Cyclotron: từ nghiên cứu hạt nhân đến điều trị ung thư

Ở Harvard, một nam châm nặng tới 85 tấn từng là trung tâm của cyclotron đầu tiên, cỗ máy có thể đẩy proton thành chùm tia. Ban đầu, cyclotron giúp các nhà khoa học khảo sát hạt nhân và góp phần vào những nghiên cứu thời chiến; về sau, một cyclotron thế hệ mới của phòng thí nghiệm lại mở đường cho một ứng dụng ít gây hủy hoại hơn: điều trị ung thư. Theo bài viết của Science History Institute, câu chuyện ấy không phải là việc một thiết bị bỗng đổi mục đích, mà là quá trình công nghệ được hiểu sâu hơn qua từng hoàn cảnh sử dụng. [1]

Câu hỏi trung tâm là vì sao một máy gia tốc hạt có thể đi từ phòng thí nghiệm vật lý đến bệnh viện. Câu trả lời nằm ở hai đặc điểm: điện trường làm proton chạy nhanh hơn, còn từ trường bẻ đường đi của chúng thành vòng xoắn để proton nhiều lần đi qua vùng gia tốc. Khi chùm hạt đủ năng lượng, nó có thể được đưa tới một vị trí cụ thể thay vì phát tán bừa bãi. [1]

Một nam châm biến đường thẳng thành vòng xoắn

Cyclotron đầu tiên do nhà vật lý Ernest Lawrence xây dựng tại Đại học California, Berkeley, vào năm 1931. Vài năm sau, phòng thí nghiệm cyclotron Harvard được hoàn thành. Cỗ máy đầu tiên ở đây có một nam châm lớn đến mức phải vận chuyển bằng toa tàu hỏa; riêng nam châm đã nặng 85 tấn. Kích thước ấy không phải chi tiết trang trí: từ trường mạnh là thành phần giúp giữ các proton trên quỹ đạo cong. [1]

Cơ chế có thể hình dung qua hai thao tác lặp lại. Điện trường tăng tốc proton mỗi khi hạt đi qua vùng thích hợp. Từ trường tác động lên hạt mang điện, bẻ hướng chuyển động để proton quay trở lại vùng đó. Sau nhiều vòng, đường đi mở rộng thành một đường xoắn giống vỏ ốc; cuối cùng proton rời máy dưới dạng chùm tia có hướng. Đây là lý do cyclotron vừa có thể tạo ra hạt nhanh, vừa có thể kiểm soát nơi chùm hạt đi tới. [1]

Từ hóa học đến câu hỏi về hạt nhân

Trước khi chiến tranh thế giới thứ hai làm thay đổi ưu tiên nghiên cứu, các nhà khoa học đã dùng proton tăng tốc để bắn vào những nguyên tố đã biết rồi quan sát kết quả. Các phản ứng ấy giúp họ tìm hiểu cấu trúc hạt nhân. Cyclotron cũng tạo ra một năng lực mới: sử dụng bức xạ do máy sinh ra mà không phải khai thác và xử lý trực tiếp các chất phóng xạ từ tự nhiên. [1]

Điểm quan trọng là cyclotron không chỉ tạo một loại hạt cho một mục đích. Từ trường có thể tác động lên mọi hạt mang điện, trong khi các hạt nặng hơn tạo ra quỹ đạo rộng hơn. Tính linh hoạt này khiến cùng một nguyên lý có thể phục vụ hóa học, vật lý hạt nhân hoặc y học. Nhưng nó cũng khiến thiết bị trở thành công nghệ lưỡng dụng: khả năng điều khiển hạt có thể hướng tới chẩn đoán, điều trị hoặc những nhiệm vụ quân sự. [1]

