Скальпель из ионов: как заставить ядра углерода лечить рак
Лечить раковые опухоли заряженными пучками протонов впервые предложил американский физик Роберт Р. Уилсон сразу после войны, в 1946 году. Он же высказал идею использовать для этой цели и другие частицы. Сейчас протонную терапию используют во всем мире для борьбы с онкологией. Про "другие частицы" известно куда меньше. Между тем набирает обороты лечение ускоренными ионами углерода.
Известно, что не все раковые опухоли поддаются химиотерапии, а некоторые виды рака мозга, легких, глаз нельзя оперировать. Тогда прибегают к радиотерапии — воздействию излучением. Рентгеновские лучи не годятся, потому что они поражают окружающие ткани. Лучше подходит гамма-излучение, которое позволяет добраться до опухоли, не сильно травмируя здоровые ткани. Основанные на нем установки — гамма-нож и кибер-нож — устроены таким образом, что множество гамма-лучей с разных сторон фокусируют на опухоли. Таким образом, ткани, где сходятся лучи, получают суммарную дозу.
В отличие от гамма-излучения, протоны заряжены, а потому взаимодействуют с веществом иначе: пронзая его, они не тормозят плавно, а передают большую часть энергии в конце пробега. Это означает, что основное воздействие частиц приходится на небольшой участок внутри тела. Зависимость поглощенной дозы от глубины пробега выражена кривой, которую впервые рассчитал английский физик Уильям Брэгг. Кривая для протонов оканчивается ярко выраженным пиком — пиком Брэгга. Его положением можно управлять, чтобы точнее нацелить пучок частиц в опухоль.
Экспериментально лечить протонами начали еще в 1960-е годы, приспособив для этого исследовательские ускорители. Протонную терапию освоили ИТЭФ в Москве, ОИЯИ в Дубне, ПИЯФ в Гатчине. К началу 90-х на СССР приходилась почти четверть онкобольных в мире, облученных протонными пучками. Специализированные медицинские центры протонной терапии стали массовыми в последние десятилетия — с прогрессом ускорительной техники. Установки для лечения все еще громоздкие, занимают большой зал, но их теперь можно выпускать массово.
Углерод бьет точнее
Одновременно медики осваивают лечение ускоренными ионами углерода, у которого наблюдается аналогичный протонному пик Брэгга. Только в отличие от гамма-излучения и протонов, пучок ионов углерода почти не рассеивается, что дает ему преимущество с точки зрения баллистики. Кроме того, углеродный пучок надежнее, нежели другие частицы, убивает раковые клетки.
В отличие от здоровой клетки, раковая постоянно делится под влиянием сбоя программы, записанной в ДНК. Значит, ее нужно уничтожить. На помощь приходят пучки элементарных частиц. Достигнув молекулы ДНК, частица выбивает из нее электрон. Он реагирует с кислородом, водой и образует избыток активных форм кислорода. Эти вещества разрушают ДНК.
Если разрывов мало или рвется только одна ветвь двойной спирали ДНК, то раковые клетки быстро восстанавливаются. Бывают опухоли, которые активно сопротивляется воздействию излучения, их называют резистентными. В этом случае ионы углерода действуют надежнее. Они сбрасывают энергию на последних четырех сантиметрах пробега и, словно острие скальпеля, перерезают обе ветви ДНК, образуя множественные повреждения в раковых клетках. При этом доза облучения требуется меньше, чем, к примеру, при лечении гамма-квантами.
Атом углерода заряжен нейтрально, и, чтобы его ускорить, надо буквально отодрать вращающиеся вокруг ядра пять или шесть электронов. Для этого нужно нагреть лазером графит до температуры в пять миллионов градусов. Затем ионы углерода необходимо ускорить до огромных скоростей в синхротроне, соответствующих энергии 400-500 мегаэлектронвольт (МэВ) на нуклон и в нужный момент направить по каналу вывода в камеру, где находится пациент.
Ускоритель на службе медиков
Первый медицинский центр для лечения пучками разных ионов, в том числе углерода, построили в 1994 году в пригороде Токио — Чибо. В 1997-м ионами углерода начали лечить онкологических больных на ускорителе GSI в Дармштадте (Германия). Теперь в мире работают 11 центров ионной лучевой терапии. Последний — MedAustron открыли в 2017 году в Австрии.
В России пучок ионов углерода для медицинских целей получали в ОИЯИ и ИТЭФ, но до массовой технологии дело не дошло. Проект центра ионной терапии разработали в ИЯФ СО РАН в Новосибирске, однако получить средства на него не смогли. Ближе всех к цели подошли физики из подмосковного наукограда Протвино. Используя имеющиеся ускорители, они смогли получить пучок частиц нужных параметров. Вместе с медиками из Медицинского радиологического научного центра в Обнинске ученые ИФВЭ проводят эксперименты по облучению опухолей у мышей. Сейчас завершают проектирование настраиваемой установки, где будет лежать пациент. При надлежащем финансировании уже в скором времени под Москвой может появиться первый медицинский центр ионной лучевой терапии. Об этом рассказал Юрий Антипов, кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории ионной лучевой терапии ИФВЭ, выступая на открытом семинаре в Протвино 6 декабря. В конце ноября этого года Антипов с коллегами удостоились учрежденной НИЦ "Курчатовский институт" премии имени И. В. Курчатова за разработку технологии получения пучка ионов углерода для радиобиологических и медицинских целей.
