10 марта 2017

"Ядерные тёрки" в ДВФУ: все об опасности и необходимости ядерной медицины

ИА PrimaMedia и Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ) в рамках совместного проекта "Открытые знания" предлагают вашему вниманию текстовые и видеоматериалы лектория "Ядерная медицина", организованного клубом "Ядерные тёрки". Встреча состоялась 28 февраля в кампусе ДВФУ (остров Русский, Владивосток).

Первым выступил доктор химических наук, главный научный сотрудник института химии ДВО РАН и директор департамента ядерных технологий Школы естественных наук ДВФУИван Тананаев.

"С помощью ядерной медицины, например, ПЭТ-диагностики, мы можем выявить все, что нам потребуется в костях, почках, головном мозге, в легких и печени – по всему организму. Мы определим не только наличие чего-то негативного в этом органе, но еще определим и диффузию, и потребление кислорода с глюкозой. То есть, все особо важные функции метаболизма исследуемого органа... В природе существует два известных метода ядерной диагностики: однопротонная эмиссионная компьютерная томография и позитронно-эмиссионная томография. Это не конкурирующие методы, а дополняющие друг друга процедуры. Они основаны на использовании атомного ядра, радиоактивности. В зависимости от того, какой метод будет использован, применяется ценный медицинский радионуклид", — рассказывает аудитории Иван Тананаев.

Иван Тананаев

Он объяснил аудитории, что этот радионуклид вливается через вену и локализуется в органе, концентрируясь на болевых точках организма в независимости от того, в каком месте они находятся.

"Очень важно то, что сам радионуклид не может ни лечить, ни диагностировать. Однако, когда он помещается в состав радий-фармпрепарата, это уже самое настоящее лекарство или настоящий прибор или рычаг для определения состояния человека для медика. В обоих случаях используются радионуклиды различного типа. Для однопротонной эмиссионной томографии 99% составляют инъекции технеция-99 мягкого излучения, он как радионуклид локализуется в органах человека, прежде всего в тех, которые связаны с опухолевым процессом. Для позитронно-эмиссионной томографии используются другие, легкие радионуклиды, которые распадаются со специфическим типом излучения", — отмечает доктор химических наук.

Иван Тананаев так же добавил, что в обоих случаях, став предметом диагностики, человек становится и носителем радиоактивности. А все приборы, которые он увидит на процедурах – это всего-навсего счетчики.

"Суть этой диагностики, просто определение радиоактивности, находящейся в теле организма. Однако, сам человек не страдает от этой радиоактивности, потому что используются излучатели мягкой активности. И все используемые радионуклиды, имеют короткие периоды распада. Это минуты, а в некоторых случаях и дни. Это значит, что через 10 периодов распада радионуклид практически распадается, и человек уже не становится носителем радиоактивности... Это дорогой метод, но он не существенно превышает стоимость МРТ. Это для человека доступно", — говорит Иван Тананаев.

Далее директор департамента ядерных технологий ШЕН ФДВУ завел речь о методах. Он рассказал, что сердцем ядерного центра является циклотрон — физическое устройство, нарабатывающее те самые ценные радионуклиды, которые применяются для ядерной медицины.

"Все это делается крайне быстро. Поскольку период распада радионуклидов составляет несколько минут, следовательно, сама процедура тоже должна осуществляться за короткое время, иначе вся радиоактивность будет потеряна не в организме человека, а в пробирке. Необходимость же такой высокой активности радионуклидов обусловлена тем, что чем выше радиоактивность, тем лучше их визуализация... Все радиофармпрепараты получают здесь. Их не покупают в магазинах, не привозят из-за границы, их производят на месте", — отмечает Тананаев.

Слово взяла студентка 6 курса лечебного факультета ТМГУ, староста студенческого научного общества онкологии и лучевой терапии Ольга Плотникова, она посвятила свой доклад применению метода лучевой терапии.

