Жизнь на кончике луча

Как ионизирующее излучение применяется в современной медицине

Ядерно-физические технологии применяются в неврологии, кардиологии, онкологии, эндокринологии, пульмонологии, ревматологии и других областях медицины, позволяя исследовать и лечить практически все системы органов. В основе разных методов — ионизирующее излучение, источником которого могут быть радиоизотопы или ускорители частиц. Ионизирующее излучение позволяет не только определять характеристики поражения органа или ткани, но и дает возможность уничтожить проблему разными способами (радиотерапию принято делить на радионуклидную, дистанционную и контактную). Действовать излучение может напрямую — разрушая клетки, разрывая связи между атомами или молекулами за счет большой энергии излучения. Или косвенно — через биохимические процессы: ионизация, создаваемая жестким излучением, приводит к образованию свободных радикалов, а те нарушают целостность клеток и молекул ДНК, из-за чего клетки перестают делиться. Рассказываем про самые популярные ядерные и лучевые технологии для диагностики и терапии различных заболеваний.

I. Диагностика

Сцинтиграфия

Это метод визуализации, при котором пациенту вводят радиофармпрепарат (РФП), состоящий из молекулы-вектора и радиоактивного маркера — изотопа. Особенность вектора в том, что он специфически связывается с определенным органом или тканью и накапливается в них. Изотоп при этом служит своего рода «передатчиком» и испускает гамма-лучи, которые регистрирует гамма-камера. Дозировку препарата подбирают так, чтобы испускаемое им излучение легко улавливалось, но при этом не вредило организму.

Сцинтиграфия — один из самых первых методов ядерной диагностики, который тем не менее до сих пор активно применяется в клиниках по всему миру. Врачи прибегают к нему для диагностики болезней сердца, выявляя ишемию миокарда и рубцовые изменения, а также исследуя сократительную способность. Каждый год в Европе и США проводится более 10 миллионов процедур сцинтиграфии миокарда. Обращаются к сцинтиграфии и при исследовании кровоснабжения головного мозга для диагностики болезни Альцгеймера, некоторых форм деменции и инфекционных заболеваний. Благодаря специальным маркерам можно оценить распределение рецепторов некоторых нейромедиаторов в ткани мозга, например дофамина, — это важно при диагностике болезни Паркинсона. Другие сферы применения сцинтиграфии: диагностика метастазов и первичных опухолей костной ткани, переломов, воспаления и инфекций, выявление заболеваний щитовидной и паращитовидной желез, печени, оценка функции почек и их кровоснабжения.

ОФЭКТ

У сцинтиграфии есть очевидный недостаток — метод позволяет получать только плоские двумерные изображения. А зачастую врачам необходимо иметь изображение в трех плоскостях, чтобы на снимке структуры не накладывались друг на друга и была возможность исследовать отдельные участки тканей или органов. Для этого были разработаны томографические методы, прежде всего ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компьютерная томография). Она позволяет строить объемное трехмерное изображение благодаря двум гамма-камерам: одна располагается под пациентом, вторая — над ним.

Пациенту, как и при сцинтиграфии, вводят радиофармпрепарат, который испускает гамма-кванты. Гамма-камеры вращаются вокруг человека и делают снимки в десятках проекций под разными углами. Изображения, полученные за полный цикл перемещения детекторной системы, обрабатываются компьютером, и по специальным алгоритмам производится реконструкция тех или иных срезов тела пациента.

При проведении ОФЭКТ‑диагностики применяются радиофармпрепараты на основе гамма-­излучающих изотопов: технеция-99m, йода-123, галлия-67, индия-111 и других. Наиболее распространено использование РФП на основе технеция-99m — по некоторым оценкам, до 80% всех проводимых в мире процедур радионуклидной диагностики выполняется с использованием этого изотопа. ОФЭКТ применяется в кардиологии, неврологии, урологии, пульмонологии, для диагностики опухолей головного мозга и молочной железы, заболеваний печени и т.д.

ПЭТ

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — еще один способ визуализации, позволяющий, как и ОФЭКТ, получать трехмерные изображения. Отличие — в радиофармпрепарате. Для ПЭТ используются не гамма-, а позитронно-активные радионуклиды: введенный в организм изотоп испускает античастицу электрона — позитрон, который встречается с электроном в теле человека. Частицы взаимно уничтожаются (аннигилируют), испуская при этом два гамма-кванта, летящих в разные стороны вдоль одной прямой. То есть из организма в обоих случаях вылетают гамма-кванты, просто при ОФЭКТ — один, а при ПЭТ — два. Гамма-кванты так же, как при ОФЭКТ или сцинтиграфии, регистрируются гамма-камерой.

