(BNCT) Boron Neutron Capture Therapy

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) merupakan teknik pengobatan
yang melibatkan akumulasi selektif
10
B pada kanker dan diikuti dengan iradiasi
neutron termal. Inti 10B akan menangkap neutron dan menghasilkan partikel α dan
inti hasil 7Li. Partikel α dan inti hasil
7
Li yang dipancarkan tersebut memiliki
Linear Energy Transfer (LET) yang tinggi, yaitu masing-masing sebesar 150
keV/µm dan 175 keV/µm (Sauerwein et al., 2012). LET merupakan besarnya
energi yang ditranster suatu partikel tiap satuan panjang materi yang dilaluinya.
Karena LET yang besar, jangkauan maksimal partikel α dan inti hasil 7Li adalah
sebesar (8-10) µm dan (4,5-5) µm, lebih pendek dibanding sel tunggal penyusun
tubuh yang berdiameter 12- 13 µm akan membatasi kerusakan hanya di dalam selsel yang mengandung
10
B. Dengan cara ini, BNCT akan menargetkan jaringan
secara selektif, sehingga kerusakan pada jaringan normal dapat diminimalkan
(Garabalino et al, 2011) dan (IAEA, 2001).. Reaksi nuklir yang terjadi antara
neutron dan 10B ditunjukan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Reaksi nuklir dalam BNCT (IAEA, 2001)
8
9
Reaksi tangkapan neutron oleh inti
10
B akan menghasilkan
11
B* yang
selanjutnya akan mencapai keadaan stabilnya dengan memancarkan partikel α dan
menghasilkan inti hasil 7Li dengan dua kemungkinan. Kemungkinan pertama
dengan probabilitas 6,1%,
inti hasil
7
11
B* akan memancarkan partikel α dan menghasilkan
Li dengan energi yang terkait sebesar 2,79 MeV. Pada reaksi
kemungkinan
kedua,
dengan
probabilitas
93,9%
7
Li*
akan
mencapai
kestabilannya dengan memancarkan partikel γ berenergi 0,48 MeV. Mekanisme
yang diuraikan dapat dituliskan seperti persamaan (2.1) (Sauerwein et al., 2012).
10
5B
+ 10n →
Senyawa
10
11
5B
4
2He
+
7
3Li
4
2He
+
7
∗
3Li
+ 2,31 MeV
∗
7
3Li
→
+ 2,79 MeV
6,1 %
∗
7
3Li
93,9%
+ γ (0,48 MeV) (2.1)
B yang digunakan untuk BNCT adalah senyawa Borocaptate
Sodium (BSH) dengan rumus kimia Na2B12H11SH atau Boronphenylalanine
(BPA) dengan rumus kimia C9H12BNO4 (Barth et al., 2012). Bukan hanya
10
B
yang bereaksi dengan neutron, terdapat beberapa reaksi lain akibat senyawa
pembawa boron yang diinjeksikan ke jaringan tubuh. Reaksi yang dipaparkan
dibatasi untuk senyawa BPA. Reaksi neutron dengan jaringan tubuh yang telah
diberi BPA pada dasarnya ada tiga: 10B (n, α) 7Li; 14N (n, p) 14C; dan 1H (n,γ) 2H.
Dengan dua reaksi terakhir menghasilkan dosis yang tak terelakkan ke jaringan
sehat dengan konsekuensi bahwa dosis tambahan dengan kontaminasi dengan
neutron cepat dan radiasi gamma harus diminimalkan (Wagner, 2012).
2.2. Sumber Neutron untuk BNCT
Kyoto University Research Reactor Institute (KURRI) dan Sumitomo
Heavy Industries, Ltd. (SHI) mengembangkan cyclotron HM-30 yang dapat
menghasilkan proton hingga energi maksimum 30 MeV dengan arus proton
operasional 1 mA yang dapat ditingkatkan sampai 2 mA. Cyclotron ini
10
mempercepat ion hidrogen negatif (H-) hingga energi tertentu, yang selanjutnya
akan diambil 2 elektronnya, sehingga dihasilkan proton. Proton hasil inilah yang
selanjutnya akan dimanfaatkan untuk menghasilkan neutron dalam pengobatan
dengan BNCT (Mitsumoto et al., 2013).