"Что же такое опухоль или злокачественное новообразование? Это патологический процесс, который характеризуется изменением генетического аппарата в клетке, что приводит к нарушению регуляции клеток, их делению и дифференцировке, то есть различию в строении, — начала выступление Ольга Плотникова. — Все опухоли делятся на злокачественные и доброкачественные. Доброкачественные опухоли отличаются экспансивным ростом, то есть они раздвигают ткани и растут медленно, сдавливают окружающие органы и ткани. Клетки доброкачественной опухоли, как правило, незначительно отличаются от клеток нормальной ткани".

Студентка подчеркнула очень важный момент, доброкачественная опухоль не метастазирует и не рецидивирует, за исключением редких случаев. Для неё характерно местное проявление. Они не оказывают системного влияния на весь организм. Злокачественные опухоли отличаются тем, что для них характерен рост и способность прорастать в близлежащие органы, сосуды, нервы, ткани.

"Здесь представлена меланома (показывает слайд — ред. ). Это агрессивная злокачественная опухоль кожи. Клетки злокачественных опухолей отличаются гистологическим строением от нормальных клеток. Всем известно, что злокачественные опухоли метастазируют. Метастазы – дочерние клетки от первичного очага опухоли. Распространяются они, как правило, через кровь, либо через лимфатические пути. Также для злокачественной опухоли характерно рецидивирование. И они крайне негативно влияют на организм человека в целом. Развиваются первые симптомы: слабость, похудание — они появляются вследствие поглощения онкологической опухолью питательных веществ, необходимых для ее роста; а также развитие паранеопластического синдрома. Это не специфические реакции со стороны различных органов", — говорит Ольга Плотникова.

Также она рассказала о том, как важно в ходе обследования отличить злокачественную опухоль от доброкачественной.

"В рамках диагностики применяется опрос, сбор наследственного и семейного анамнеза, физикальный и лабораторный методы исследования, а также всевозможные визуализации: УЗИ, рентгенография, маммография, КТ, МРТ, — сообщает аудитории Ольга. — Основным методом диагностики является гистологическое исследование, поскольку именно оно позволяет рассмотреть клеточный состав опухоли и понять, доброкачественная она или злокачественная. Также могут применяться дополнительные биологические пробы, иммуногистологическое исследование и медикопрофилактическое генетическое консультирование".

Студентка лечебного отделения ТМГУ рассказала аудитории о том, что сейчас в онкологической практике применяются хирургия, химиотерапия, гормональная терапия, иммунотерапия и лучевая терапия — в зависимости от типа опухоли. А так же о том, что из себя представляет лучевая терапия.

"Это метод лечения злокачественных и доброкачественных образований с помощью ионизирующего излучения. Это один из наиболее безопасных для общества методов использования ядерных технологий, к тому же, несущая значительную пользу. Лучевая терапия злокачественных и не опухолевых заболеваний имеет принципиальное отличие как в уровнях дозы излучения, которая подводится к очагу, так и в механизмах воздействия и получаемых эффектах. Отсюда и цели. Цель облучения онкобольных – это уничтожение опухолевых клеток с помощью прямого и косвенного воздействия ионизирующего излучения. Цель облучения не опухолевых образований – улучшение трофических процессов в патологическом очаге, что приводит к ликвидации воспаления, стимуляции вялотекущей эпителизации и улучшению нервномышечной проводимости", — рассказывает Ольга Плотникова.

В своем выступлении студентка напомнила аудитории о важных исторических событиях в этом направлении, а именно об открытии Вильгельмом Рентгеном Х-лучей в 1895 году, открытии в 1896 году Антуаном Беккерелем явления естественной радиоактивности, о находке Марии Складовской и Пьера Кюри в 1898 году радиоактивных свойств полония и радия, о дате первой попытки лечения рака шейки матки радием (1908 год). Далее пошла речь о принципе действия метода лучевой терапии.

