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).