Для проведения ПЭТ‑диагностики используются легкие изотопы, испускающие позитрон: фтор-18, кислород-15, углерод-11, галлий-68 и другие. Один из самых распространенных в клинической практике — радиофармпрепарат на основе дезоксиглюкозы, биологического аналога глюкозы, меченной фтором-18. Препарат, введенный пациенту внутривенно, циркулирует в кровяном русле и достигает, например, тканей головного мозга или сердечной мышцы. Клетки опухоли гораздо интенсивнее остальных потребляют глюкозу, что позволяет с помощью ПЭТ‑сканера определить участки скопления опухолевых клеток. Однако применяемые в ПЭТ-диагностике изотопы невозможно доставлять на большие расстояния — у них очень короткий период полураспада: от 2 до 20 минут. Поэтому ускоритель, который их нарабатывает, должен размещаться близко к ПЭТ-сканеру, то есть на территории самой клиники. В современных ПЭТ-центрах помимо самого сканера есть и циклотронно-радиохимический комплекс для производства позитрон-излучающих радионуклидов и синтеза РФП. А отделения ПЭТ в клиниках, где нет своего циклотрона, получают РФП из таких центров поблизости.

В начале 2000-х годов в клиническую практику стали внедряться гибридные системы, объединяющие в одном исследовании технологии визуализации физиологических, биологических и биохимических процессов (ОФЭКТ и ПЭТ) с методами анатомической визуализации (КТ и МРТ). Дело в том, что для точной постановки диагноза и последующего лечения нужно полученное с помощью ПЭТ или ОФЭКТ изображение с распределением радиофармпрепаратов связать с определенными морфологическими структурами организма — тканями и органами.

Поэтому пациент сначала проходит через КТ или МРТ, там строится изображение его морфологических структур, а затем – через ПЭТ или ОФЭКТ, где фиксируется распределение РФП. Потом изображения совмещаются.

Диагностика in vitro

Этот способ диагностики позволяет проводить исследования вне человеческого тела, в пробирке — у пациента берут образцы тканей или кровь и помещают их в пробирку с радиоактивными изотопами, специфически «меченными» биологическими молекулами. Молекулы связываются с рецепторами или антигенами, а изотопы их «подсвечивают». Таким образом можно определить количество гормонов, ферментов, белков и т.д. без облучения больного. Например, с помощью йода-125 врачам удается очень точно узнать концентрацию антител. Этот метод был разработан в 1950-х годах американскими учеными Соломоном Берсоном и Розалин Сасмен Ялоу, которые изучали клиренс инсулина у больных диабетом. Ялоу получила за это Нобелевскую премию в 1977 году.

II. Терапия

Радионуклидная терапия

Метод предполагает внутривенное или пероральное введение в организм пациента терапевтических радиофармпрепаратов, которые избирательно накапливаются в патологических тканях. Для лечения используют РФП, образующие сильную связь с рецепторами опухоли или антигенами. Таким образом препарат прицельно транспортируется к патологической ткани и уничтожает ее, не затрагивая при этом здоровую. Ионизирующее излучение, которое испускает радиоизотоп, убивает клетки, повреждая их ДНК. При терапии используются радиофармпрепараты, предназначенные для конкретных видов ткани, например щитовидной железы или метастазов в костях. Чаще всего в радионуклидной терапии применяют радий-223, самарий-153, стронций-89, йод-131. Относительно недавно стали появляться препараты на основе лютеция-177.

Кстати, применяют радионуклидную терапию не только для лечения рака. Метод полезен и при других заболеваниях, например воспалении суставов, когда внутренняя ткань синовиальной сумки разрастается и начинает давить на рецепторы в суставе, вызывая невыносимую боль. Вылечить такое заболевание очень сложно, так как оно поддерживает само себя: чем больше ткань давит на рецепторы, тем активнее организм наращивает новую ткань. На помощь приходит метод радиосиновэктомии — введение радиоизотопа, который уничтожает воспаленную ткань.

Контактная терапия (брахитерапия)

При этом виде лечения радионуклиды могут размещаться в аппликаторе (герметичной оболочке, которая прикладывается снаружи к поверхности кожи) либо излучение может подводиться через внутренние органы, имеющие полостное строение. А можно использовать еще один метод  — внутритканевый. При нем катетеры — полые иголочки с капсулированными изотопами внутри — на некоторое время вводят внутрь ткани, а после доставки необходимой дозы удаляют. Основные источники излучения — радий-226, иридий-192, йод-125, цезий-137, кобальт-60. Преимущество контактной терапии в том, что можно подвести максимальную дозу непосредственно к очагу опухоли, минимально воздействуя на важные органы и соседние ткани. Брахитерапию часто применяют при лечении опухолей шейки матки, предстательной железы, пищевода, прямой кишки и др. Существует также метод внутрисосудистой брахитерапии для лечения рестеноза коронарных сосудов — источник излучения на некоторое время интегрируется в просвет сосуда.

Брахитерапию часто применяют при злокачественных и доброкачественных новообразованиях глаз. При этом слой радиоактивного вещества наносят на специальную пластину — офтальмоаппликатор, который фиксируют на внутренней поверхности глазного яблока. Гамма-кванты и высокоэнергетические электроны, вылетающие из аппликатора, проникают в опухоль и уничтожают пораженные клетки. Единственный производитель таких аппликаторов в России — ФЭИ им. А. И. Лейпунского.

