Медицина в ядерную эпоху

На достижениях ядерной и субъядерной физики в ХХI веке базируются не только энергетический прогресс и решения Нобелевского комитета, но и передовые технологии в медицине. О них «ММ» рассказали ученые СПбГУ: Григорий Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий, и Владимир Жеребчевский, заведующий учебной лабораторией ядерных процессов.

– Григорий Александрович, как появилась ядерная медицина?

Григорий Феофилов: У человечества есть несколько подарков от природы; один из них – ионизирующие излучения. Все живые клетки существуют в условиях этих излучений: есть естественный фон, есть космические лучи, и живые организмы приспособились справляться с их воздействием. Эти подарки раскрываются трудом очень многих ученых, и самые яркие вершины – это всегда Нобелевские премии. Тут можно перечислить открытия: X-лучей в 1895 году, радиоактивности в 1896-м, электрона в 1897-м, позитрона в 1929-м, создание циклотрона в 1930-м, открытие нейтрона в 1932-м, космических лучей в 1936-м, спирали ДНК в 1962-м (и появление молекулярной биологии). Все эти открытия работают для человека сегодня.

Область ядерной медицины – это диагностика и безоперационное лечение на основе знаний ядерной физики. Это интереснейшее междисциплинарное направление, в котором работают врачи, физики, химики, молекулярные биологи, инженеры, техники.

– Какие технологии легли в основу ядерной диагностики?

Владимир Жеребчевский: Мы используем фармацевтические препараты, меченные радиоактивными веществами, чтобы с помощью детектирующей аппаратуры наблюдать за их распределением в организме. Мы можем получить изображение внутренних органов человека, судить об их жизнедеятельности. И самые передовые методы здесь – позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ).

Что такое позитронно-эмиссионная томография?

Мы берем изотопы, которые могут излучать позитроны (античастицы электрона). Они взаимодействуют с одним из электронов в организме, происходит аннигиляция (превращение при столкновении. – Ред.), рождаются два гамма-кванта, разлетающиеся в противоположные стороны. Совпадения регистрируются в томографе, и вы видите то место в организме, откуда вылетели гамма-кванты.

Теперь проследим все на примере диагностики онкологических заболеваний. Для этого нужен радионуклид, который испускает позитроны. Мы делаем его на ускорителе, то есть осуществляем ядерную реакцию, в которой из стабильного изотопа кислорода-18 получаем радиоактивный изотоп фтор-18. Фтор-18 на сегодняшней день – это «рабочая лошадка» позитронно-эмиссионной томографии. Чтобы его получить, мы облучаем воду, обогащенную изотопом кислорода-18 (она в данном случае играет роль мишени), протонами с энергией до 24 МэВ. Далее внедряем этот радиоактивный фтор в глюкозу (она быстрее потребляется в злокачественных тканях, чем в доброкачественных). Следующий этап – это выделение фтора из облученной мишени (тут вступает в права радиохимия), затем его нужно внедрить в органическую молекулу. Далее пациенту вкалывают глюкозу, меченную фтором-18, – это уже радиофармпрепарат. Она будет интенсивно накапливаться в органах и тканях, где активно протекает процесс ее расщепления (гликолиз): например, в головном мозге, миокарде, желудке и кишке, печени, мышцах и, конечно, в опухолевых образованиях. Потом пациента помещают в томограф и на компьютере видят картину, где все области с повышенным содержанием меченой глюкозы высвечиваются за счет регистрации аннигиляционных гамма-квантов, вылетевших из этих областей. И это не статичный процесс, его можно видеть в динамике.

Такая диагностика способна выявлять злокачественные образования на самых ранних стадиях, поэтому методика считается самой современной.

– А что такое однофотонная эмиссионная томография?

ВЖ: Здесь используется гамма-камера, где регистрируются фотоны, испускаемые из области, в которой накопился радиофармпрепарат. Таким образом строится диагностическое изображение.