Reaksi yang dapat mnghasilkan neutron antara lain dengan menembakan
proton ke target
9
Be. Dengan proton berenergi 30 MeV, terdapat dua
kemungkinan reaksi yang terjadi, yakni 9Be(p, n)9B dan 9Be(p, 2n+p)7B (Soppera
et al., 2012). Neutron yang dihasilkan dari interaksi tersebut memiliki energi yang
tidak sama, yaitu neutron termal, neutron epitermal, dan neutron cepat, dengan
energi neutron maksimum 28 MeV. Ketika neutron tersebut berinteraksi dengan
materi akan dihasilkan efek yang tidak sama pula. Hal ini begantung dari
komponen penyusun materi dan energi neutron yang berinteraksi. Oleh karena itu
IAEA mengelompokan neutron kedalam tiga kelompok energi (IAEA, 2001) :
a. Neutron termal, memiliki rentang energi maksimum sebesar 1 eV.
b. Neutron epitermal, memiliki rentang energi antara 1 eV – 10keV.
c. Neutron cepat, memiliki energi lebih dari 10 keV.
Untuk keperluan BNCT, idealnya menggunakan neutron epitermal. Hal ini
dikarenakan daya tembus maksimum untuk neutron termal hanya mencapai permukaan kulit
dan berhenti, sehingga tidak dapat mencapai lokasi kanker. Sedangkan untuk neutron
epitermal mencapai fluks maksimum pada jarak 2-3 cm dari permukaan kulit dan kemudian
mengalami penurunan secara eksponensial (IAEA, 2001). Kondisi ini ditunjukkan pada
gambar 2.2.
11
Gambar 2.2. Akumulasi fluks neutron termal dan neutron epitermal pada kedalaman
panthom (IAEA, 2001)
Untuk pengobatan BNCT, IAEA telah memberikan parameter berkas
neutron yang dapat digunakan. Parameter berkas neutron tersebut ditunjukan pada
Tabel 2.1
Tabel 2.1 Parameter berkas neutron untuk BNCT yang disarankan IAEA (IAEA,
2001)
Parameter
Notasi (Satuan)
∅𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙
∅𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 /∅𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙
Rekomendasi
IAEA
>109
< 0,05
Fluks neutron epitermal
Rasio fluks neutron termal
terhadap epitermal
Rasio dosis neutron cepat
terhadap fluks neutron
epitermal
Rasio laju dosis gamma
terhadap fluks neutron
epitermal
Rasio arus neutron total
terhadap fluks neutron
total
Satuan
(n. cm−2 . s −1 )
𝐷𝑓 /∅𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙
<2,0 × 10-13
(Gy. cm2 . n−1 )
𝐷𝛾 /∅𝑒𝑝𝑖𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙
<2,0 × 10-13
(Gy. cm2 . n−1 )
𝐽𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 /∅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
>0,7
12
2.3.Interaksi Partikel Radiasi pada BNCT
Di dalam terapi BNCT setidaknya terdapat partikel neutron, partikel alpha,
partikel gamma dan inti hasil reaksi Li.
2.3.1.
Interaksi Neutron pada BNCT
Neutron merupakan partikel yang tidak bermuatan, sehingga tidak
dipengaruhi oleh medan listrik yang berasal dari inti. Oleh karena itulah neutron
mampu mendekati inti atom, bahkan menembus inti atom yang dilewatinya.
Ketika menumbuk materi, neutron akan dihamburkan atau akan diserap (Lamarsh
& Baratta, 2001).
Reaksi hamburan terjadi ketika satu inti ditembak dengan satu neutron,
neutron diserap inti dan mengemisikan kembali neutron tunggal. Dengan kata lain
neutron yang memasuki inti akan keluar kembali. Reaksi hamburan dapat
dibedakan menjadi dua, yaitu hamburan elastis dan hamburan inelastis. Pada
hamburan elastis, tidak ada energi yang ditransfer dari neutron ke inti target untuk
eksitasi inti. Momentum dan energi kinetik pada sistem tetap, meskipun ada
energi kinetik yang ditransfer dari neutron ke inti target yang menyebabkan energi
kinetik neutron berkurang (DOE-HDBK.1993).
Pada hamburan inelastis, ketika neutron mengenai inti target, neutron akan
diserap dan membentuk inti gabung. Selanjutnya inti gabung ini akan
memancarkan neutron dengan energi kinetik yang lebih rendah, dan inti target
berada pada keadaan tereksitasi karena sebagian energi kinetik neutron ditransfer
untuk eksitasi inti. Inti target akan menuju ke keadaan dasarnya dengan
memancarkan radiasi gamma (DOE-HDBK.1993).
