Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) завершили очередной этап модернизации ускорительного источника нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии рака (БНЗТ). Ученые разработали литиевую мишень, которую уже можно будет практически использовать для проведения сеансов терапии. Кроме того, физикам удалось справиться с электрическими пробоями, спонтанно возникающими во время работы ускорителя, которые нарушают непрерывность потока нейтронов и ускоряют износ оборудования. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-72-30005.
Бор-нейтронозахватная терапия рака – это способ избирательного поражения клеток злокачественных опухолей. Сначала в раковых клетках накапливают бор, а затем облучают опухоль нейтронами. В результате поглощения нейтрона бором происходит ядерная реакция с большим выделением энергии в клетке, содержащей бор, что приводит к ее гибели. Метод БНЗТ был успешно опробован на ядерных реакторах - эксперименты показали эффективность этого способа лечения опухолей головного мозга и других видов онкологических заболеваний, которые плохо поддаются лечению традиционными методами. Однако использование реакторов в качестве источника нейтронов возможно только в рамках единичных экспериментов, а для внедрения метода в клиническую практику необходим компактный и безопасный источник нейтронов, обеспечивающий оптимальные параметры нейтронного пучка.
Таким источником нейтронов может быть источник на основе ускорителя заряженных частиц. Получаемый в ускорителе пучок протонов или дейтронов с высокой энергией направляют на мишень, из которой генерируют нейтроны в результате взаимодействия заряженных частиц с атомными ядрами мишени.
«Для БНЗТ необходимы нейтроны с определенными энергиями – рассказывает ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий лабораторией БНЗТ НГУ, доктор физико-математических наук Сергей Таскаев. – Для их генерации используется пучок протонов с относительно низкой энергией, но с большим током, облучающий мишень из лития. Именно такой источник нейтронов мы и предложили 22 года назад. Для получения пучка протонов мы предложили использовать новый тип ускорителя заряженных частиц, который мы назвали «ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией», а для генерации нейтронов - использовать литиевую мишень».
За прошедшее время специалистам ИЯФ СО РАН удалось получить протонный пучок с относительно низкой энергией с требуемым током и сформировать пучок нейтронов, в наибольшей степени удовлетворяющий требованиям БНЗТ, что подтвердили успешные эксперименты с клеточными культурами и лабораторными животными.
В 2019 году на установке получены два важных результата, в большей степени важных уже для создания установки для клиники.
Эксперименты подтвердили возможность использования сконструированной литиевой мишени для генерации нейтронов в реальных сеансах терапии. Разработанная мишень достаточно проста и удобна в обслуживании. Это очень важно, как для персонала, поскольку убыстряет ее замену после активации под действием ускоренного пучка, из-за чего она становится источником ионизирующего излучения, так и для пациентов, поскольку уменьшается стоимость терапии.
Сергей Таскаев (крайний справа) с коллегами в пультовой установки БНЗТ Александр МакаровПосле очередной модификации ускорителя специалистам удалось справиться с электрическими пробоями в ускорителе.
«Пробои – это электрические разряды, возникающие из-за большой разницы потенциалов между электродами в ускорителе, которые инициируются вторичными частицами, возникающими при ускорении протонного пучка, – поясняет Сергей Таскаев. – Мы уже приспособились к этим пробоям, происходящим раз в несколько минут, и научились восстанавливать параметры пучка за 10 секунд. Но то, что мы смогли полностью избавиться от пробоев, очень здóрово. Мы стремились к этому результату, но не думали, что так быстро его достигнем».
Полученные результаты помогли ученым сделать работу установки более стабильной, а поток нейтронов – непрерывным. В будущем эти технические решения помогут устранить аналогичные проблемы на ускорителях, проектируемых для клиник бор-нейтронозахватной терапии, и повысят эффективность, надежность их работы, а также упростят их обслуживание.
Помимо создания компактного и безопасного источника нейтронов, развитие методики БНЗТ предполагает решение еще одной сложнейшей задачи – разработки и создания препарата адресной доставки бора в клетки опухолей. В России исследованиями в этой области занимается несколько научных групп, в том числе из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», а также Новосибирского государственного университета (НГУ).
Установка БНЗТ. Общий вид Александр Макаров«В НГУ по тематике бор-нейтронозахватной терапии работают сразу несколько лабораторий, которые были созданы в рамках программы «5-100» несколько лет назад, – рассказывает координатор проекта БНЗТ НГУ, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Владимир Блинов. – Прежде всего, сотрудники НГУ совместно со специалистами ИЯФ СО РАН работают над усовершенствованием компактного источника нейтронов. Лаборатория медико-биологических проблем БНЗТ НГУ (рук. В.В. Каныгин) проводит доклинические испытания медицинской технологии лечения рака методом бор-нейтронозахватной терапии на лабораторных животных, а также разрабатывает вектора адресной доставки бора-10 с использованием липосом. В то же время в лаборатории радиобиологии ФЕН НГУ (рук. Г.Л. Дианов) ведется разработка нового носителя бора-10 на основе борированных нуклеотидов методами комбинаторной химии».
Разработки сотрудников ИЯФ СО РАН и НГУ легли в основу проекта компактного ускорительного источника нейтронов для размещения в специальных медицинских учреждениях.
В программу развития Новосибирского научного центра «Академгородок 2.0» входит проект, посвященный бор-нейтронозахватной терапии. Его основная цель - внедрение метода в клиническую практику РФ. В рамках проекта планируется создание центра клинических испытаний метода и строительство пилотной клиники БНЗТ, в которых будут работать компактные источники нейтронов отечественного производства, и использоваться отечественные же препараты по доставке бора-10.
Для обеспечения работы центров БНЗТ и других центров ядерной медицины требуются специально подготовленные медицинские физики, которые смогут обслуживать и планировать лечение с применением специального высокотехнологичного оборудования. В РФ наблюдается серьезный дефицит медицинских физиков, поэтому на физическом факультете НГУ была подготовлена новая магистерская программа «Ядерная медицина» - обучение студентов началось в 2019 году.
С 22 по 24 октября в Технопарке состоится 1 Всероссийская конференция и школа молодых ученых по бор-нейтронозахватной терапии рака, организованная ИЯФ СО РАН и НГУ. На встречу приедут специалисты в области БНЗТ со всего мира – из Германии, Италии Финляндии, Великобритании, США, Аргентины, Японии, Южной Кореи. В рамках мероприятия пройдут обзорные лекции, а также будут представлены последние результаты по различным аспектам бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей: клиника, радиационная биология, химия и фармакология, физика и инженерия.