"При облучении тканей энергия поглощается и взаимодействует с веществом, — продолжает свое выступление докладчица. — Остановлюсь на основных моментах. У облученной ткани происходят физические процессы – ионизация и возбуждение молекул и атомов. Они приводят к химическому изменению облученных молекул, что порождает прямое и непрямое действие. Прямое действие – изменение в проникающих молекулах клеток в результате ионизации или возбуждения. При этом повреждаются нити ДНК, происходят разрывы, и клетка уничтожается, потому что больше существовать не может. Непрямое поражение структур клетки осуществляется продуктами радиолиза воды, возникшего под влиянием облучения. Также большое значение имеет "эффект свидетеля": это поражение клеток, наступающее после облучения других клеток, но находящихся в пределах одной ткани. Наиболее известная реакция клеток на облучение – задержка клеточного роста. При экспериментах в культуре клеток задержка деления составляла один час при облучении в дозе 1г. Чем больше мы даем дозу излучения, тем медленнее они делятся".

Кроме того, в выступлении Ольги Плотниковой прозвучала справочная информация о том, что из себя представляет так называемая "предлучевая подготовка" больных, как классифицируются методы лучевой терапии в ядерной медицине и какими недостатками они обладают.

"Предлучевая подготовка больных, – объясняет аудитории Ольга, — это комплекс мероприятий, предшествующих проведению лучевой терапии. Она включает в себя: получение анатомо-топографических данных опухоли и близлежащих органов; разметку на поверхности тела для облучения; введение анатомо-топографического излучения в планирующую систему и моделирование процесса радиотерапии; подсчет условий плана лечения. Методы лучевой терапии делятся на наружные и внутренние. Наружные – это методы, у которых источник облучения находится вне организма. К ним относятся методы дистанционной терапии. Она может приводиться в статическом либо в подвижном режиме. Есть дистанционная глубокая терапия, терапия офтальмозного излучением высокой энергии, терапия быстрыми электронами, протонная терапия, аппликационные методы излучения и близкофокусная рентген-терапия. Внутренние методы – это методы, при которых источник облучения вводится либо в ткань, либо в полость какого-либо органа. Это внутриполосное облучение, внутритканевое и системная радионуклидовая терапия. Также возможно применение комбинированных методов лечения".

Но это не единственная классификация. По видам лучевое лечение делят на радикальное, паллиативное и симптоматическое. Об этом так же в докладе студентки ТМГУ.

"Радикальная лучевая терапия проводится с целью непосредственного излечения больного. Подводится максимально возможная доза ионизирующего излучения, которая позволит уничтожить опухоль. Паллиативная лучевая терапия проводится с целью продления жизни больного путем уменьшения объема опухоли и уменьшения количества имеющихся метастаз. Симптоматическая позволяет скорее улучшить качество жизни больного с целью снятия тягостных симптомов. То есть тоже уменьшает объем опухоли, но на продление жизни это существенно не влияет. По распределению доза облучения может быть однократной, фракционированной и непрерывной. Как правило, применяется фракционированное распределение, по скльку для восстановления нормальной клетки нужно время, и для уничтожения опухолевой клетки оно тоже необходимо", — сообщает Ольга Плотникова.

Под занавес своего доклада, студентка рассказала аудитории об опасностях лучевой терапии.

"Но не все в мире совершенно, — резюмирует Ольга. — Существуют лучевые повреждения. Отмечаются общие и местные изменения, ранние и отдаленные последствия. Ранние последствия – это те симптомы, которые проявляются в течение 100 дней по окончанию лечения. Основные факторы, которые провоцируют лучевые повреждения – это величина и мощность полученной дозы, режим фракционирования и объем облучаемых тканей. Также немаловажное значение имеет исходное состояние организма, то есть наличие хронических, сопутствующих заболеваний. Их профилактикой является рациональный выбор энергии излучения, лечение хронических заболеваний пациента, насыщение ферментами, витаминами и антиоксидантами. Доказано защитное действие рационального использования радиомодификаторов. Но о том, что это такое и как применяется, расскажет следующий докладчик".

Слово перешло Ксении Лукьяненко, аспирантке первого курса по направлению "Физика и астрономия", кафедра теоретической и ядерной физики ШЕН ДВФУ, специализация "Физика конверсированного состояния и конверсированного вещества".