Pada reaksi serapan neutron diserap inti target dan tidak keluar lagi. Inti
target akan menjadi inti baru yang bersifat radioaktif yang selanjutnya akan
memancarkan radiasi. Secara garis besar, yang termasuk reaksi serapan adalah
radiative capture, particle ejection dan fission (DOE-HDBK.1993).
Radiative capture terjadi ketika neutron diserap inti target sehingga
membentuk inti gabung yang tereksitasi. Inti ini selanjutnya kembali ke keadaan
dasar dengan disertai pemancaran radiasi gamma. Persamaan (2.2) merupakan
13
contoh reaksi dari peritiwa radiative capture dengan hidrogen dari BSH atau BPA
ataupun dari penyusun jaringan tubuh (DOE-HDBK,1993 dan Rasouli &
Masoudi, 2012).
1
0𝑛
+ 11𝐻 →
2
∗
1𝐻
→ 21𝐻 + 00𝛾 + 2,2 𝑀𝑒𝑉
(2.2)
Peristiwa partikel ejection merupakan peristiwa dimana neutron diserap inti
target, yang selanjutnya membentuk inti gabung dalam keadaan eksitasi dengan
tingkat energi yang cukup untuk menghasilkan inti baru dengan disetai dengan
pemancaran partikel radiasi tertentu misalkan proton, alfa ataupun neutron. Inti
baru yang dikeluarkan dapat berada pada keadaan eksitasi ataupun berada dalam
keadaan dasar. Persamaan (2.3a) dan (2.3b) merupakan reaksi dari peristiwa
partikel ejection (DOE-HDBK.1993).
1
0𝑛
+
10
5𝐵
→
1
0𝑛
+
14
7𝑁
→
11
∗
5𝐵
14
6𝐶
→ 73𝐿𝑖 + 42𝛼
+ 11𝐻 + 0,6 𝑀𝑒𝑉
(2.3a)
(2.3b)
2.3.2. Interaksi Foton pada BNCT
Radiasi foton (gamma) tidak lain adalah radiasi elektromagnetik. Foton
dapat berperilaku sebagai partikel dengan berinteraksi dengan senyawa dalam
tubuh. Tiga interaksi utama foton dengan atom materi yaitu efek fotolistrik,
hamburan Compton dan produksi pasangan (Beiser, 1995).
Efek fotolistrik merupakan peristiwa terlepasnya elektron dalam atom
karena ditumbuk oleh foton. Semua tenaga foton diberikan kepada elektron,
sebagian untuk melepaskan diri dari orbit atom dan sisanya digunakan untuk
bergerak sebagai tenaga kinetik (Beiser, A, 1995).
Pada hamburan Compton, foton menabrak elektron bebas atau elektron yang
terikat sangat lemah dalam atom. Energi foton sebagian diberikan kepada elektron
dan foton terhambur. Tenaga foton berkurang dan arahnya berubah dengan sudut
hambur tertentu. (Beiser, 1995).
Produksi pasangan adalah ketika suatu foton berenergi minimal 1,02 MeV
bergerak mendekati inti atom. Foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan
terbentuk pasangan elektron dan positron. Kedua partikel ini memiliki massa
sama namun berbeda muatannya (Krane, 1992).
14
2.3.3. Interaksi Elektron pada BNCT
Dari paparan mengenai interaksi foton dengan BNCT, dapat disimpulkan
bahwa semua interaksi foton dengan senyawa menghasilkan elektron. Elektron
dapat menyebabkan atom tereksitasi dan atau terionisasi sehingga dihasilkan foton
dan ion. Interaksi akan terus berlanjut hingga energi foton dan elektron habis.
Interaksi tersebut dapat terjadi pada sel kanker maupun sel sehat
Inti sel dalam tubuh manusia menandung struktur biologis yang sangat
komplek yang disebut dengan kromosom. Kromosom memegang peranan penting
dalam penyimpanan informasi genetika yang berhubungan dengan karakter dasar
dan keturunan manusia. Kromosom mengandung ribuan gen yang merupakan
rantai pendek dari Deoxyribonucleic acid (DNA) (Batan, 2014).
Interaksi radiasi dengan material biologis diawali dengan adanya proses
ionisasi yang menyebabkan elektron dalam atom tereksitasi. Elektron tersebut
selanjutnya dapat menyebabkan interaksi langsung maupun tidak langsung.