В ОФЭКТ используют радиоактивные изотопы металлов, а меченое вещество вводится в организм в составе комплексного соединения. Самый «ходовой» изотоп – метастабильный технеций-99 (80 % медицинских ядерно-физических исследований ведутся с его использованием). Он нарабатывается в основном на реакторах. Однако в мире есть проекты (и мы предлагали один такой для СПбГУ), когда можно технеций-99 производить на малогабаритных ускорителях с большими токами пучков и энергиями в диапазоне 24–30 МэВ.

Возвращаясь к диагностическим методам в ядерной медицине, хочу упомянуть еще знаменитый радиоиммунологический анализ: когда в пробирке по капле крови мы можем обнаруживать и измерять присутствие биологически активных веществ (гормоны, ферменты, аминокислоты) в сверхмалых концентрациях. При разных заболеваниях в организме человека образуются характерные вещества, медики называют их маркерами. Так как содержание маркеров в крови (как и гормонов) очень незначительно, то радиоиммунологический анализ и здесь приходит на выручку. Эффект от его применения в медицине настолько значителен, что многие медицинские науки – эндокринология, онкология, акушерство – благодаря ему получили мощнейший импульс для своего дальнейшего развития. За открытие этого анализа биофизику Розалин С. Ялоу тоже была присуждена Нобелевская премия. 

– Что происходит после определения раковых клеток? Какие виды терапии применяются?

ГФ: Физики поняли уже давно, что один из способов воздействовать на клетку – разрушить ДНК в тех клетках, где оказался сбитым код их развития и которые начали интенсивно делиться. Это вошло в основу традиционной лучевой терапии, когда опухоль, на которую надо воздействовать, облучают гамма-лучами. Поскольку организм человека состоит в основном из воды, то при прохождении пучка гамма-лучей вследствие вторичных процессов ионизации возникают активные радикалы Н и ОН, которые могут приводить к нарушениям молекулярных цепочек в ДНК. Если нормальные живые ткани имеют способность хорошо восстанавливать повреждения, то ткани, где ДНК с особенностями, восстанавливаются хуже. При периодических облучениях идет накопление эффекта и подавляется опухоль. Преимущество этого метода в том, что он безоперационный, и потому он применяется в 50–70 % всех случаев терапии онкозаболеваний.

Но поток гамма-лучей при прохождении через вещество ослабевает, при этом максимум дозовой нагрузки на живые ткани всегда окажется в начале пробега гамма-лучей. Кроме того, даже оптимизированные распределения доз с разных направлений не отменяют высокой проникающей способности гамма-лучей.

Однако физики отметили одно удивительное свойство заряженных частиц: способность лавинообразно увеличивать на своем пути ионизацию атомов среды при торможении. Представьте себе атом, увеличенный до размера стола. В центре ядро размером с перцовое зернышко, а вокруг электроны – размером с пылинки. А заряженная частица, летящая через такое «пылевое» облако электронов, может какие-то электроны сдернуть со своих орбит электрическим полем. Этот процесс называется ионизацией. При большой скорости частицы ионизация не очень сильная, так как время воздействия мало. Когда же частица начинает тормозить, то время воздействия увеличивается, и больше электронов могут соскочить с орбит атомов, попавшихся на пути. При этом на ионизацию теряется уже заметная доля энергии частицы. Начинается лавинообразный процесс: чем частица медленнее, тем больше она ионизирует, чем больше она ионизирует, тем медленнее она становится и как бы «увязает» за счет возрастающих потерь. Перед ее полной остановкой получается облако ионизированных атомов вокруг того места, где она остановилась, это так называемый пик Брэгга – еще один подарок от природы! Это значит, что если мы управляем начальной энергией частиц, то мы можем останавливать частицы там, где надо, и контролировать облучение нужной области с точностью в пределах 1 мм. Это основа адронной терапии. И в качестве «волшебных ионов» уже сегодня активно работают протоны и ионы углерода-12 – в Японии и в Европе для безоперационного лечения локализованных глубоко расположенных (в том числе неоперабельных) опухолей.