"Нет предела совершенству, — с такой преамбулы начинает свое выступление Ксения. — В лучевой терапии есть несколько недостатков. Многие стараются ее улучшить разными способами. Одной из задач является убить раковую клетку, при этом не повреждая здоровую. Как было показано, облучение проходит так, чтобы максимальная доза была сконцентрирована на опухолевых клетках. Тем не менее, облучение проходит через здоровые клетки, которые также претерпевают изменения, поскольку гамма-излучение взаимодействует с веществом. Основными типами взаимодействия в лучевой терапии и лучевой диагностике являются фотоэффект, комптон-эффект и образование электрон-позитронных пар".

Далее докладчица остановилась на каждом типе взаимодействия. Аудитории стало известно, что фотоэффект – это такой тип взаимодействия, при котором падающий фотон обладает энергией от 30 до 100 кэВ (килоэлектрон-вольт).

"Это маленькая энергия, — отмечает Ксения. — Вообще в лучевой терапии используется излучение энергией выше 1 мэВ (мегаэлектронвольт). Так вот падающий фотон с энергией от 30 од 100 кэВ, взаимодействует с электроном в основном на внутренней оболочке атома. Если энергия фотона падающего больше энергии связей электрона, то он выбивает этот электрон из атома: передает ему свою энергию и исчезает. Таким образом, из атома вылетает электрон. Фотоэффект в основном используется в диагностической радиологии. Комптон-эффект использует гамма-квант с энергией более 200 кэВ. Он какую-то часть энергии передает электронам, в основном на внешней оболочке. При этом он может выбить какой-то электрон, а сам изменяет свое направление и летит дальше. Таким образом, в отличие от фотоэффекта первичный квант может взаимодействовать с несколькими атомами. Он не исчезает, не передает первому электрону полностью всю свою энергию. В основном такой вид взаимодействия используется в терапевтической радиологии".

Последний метод, о котором рассказала Ксения, это образование электрон-позитронных пар, которое происходит в результате взаимодействия гамма-кванта, несущего энергию больше 1 МэВ.

"Это важное условие — образование электрон-позитронных пар возникает только при энергии падающего фотона больше 1 МэВ, — подчеркивает докладчица. — Позитрон ничем не отличается от электрона кроме как зарядом. В результате дальнейшего взаимодействия с тканью у нас образуется уже два гамма-кванта. При первичном фотоне с энергией больше 1 МэВ у нас образуется низкоэнергетичное излучение, оно наносит наибольшее повреждающее действие именно на раковые опухоли, при этом не наносит здоровым клеткам ущерба. Это происходит непосредственно внутри организма, в месте локализации опухоли".

Далее, Ксения Лукьяненко обозначила актуальность научного исследования, которым она на данный момент занимается – это ограничение эффективности лучевой терапии радиочувствительностью тканей опухоли. Она объяснила аудитории, что опухоль обладает так называемой радиорезистентностью — это устойчивость физиологических объектов к ионизирующему излучению, и для того что бы предотвратить метастазы, зачастую при облучении приходиться затрагивать и здоровые клетки.

"Цель нашего исследования, — сообщает аудитории аспирантка, – повышение эффективности лучевой терапии методом блокальной радиомодификации. То есть мы планируем создать такой препарат, который можно было бы поместить в опухоль, и в результате взаимодействия гамма-излучения с веществом подать наибольшую дозу непосредственно внутрь опухоли, не нанося при этом вред здоровым тканям. Препарат еще должен оставаться в тканях достаточно длительное время, то есть на период лечения и должен быть визуализируем. То есть быть меткой, которая ограничивает место опухоли. Также он должен быть нетоксичным. Это первое требование. Еще было бы интересно, чтобы он состоял из магнитных веществ. Тогда решается вопрос визуализации как на МРТ, так и на КТ. Поскольку это магнетик, им можно управлять магнитным полем: удержать его, направить в определенную область, или нагреть. Такой метод используются в гипертермии: частицы нагревают до определенной температуры, которые в свою очередь нагревают раковую клетку, и она погибает в результате нагрева. Нам удалось синтезировать такие частицы".