Interaksi secara langsung terjadi ketika elektron langsung diserap oleh DNA.
Interaksi tidak langsung terjadi ketika terjadi interaksi radiasi dengan molekul air
(H2O) yang selanjutnya menghasilkan radikal bebas H+ dan OH- yang sangat
reaktif bersifat toksik. Akibat interaksi ini terjadi perubahan struktur DNA atau
bahkan putusnya salah satu atau kedua untaian DNA (Batan, 2013). Putusnya
DNA ini akan menyebabkan kerusakan atau bahkan kematian dari sel yang
tersusun atas untaian DNA tersebut.
Adalah suatu hal yang penting mempelajari dosis foton yang diterima oleh
setiap organ pada pengobatan BNCT yang disebut dosimetri. Dosis serap
didefinisikan sebagai rerata energi (dE) yang diserap materi tiap satuan massa
materi tersebut (dm). Dosis serap disimbolkan dengan D, secara matematis dapat
dituliskan sebagai:
𝐷=
𝑑𝐸
𝑑𝑚
(2.4)
Satuan internasional dosis serap adalah joule/kg atau gray (Gy) (Batan, 2013).
15
2.3.4. Interaksi Partikel Bermuatan pada BNCT
Bila radiasi pengion berinteraksi dengan materi maka energi radiasi akan
berkurang. Partikel bermuatan listrik akan memiliki kecenderungan untuk
berinteraksi langsung. Interaksi yang terjadi adalah peristiwa ionisasi dan eksitasi
(DOE-HDBK, 1993).
Ionisasi adalah peristiwa terbentuknya atom bermuatan ketika atom tersebut
terkena radiasi. Elektron terluar atom akan menjadi elektron bebas (ion negatif),
sehingga atom yang kekurangan elektron menjadi ion positif. Sedangkan eksitasi
adalah peristiwa berpindahnya elektron ketingkat energi yang lebih tinggi, yang
menyebabkan atom-atom yang awalnya stabil menjadi atom yang tidak stabil
(DOE-HDBK, 1993).
2.4. Glioblastoma Multiformis (GBM)
Glioblastoma multiformis (GBM) merupakan salah satu kanker otak yang
berasal dari sel glial/ sel glue (ABTA, 2014). Pada dasarnya, otak memiliki dua
jenis sel, yaitu neuron dan sel glial. Neuron berfungsi untuk mengirimkan sinyal
dari tubuh ke bagian otak tempat sinyal diproses. Sedangkan sel glial mendukung
neuron dan membantu mengatur transmisi sinyal tersebut. Sel glial terdapat pada
otak besar (cerebrum), namun kasus GBM biasanya terjadi pada lobus frontalis
dan lobus temporalis (Rulseh et al., 2012). Penyakit ini termasuk salah satu jenis
kanker otak yang masih menjadi masalah yang sulit dipecahkan bagi para ahli
medis maupun non-medis yang menangani pasien dengan kanker tersebut. GBM
termasuk kanker ganas yang menjadi penyebab kematian terbesar pada kasus
kanker otak (Markert, 2005).
GBM dapat menyerang segala usia, termasuk anak- anak. Namun, usia
rentan dari penyakit ini adalah antara usia 65 hingga 75 tahun. Kanker ini
tampaknya memiliki kecenderungan jenis kelamin penderitanya, dengan kasus
dengan penderita pria 40% lebih tinggi dari wanita. Kanker ini dapat terjadi
dimanapun, tetapi paling sering pada hemisfer serebri dan sering menyebar ke sisi
yang berlawanan melalui korpus kalosum (Ray, 2010).
16
Gioblastoma multiformis termasuk kanker otak primer (astrositoma) yang
berdiferensiasi sangat buruk, sehingga asal mula sel yang membelah tak
terkendali tidak mungkin ditemukan. Pertumbuhan kanker inipun sangat cepat dan
prosedur pembedahan justru akan menyebabkan kecacatan dan tidak memperbaiki
ketahanan pasien. Oleh karena itulah BNCT dipilih sebagai metode paling efektif
untuk memperpanjang ketahanan hidup pasien tanpa memberikan rasa sakit dan
tersiksa pada pasien (Davey, 2005).
Pada penderita kanker otak, termasuk glioblastoma multiformis, terdapat sel
yang mengalami pembelahan tak terkendali dan mengakibatkan adanya benjolan
ataupun seperti pendarahan pada otak. Gambar 2.3. menunjukan perbedaan
kenampakan hasil foto MRI otak normal dan otak yang terkena kanker.