Но что делать с метастазами (помимо химиотерапии)? Одно из последних открытий состоит в стимулировании иммунной системы пучками частиц. Если облучать ионизирующими частицами области метастаз, то при определенных дозах и типах частиц может возникнуть специфическая реакция иммунной системы, нацеленная на конкретную область. Последние начинают работать как некая вакцина, и организм сам уничтожает онкологические клетки.

– В каких еще направлениях развивается ядерная медицина?

ГФ: Биология продолжает играть очень важную роль в понимании клеточных механизмов: например, возникло новое направление, которое называется тераностика. Слово – сочетание «терапии» и «диагностики». А по сути – это сочетание молекулярной биологии, радиохимии и ядерной физики.

ВЖ: Здесь самое главное – найти такую органическую молекулу, которая бы прикреплялась только к раковым клеткам, а к здоровым – нет. И такие молекулы есть! За последние годы были разработаны «почтовые» материалы (моноклональные антитела, пептиды, нановещества, биологически активные полимеры) со специфической особенностью связываться только с определенными антигенами, в результате чего происходит направленная доставка терапевтического радиоактивного изотопа, помещенного в эту молекулу, к злокачественной клетке. Это так называемая «таргет»-терапия (от англ. target – цель). Суть ее в том, что вы берете радиоактивный изотоп, который испускает не только гамма-кванты (о них мы говорили ранее), но и электроны сравнительно небольших энергий: Оже-электроны, конверсионные электроны, имеющие микронный и субмикронный радиус действия и обладающие более высокой линейной энергией переноса, что увеличивает возможность уничтожения раковых клеток с помощью двойного разрыва ДНК. Такие изотопы очень перспективны для точно ориентированной терапии с минимальными побочными действиями. Это дает прекрасную возможность объединить новейшие методы визуализации и лучевой терапии. И это не просто исследования: такие методики уже применяются для лечения.

– Расскажите о своих научных планах в этом направлении.

ВЖ: Мы планируем продолжить наши исследования ядерных реакций, в которых будут нарабатываться радиоактивные изотопы, применяемые в методах «тераностики». У нас отличная коллаборация: СПбГУ, Радиевый институт им. В. Г. Хлопина, Институт высокомолекулярных соединений. Большие надежды возлагаем на новый циклотрон Ц-80, запущенный в конце прошлого года в Петербургском институте ядерной физики имени Б. П. Константинова (ПИЯФ).

Суть исследований проста: мы, физики-ядерщики, изучая ядерные реакции, в итоге выбираем такие оптимальные параметры ускоряемых пучков заряженных частиц и мишеней, при которых выход требуемого радиоактивного изотопа будет наибольшим. Далее радиохимики извлекают этот изотоп с наименьшими потерями из облученной мишени, а затем химики синтезируют некую биологически активную молекулу и вводят в нее радиоактивный изотоп. Как я уже говорил, важная часть отводится на исследования того, насколько хорошо «приживется» этот изотоп в молекуле. А дальше самое главное: нужны медики, которые могут изучать это на биологических объектах и внедрять в клиническую практику.

– Вы участвуете в проекте ЦЕРН ENLIGHT++, который объединяет специалистов из десятков университетов и клиник. В чем его суть?

ГФ: Это европейское научное сообщество, исследовательская сеть центров адронной терапии легкими ионами, координируемая ЦЕРН, мы туда включились в 2004 году. Тогда мне удалось привезти на семинар восемь тезисов докладов от разных институтов – от Санкт-Петербургского университета, от ПИЯФ (Гатчина), от РНЦРХТ (Песочный), от муниципального онкологического центра, и позднее удалось сделать совместный проект на уровне города по созданию Центра терапии для Северо-Западного региона РФ. ENLIGHT++ объединяет европейские институты, университеты и центры, которые разрабатывают и ускорители, и диагностическую аппаратуру, ведут медико-биологические исследования и развивают новейшие методики лечения. Без международной кооперации работа над высокотехнологичными методами адронной терапии невозможна.