Последний доклад на лектории прозвучал от Ольги Тараковой, магистрантки первого курса ШЕН ДВФУ, кафедры физической и аналитической химии, сотрудницы лаборатории физико-химических исследований ФГБУЗ "Центра гигиены и эпидемиологии в Приморском крае".

"Наночастица по размеру в тысячу раз меньше, чем раковая клетка. Я расскажу о частицах, которые уже проходят клинические исследования, — начала выступление Ольга Таракова. — Наночастицы золота в онкологической практике применяются сравнительно недавно, и являются идеальным средством доставки тепла в опухоль, так как стабильны и могут быть модифицированы различными молекулами, что позволяет их использовать в качестве доставщика. Но в отличие от традиционных противораковых элементов наночастицы золота могут быть безопасны до тех пор, пока на них не подействует источник активации, например, лазерное излучение".

По словам Ольги, такие наночастицы уже проходят клинические испытания на людях для лечения опухолей в области головы и шеи. Считается, что эти формы рака поверхностны, что позволяет лазерному излучению достигать своей цели.

"Если сравнивать, например, с радиоволнами, то они имеют огромное преимущество, поскольку проникают глубже и не взаимодействуют с живыми тканями, не раковыми, — говорит студентка. — Использование наночастиц золота может также давать некоторое увеличение радиочувствительности. Если проводить эксперимент с рентгеновским излучением в пределах 70-160 кэВ, то частицы золота испускают такие фотоэлектроны, которые имеют малую длину свободного пробега, это позволяет им очень быстро передавать свободную энергию в окружающие ткани, что приводит к местному выселению разрушающего действия и уменьшению выживаемости раковых клеток. Так как данная наночастица сама по себе небольшого размера, она имеет высокий атомный номер, и может связываться с другими веществами. Это позволяет использовать её в качестве контраста в реагентах".

Но несмотря на все эти положительные стороны, Таракова отметила, что наночастицы могли бы использоваться активнее, а проблема в том, что их абсолютная безопасность не доказана.

"Нельзя исключить, что они обладают мутогенным или геннотоксическим действием. Первое предположение о том, что наночастицы золота малого размера нарушают генетическую структуру и даже образование мужских половых клеток, было сделано учеными из Таиланда, но вопрос о том, носит ли это свойство универсальный характер, еще не решен. Неплохой альтернативой наночастиц золота являются висмутовые наночастицы. Здесь перспектива проглядывается не только из-за высокой стоимости золотых наночастиц, но так же в том, что висмутовые лучше фиксируют излучение" — говорит Ольга.

Однако, и тут, по словам магистрантки, были обнаружены свои недостатки. В ходе исследования наночастиц висмута было обнаружено, что они довольно токсичны и имеют свойство накапливаться в печени, почках и даже в костях.

"Одно из наиболее интересных исследований было проведено с наночастицами диоксида титана. В повседневной жизни они встречаются повсюду: в солнцезащитных, косметических средствах, в выпечке и даже в жевательной резинке. В университете Калифорнии было проведено исследование, в течение нескольких дней лабораторные мыши получали вместе с питьевой водой такие наночастицы. Изменения генетического аппарата у них проявились уже на пятые сутки. Если сравнивать с массой человеческого тела, то такие же изменения у человека при добавлении частиц в питьевую воду произойдут примерно через полтора года. Было установлено, что наночастицы диоксида титана вызывают разрыв одноцепочечной ДНК, повреждают хромосомы, то есть наносят повреждения генетическому аппарату в целом, и приводят к возникновению и развитию воспаления. Попадая в организм, эти наночастицы накапливаются, все из-за того, что нанотоксины титана не имеют рецепторов в организме, которые позволяли бы их из него выводить", — делится с аудиторией Ольга Таракова.

В заключение своего выступления, студентка рассказала о своем исследовании в изучении наночастиц и его предпосылках.

