Троицкие протоны против рака

В лаборатории медицинской физики Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН разрабатывают новый метод лечения рака путем очень быстрого облучения очень мощным пучком протонов — ультрафлеш-терапию. Это дальнейшее и радикальное усовершенствование самого точного и современного метода радиотерапии (его применяют технологические лидеры отрасли, в том числе американская Varian) — с использованием пучка протонов. Подробности рассказал журнал «Эксперт».

Ноу-хау ИЯИ состоит в том, чтобы проводить экстремально короткие сеансы (одна десятитысячная секунды) при очень сильной мощности облучения. Эксперименты идут с 2020 года, и, по словам ученых лаборатории, при таком ультракоротком облучении нормальные клетки повреждаются в пять–шесть раз меньше, чем раковые.

Главный научный сотрудник ИЯИ РАН Борис Жуйков

Ультрафлеш

«Пока эксперименты проводятся с живыми раковыми и здоровыми клетками, дальше планируем проводить тестирование на живых организмах. Будем облучать в ультрафлеш-режиме куриные яйца и следить за развитием эмбриона. Далее перейдем к проведению опытов над крысами и только потом — к клиническим испытаниям», — рассказывает главный научный сотрудник, заведующий лаборатории медицинской физики ИЯИ РАН Сергей Акулиничев.

Между полученным результатом и медицинским применением еще длинный путь, который потребует еще несколько лет. Впереди испытания на животных и серия клинических испытаний на людях. Клинические испытания — объективно тяжелый этап, который нелегко пройти даже хорошей технологии: обычно экспериментальные методы тестируются на добровольцах, которые находятся на поздних стадиях болезни в сочетании с другими методами, что предъявляет высочайшие требования к безопасности и эффективности. Однако в случае успеха у российских ученых может быть приоритет.

Вообще, лучевая терапия — классический метод терапии рака, она применяется больше века. С 1950-х годов она стала относительно дешевой и массовой, ее получают порядка половины онкологических пациентов. Обычно речь идет об электромагнитном излучении, то есть пусках фотонов (частиц света) и электронов. В последние годы велик прогресс в этой области, связанный с улучшением качества пучка, более точным определением цели с помощью новейших методов КТ и МРТ, а также с возможностью снижения времени воздействия вплоть до пятнадцати минут.

Следующий шаг эволюции метода — протонная терапия. Протоны — положительно заряженные частицы ядер атомов, один протон — это атом водорода, лишившийся электрона. Протонная терапия тоже вещь не новая. С конца 1960-х она стала использоваться для лечения онкологических больных в экспериментальном режиме, то есть на научных реакторах, и не вышла в массовую терапевтическую практику. Массовая терапия стала набирать обороты только последние четверть века, поскольку эта технология, во-первых, относительно сложная, а во-вторых, относительно дорогая. Зато она дает фантастические эффекты на некоторых видах рака — рак простаты, например, этот метод вылечивает в 97% случаев.

В мире всего около сотни протонных медицинских ускорителей. Лидеры — США, Япония и Германия. Но с 2017 года протонные медицинские ускорители есть и в России. Первым был коммерческий центр протонной терапии Медицинского института в Санкт-Петербурге. В 2019 году открылся государственный Федеральный высокотехнологичный центр медицинской радиологии ФМБА в Димитровграде Ульяновской области, который стал одним из крупнейших в Европе центров радиолучевой терапии, где есть и ускоритель протонов.

Обычно облучение протонами длится 10‒15 секунд, что гораздо меньше, чем при обычной лучевой терапии. Это приводит к уменьшению побочных эффектов, связанных с повреждением здоровых тканей, и к более точному воздействию. Но и протонная терапия развивается в сторону еще большего увеличения эффективности и уменьшения побочных эффектов. Длительность нового поколения терапии — флеш-терапии — достигает уже всего половины секунды, что стало возможным благодаря увеличению энергии пучка. Мощность облучения на американском синхротроне Varian достигает 70 грей в секунду.

Ускоритель ИЯИ РАН позволяет выйти на новый уровень и проводить уже не флеш-, а ультрафлеш-терапию благодаря тому, что успевает подвести эффективную дозу облучения (30‒40 грей) всего за 100 микросекунд, то есть в пять тысяч раз быстрее, чем в обычном флеш-режиме. Более того, ультрафлеш-терапия разрушает даже радиорезистентную опухоль (обычная лучевая терапия и даже флеш-терапия оказывает на нее почти такое же влияние, как и на окружающие нормальные клетки).

Такие эксперименты возможны благодаря тому, что ускоритель в Институте ядерных исследований в Троицке может дать фантастическую мощность пучка, до миллиона грей в секунду, и на нем можно найти оптимальное сочетание интенсивности и времени облучения. Других мест в мире, где возможны такие эксперименты, практически нет.

Заведующий лабораторией пучка отдела ускорительного комплекса ИЯИ РАН Сергей Гаврилов

Линейный ускоритель

Ускоритель в Институте ядерных исследований РАН в Троицке сравнивают с Большим адронным коллайдером (БАК). Это самый большой линейный ускоритель в Евразии. По протяженности он, конечно, короче БАК — примерно в сто раз: 450 метров против 27 километров у БАК. Но важнее другое отличие: троицкий ускоритель линейный, а БАК — кольцевой. В кольцевых реакторах сталкивают частицы, летящие друг в друга, для того чтобы зарегистрировать новые физические явления и частицы материи. В линейном ускорителе решаются задачи, в которых необходим прямо направленный пучок, среди таких задач есть и фундаментальные, и практические, в том числе медицинские.

Институт ядерных исследований РАН был основан в 1970 году, а ускоритель запустили в 1993-м. Внешне ускоритель похож на огромную водопроводную трубу, но внутри является сложнейшей машиной, в которой атомы водорода сначала ионизируются (лишаются электронов), а потом поэтапно ускоряются в переменном магнитном поле. Из трубы ускорителя протоны «разлетаются» по задачам разных лабораторий. Так, в одной из них с помощью пучка протонов исследуют свойства новых сплавов, которые потом будут использоваться в космосе. В другой производят радиоактивные изотопы, которые нужны, например, для позитронно-эмиссионной томографии, способной диагностировать рак или болезни сердца на ранней стадии, и для многих других медицинских и научных применений.

Самый главный из получаемых изотопов — стронций-82. В течение многих лет осуществлялись регулярные поставки облученных на ускорителе мишеней, содержащих стронций, в Лос-Аламосскую национальную лабораторию в США. Новые оригинальные технологии по получению изотопов, разработанные в ИЯИ РАН, используются по всему миру, он имеет свыше 20 российских и зарубежных патентов в области получения изотопов. Среди новых направлений — метод уничтожения раковых клеток с помощью изотопа актиний-225, которому еще предстоит перейти из лабораторной стадии в область практических применений.

«По примерным расчетам, с помощью произведенных нами изотопов было продиагностировано и надеемся, что вылечено, 350 тысяч пациентов. А с помощью наших технологий, которые были внедрены в России, США, Канаде, Франции и частично в Южной Африке, были продиагностированы миллионы пациентов, — говорит Борис Жуйков, главный научный сотрудник лаборатории радиоизотопного комплекса ИЯИ РАН.

Применение ультрафлеш-терапии — новое практическое направление применения ускорителя. По этой теме у ИЯИ РАН может быть мировой приоритет. Если в течение ближайших лет преимущества метода будут подтверждены клиническими испытаниями, ученые смогут приступить к проектированию технологичных медицинских ускорителей для ультрафлеш-терапии.

На флаговом снимке: линейный ускоритель Института ядерных исследований РАН.