BNCT dirasa lebih efektif untuk penanganan kanker otak karena kanker
menyebarkan sel-sel kanker ini dengan sangat cepat di otak. Aliran darah di otak
memungkinkan untuk senyawa boronated untuk selektif menembus ke kanker
bahkan jika senyawa tersebut tidak memiliki kecenderungan khusus untuk
membentuk ikatan kimia (berinteraksi) dengan sel kanker (Wagner, 2012).
(a)
(b)
Gambar 2.3. (a) Hasil foto MRI otak normal, (b) Hasil foto MRI otak penderita
glioblastoma
17
2.5. MCNP
MCNP memiliki informasi standar tentang permasalahan dari stimulasi
Monte Carlo dan memiki kemampuan dalam membuat hasil keluaran yang
diinginkan. Informasi ini dibuat dalam bentuk tally.
File masukan dari MCNP terdiri atas bagian- bagian cell card, surface card
dan data card yang memuat informasi spesifikasi geometri, deskripsi material,
lokasi dan karakteristik dari sumber partikel, serta tipe tally (perhitungan) yang
diinginkan. Salah satu fiture yang disediakan dalam MNCP untuk perhitungan
terkait fenomena teknik nuklir adalah tally. Perintah tally dipergunakan untuk
mencari nilai dari arus partikel, fluks, energi dan dosis radiasi yang melewati satu
unit volume ataupun suatu permukaan. Pada MCNP disediakan tally sebagaimana
tertera dalam Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Jenis Tally yang digunakan pada MCNP (Thomas, E.,et.,al., 2003).
Tally
F1
F2
Jenis Partikel
:N, :P, :E
:N, :P, :E
Satuan
Particles
Particles/ cm2
F4
:N, :P, :E
Particles/ cm2
F5
F6
:N, :P
:N, :P, :N,P
Particles/ cm2
Mev/ gr
F7
F8
:N
:N, :P, :E, :P,E
Mev/ gr
Pulsa
Deskripsi
Arus permukaan
Fluks rerata yang yang melewati
surface
Fluks rerata yang yang melewati
cell
Fluks pada titik
Energi disposisi rerata yang
melewati cell
Energi disposisi fisi dalam cell
Distribusi pulsa energi pada
detektor
Surface yang dimaksud dalam tabel adalah batas suatu geometri, sedangkan
cell adalah volume geometri yang dibatasi oleh surface. N,P dan E mewakili jenis
radiasi yang disimulasikan neutron, foton dan elektron. Metode Monte Carlo
mengikuti jejak kejadian partikel yang sebenarnya dari partikel hidup ketika
dilepaskan dari sumbernya sampai partikel mati, kerena terserap, terhambur atau
karena lolos keluar dari sistem sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Metode
ini
memanfaatkan
probabilitas
distribusi
sampel
secara
menggunakan data transport untuk menggambarkan perjalanan partikel.
acak
18
Pada dasarnya semua kemungkinan perjalanan partikel dihitung oleh
MCNP. Pada Gambar 2.4. ditunjukan perjalanan neutron berinteraksi dengan
suatu materi. Pada titik 1 ditunjukkan kejadian pertama neutron menumbuk atom
didalam materi. Pada kejadian pertama ini terjadi peristiwa hamburan inelastis,
karena disertai dengan pemancaran radiasi gamma. Pada titik 2 menunjukan
kejadian kedua, dimana neutron yang terhambur dari kejadian pertama kemudian
menumbuk atom dan terjadi peristiwa hamburan elastis. Pada titik 3, menunjukan
neutron yang terhambur dari kejadian kedua kemudian diserap oleh inti atom
sehingga neutron lenyap. MCNP hanya menghtung neutron yang lolos dalam
artian neutron tidak hilang/ lenyap (Thomas et al., 2003).
Gambar 2.4. Perjalanan neutron berinteraksi dengan suatu materi (X-5 Monte
Carlo Team, 2003).
Keterangan Gambar 2.4.
1. Hamburan neutron, menghasilkan foton
2. Reaksi fisi, menghasilkan foton
3. Serapan neutron
4. Kebocoran neutron, neutron keluar dari sistem
5. Hamburan foton
6. Kebocoran foton
7. Serapan foton (X-5 Monte Carlo Team, 2003).