"В итоге мы пришли в исследовании к тому, что оболочка нашей частицы будет из тантала. В связи с чем это случилось? Подобное исследование было проведено в медицинской академии на Урале. Суть исследования заключалось в том, что лабораторным мышам вводили такое соединение, как ортотанталат и воздействовали на него гамма-излучением. Частицы при месячном воздействии оказались не токсичны в организме животных и выводились без всякого дискомфорта. Они не влияли на органы и даже на массу тела. Частицы тантала обладают выраженной способностью поглощать рентгеновские лучи. И в сравнении с йод содержащими наночастицами не вызывают побочные эффекты. В связи с этим мы поставили целью нашего исследования — синтез наночастиц на основе железа и тантала. При введении в ткани после обработки магнитным полем, они создают устойчивое медленно деградирующее депо, размеры которого можно оценить с помощью рентгенографии или МРТ. Мы использовали наночастицы типа core-shell — частицы имеющие ядро и оболочку" — говорит Ольга Таракова.

Она рассказала, что это одни из самых используемых частиц, которые в медицинских целях получили свое применение как доставщики лекарственных средств.

"Если наночастицы такого типа покрыть флуоресцентным материалом — объясняет аудитории студентка, — то можно прослеживать движение этой наночастицы в организме вместе с лекарственным средством. Так мы будем знать, как доставляется лекарство и куда. Выделяют активную и пассивную доставку. Активная доставка – когда направлено в одно место направляется частица в одно место и там задерживается. А пассивная – это примерно то же самое, но за счет физико-химических и фармакологических факторов частица задерживается около нужного места. Здесь наибольшее применение получили наночастицы с ядрами из железа, никеля или кобальта, с оболочкой суперпарамагнитных окисей железа. Также наночастицы типа core-shell используются в качестве маркирующих веществ, как датчики для обнаружения поврежденных тканей, что позволят изучать ДНК, РНК, холестерин или глюкозу. В любом применении core-shell частицы покрывают флуоресцентными оболочками и следят за тем, как они доставляют необходимые средства".

Подытожил выступления студентов заключительной речью Иван Тананаев.

"Это очень здорово. И говорит о том, что тот, кто хочет заниматься научной деятельностью, тот может, — резюмирует Тананаев. — Я вам уже говорил, что ядерная медицина – та самая область, которая интересна всем. Она открывает дорогу для научных исследований всем, кто хочет этим заниматься. Это конвергенция наук. Если одно звено в цепочке выбивается, то мы не получаем требуемый результат. Мы не можем в ядерной медицине работать без физиков, без химиков, без IT-шников. Что значит визуализация, КТ? Кто эти рисунки получает? Специалист, владеющий математическим аппаратом".

Но самая главная новость вечера была оставлена "на десерт". Со слов директора департамена ядерных технологий ШЕН ДВФУ стало известно, что на Русском острове будет построен центр ядерной медицины.

"Вчера мне дали протокол совещания, в котором наш ректор принимал участие в Москве при встрече с Трутневым и другими. Было руководство "Росатома", "Роснано" и так далее. И совершенно четко и однозначно прозвучала информация о том, что центр ядерной медицины у нас на острове усском будет. 6 марта мы должны получить землю. Приложена дорожная карта... Он будет запущен в 2020 году. Практически 3 года. Наш ректор хочет, чтобы у нас была устроена ПЭТ-терапия", — сообщает аудитории Иван Тананаев.

Сердцем этого объекта, по словам Тананаева, будет ускоритель, он сможет извлекать ценные медицинские радионуклиды, которые за рубежом пока не удается внедрить.

"Это важно и интересно. При облучении всего лишь в течении недели мы можем получить почти 5 тысяч терапевтических доз только для актиция-225 или радия-223. За границей 6 уколов радия-223 стоят 69 тысяч долларов, это пять уколов за 70 тысяч долларов. А таких курсов для облучения бывает четыре или пять. Это абсолютно недоступно для нас. И это все нужно делать в нашей стране", — заключил Иван Тананаев.