Khi phòng thí nghiệm bị kéo vào chiến tranh

Năm 1943, chính phủ Hoa Kỳ tìm cách mua cyclotron Harvard, với lý do công khai là tạo đồng vị cho điều trị bệnh bạch cầu và chẩn đoán y khoa. Một số nhà vật lý nghi ngờ mục tiêu thực sự rộng hơn. Trong bối cảnh chiến tranh, các cyclotron khác đã được dùng cho những công việc liên quan đến việc tách đồng vị uranium; riêng máy Harvard được mô tả là có vai trò gần với việc tạo neutron nhanh để tinh chỉnh phản ứng dây chuyền. [1]

Cơ chế ấy bắt đầu bằng việc bắn proton đã tăng tốc vào một tấm berili. Tấm vật liệu hấp thụ proton và giải phóng neutron; neutron sau đó có thể kích hoạt phản ứng dây chuyền trong uranium đã làm giàu. Bài viết của Science History Institute cho biết cyclotron Harvard góp phần tinh chỉnh phương pháp này, một thành phần quan trọng trong việc chế tạo vũ khí hạt nhân. Như vậy, lịch sử của thiết bị không thể chỉ kể như câu chuyện tiến bộ y khoa; nó cũng gắn với hậu quả tàn khốc của khoa học thời chiến. [1]

Ý tưởng dùng proton để đánh vào khối u

Sau chiến tranh, nhà vật lý Robert Wilson đề xuất rằng các cyclotron thế hệ mới có thể đưa proton đi sâu vào mô người. Ý tưởng này dựa trên một khác biệt so với cách điều trị bức xạ sơ khai: bác sĩ có thể điều khiển và điều chỉnh chùm tia, thay vì chỉ đặt một nguồn phóng xạ gần khối u. Từ đây, proton không còn chỉ là công cụ để hỏi hạt nhân được cấu tạo ra sao; nó trở thành phương tiện truyền năng lượng vào cơ thể. [1]

Cuối thập niên 1950, một nhóm bác sĩ và nhà vật lý bắt đầu thử nghiệm proton nhanh trên khối u ở linh trưởng. Những thử nghiệm này, cùng các thí nghiệm tại nhiều phòng thí nghiệm khác, cho thấy máy cyclotron Harvard thế hệ mới, nặng 160 tấn, có thể tăng tốc proton tới khoảng một nửa tốc độ ánh sáng, đủ để chùm hạt đi sâu khoảng 17 cm vào mô người. Trong khối u, proton có thể làm tổn thương DNA của tế bào ung thư; việc dùng liều lặp lại có thể cản trở sự nhân lên của nhiều loại ung thư. Đây là mô tả về cơ chế và lịch sử phát triển, không phải hướng dẫn điều trị cho từng bệnh nhân. [1]

Một máy gia tốc thế hệ mới tiếp tục phục vụ y khoa

Đến giữa thập niên 1960, các bác sĩ bắt đầu dùng máy cyclotron Harvard thế hệ mới để điều trị người. Chùm proton có độ chính xác phù hợp với những khối u nằm ở vị trí khó, chẳng hạn vùng mắt hoặc cột sống, nơi việc hạn chế ảnh hưởng lên mô lành có ý nghĩa đặc biệt. Cùng một nguyên lý từng giúp tạo neutron trong nghiên cứu hạt nhân nay được đặt trong một bài toán khác: đưa năng lượng tới khối u với khả năng định hướng tốt hơn. [1]

Khi vật lý nghiên cứu tiến sang những thiết bị mới hơn, máy cyclotron Harvard thế hệ mới từng đứng trước nguy cơ bị tháo dỡ. Các bác sĩ ung thư tại Massachusetts General Hospital đã giữ nó lại để tiếp tục phục vụ điều trị. Chiếc máy này cuối cùng dừng hoạt động vào năm 2002, sau khi đã được dùng cho 9.000 bệnh nhân; một cyclotron y tế lớn hơn tiếp nối nó tại bệnh viện này. Nhìn vào hành trình ấy, “đổi vai” không có nghĩa quá khứ bị xóa đi. Chính những năng lực của các cyclotron Harvard, từng hữu ích trong nghiên cứu hạt nhân và chiến tranh, đã được giới y khoa chuyển hướng, giới hạn và đặt vào mục tiêu cứu chữa. [1]