozmnoży się, powstanie ponownie guz nowotworowy, to będzie on mniej wrażliwy na promieniowanie.

U tej osoby radioterapia może już nie zadziałać?

Jest takie ryzyko. Oczywiście, o wszystkim decydują lekarze, my tylko pokazujemy problem.

Warto byłoby w przyszłości badać te wszystkie mechanizmy?

To badania interdyscyplinarne, konieczna jest współpraca specjalistów z różnych dziedzin: lekarzy, biologów molekularnych, radiobiologów, fizyków. Istotne jest, by na te zagadnienia umieć patrzeć w sposób interdyscyplinarny. Naszym głównym celem jest zrozumienie tych mechanizmów, by leczyć pacjenta, a przede wszystkim nie doprowadzać do powstania choroby nowotworowej. Gdy będziemy już znać i dobrze rozumieć te wszystkie mechanizmy, to być może w przyszłości będziemy w stanie zapobiegać chorobom nowotworowym. Jeśli wykryjemy pojedynczą komórkę, która ma niebezpieczną liczbę mutacji, i unieszkodliwimy ją za pomocą nanotechnologii, to pokonamy nowotwór.

To piękna przyszłość, możliwa tylko dzięki współpracy specjalistów z wielu dziedzin. Czy na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej współpracujecie z naukowcami różnych dziedzin?

Jako fizycy zajmujemy się próbą opisu zjawisk pod kątem fizycznym. Współpracujemy z wieloma ośrodkami. Na naszym wydziale mamy specjalność „Fizyka medyczna”, otworzyliśmy ogólnopolskie seminarium „Fizyka nowotworu”. Zapraszamy na nie specjalistów spoza naszego wydziału, którzy opowiadają o różnych aspektach powstawania nowotworów, w tym radioterapii. Współpracujemy z wieloma ośrodkami w Polsce i za granicą, m.in. z jednym z ośrodków w Japonii.

Dr hab. inż. Krzysztof Wojciech Fornalski pracuje na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej w Zakładzie Fizyki Układów Złożonych, gdzie zajmuje się zagadnieniami związanymi m.in. z biofizyką radiacyjną, wpływem promieniowania jonizującego na zdrowie oraz fizyką nowotworu. Od wielu lat łączy pracę naukową z pracą w przemyśle przy projektach budowy elektrowni jądrowych w Polsce. Opublikował kilkadziesiąt prac naukowych w recenzowanych czasopismach międzynarodowych. Jest również członkiem polskiej delegacji do UNSCEAR.