Нейтронзахватная терапия

Суть метода в том, что в организм пациента вводят изотоп бор‑10, он в большом количестве накапливается в опухоли, которую затем облучают потоком нейтронов. Бор-10 повышает чувствительность ткани к тепловому излучению из-за большого сечения захвата тепловых нейтронов. После облучения происходит ядерная реакция: бор-10 взаимодействует с нейтронами, при этом выделяется большая энергия, возникает альфа-распад, из бора образуется альфа-частица и литий. Частицы вылетают с большой энергией и «взрывают» клетки. Вся остальная ткань никак не взаимодействует с тепловыми нейтронами и остается невредимой.

Раньше для нейтронзахватной терапии использовали только поля, сгенерированные в реакторе: быстрые нейтроны из реактора замедляли и доводили до тепловых энергий. Затем в это поле тепловых нейтронов помещали пациента, которому был введен специальный РФП с бором-10. Сейчас появились более удобные установки. Например, ученые ИЯФ им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН в сотрудничестве с американской TAE Life Sciences разработали для этих целей специальный ускоритель с вакуумной изоляцией электродов и литиевой нейтроногенерирующей мишенью: при взаимодействии протонов с ядрами лития выделяются тепловые нейтроны нужных энергий.

Дистанционная лучевая терапия

Как правило, дистанционная лучевая терапия проводится при помощи кобальтовой установки, генерирующей гамма-излучение, или линейного ускорителя, который может производить рентгеновское излучение или электроны высокой энергии. Ускорители разгоняют электроны, те попадают на мишень, и в результате торможения возникают гамма-кванты. Их фокусируют в пучок с помощью коллиматора и облучают новообразования.

Чтобы подвести дозу к мишени равномерно, источник излучения помещают на некотором расстоянии от пациента (80–150 см). Находящаяся на траектории пучка здоровая ткань, включая кожу, может также подвергнуться воздействию облучения. Чтобы его уменьшить, для более глубоко лежащих опухолей используют пучки более высокой энергии, и излучение направляется под несколькими углами, что максимизирует дозу на месте перекрещивания пучков.

Самые популярные сейчас разновидности метода: трехмерная конформная лучевая терапия и модулированная по интенсивности лучевая терапия. При этих видах облучения используется КТ-изображение облучаемой части тела, по нему строят математическую модель объемного распределения дозы облучения. При трехмерной конформной лучевой терапии облучение производится с использованием полей сложной формы. Эти поля формируются при помощи многолепесткового коллиматора. Благодаря использованию полей облучения, форма которых максимально соответствует форме облучаемого объема, удается избежать переоблучения здоровых органов и тканей.

Гамма-нож

Еще одна разновидность дистанционной лучевой терапии — гамма-нож. Это установка для хирургии головного мозга, использующая ионизирующее излучение примерно 200 источников кобальта-60. При лечении на голову пациента крепится стереотаксическая рама, которая гарантирует точность подведения дозы излучения к опухоли, а также препятствует движению головы во время процедур. Расположенные вокруг головы пациента радиоизотопы излучают небольшую дозу гамма-квантов. По отдельности эти лучи не вредят тканям, но при схождении их в одной точке в месте опухоли (изоцентре) излучение из разных источников суммируется, и опухоль уничтожается. Метод подходит только для внутричерепных опухолей.

Кибернож

Усовершенствованная версия гамма-ножа, которая позволяет лечить опухоли любой локализации. В том числе те, что двигаются при дыхании или сокращении гладкой мускулатуры, например новообразования в легких или в предстательной железе. Система кибернож в реальном времени следит за перемещениями патологического очага и направляет поток излучения точно в опухоль. Управляет аппаратом компьютерная система, которая может с микроскопической точностью фокусировать пучок излучения в любой части человеческого тела и подводить необходимые дозы облучения к патологическому очагу, не повреждая окружающие здоровые ткани и жизненно важные органы. В качестве источника излучения используют ускоритель электронов.

Протонная терапия

Этот метод — одно из последних достижений дистанционной лучевой терапии. Протонная терапия гораздо эффективнее гамма-терапии из-за характера распределения дозы. Вот как это работает: в начале пробега, при торможении в биологических тканях, протоны теряют очень мало энергии, максимальный же ее выброс приходится на последние миллиметры (пик Брэгга). Таким образом можно сфокусировать пучок на опухоль, не внося неприемлемых повреждений в окружающие здоровые ткани. Все протоны заданной энергии имеют совершенно определенный пробег, поэтому можно точно вычислить место максимального выброса энергии и подводить большую дозу к тканям на глубине. У гамма-излучения же максимальная энергия выбрасывается в начале пути, поэтому облучаются в основном здоровые ткани близко к поверхности.

Технология применения пучков протонов для лечения известна давно, но раньше система могла работать только на больших ускорителях — для проведения такого лечения требуются высокие энергии протонов. Работать с пучком протонов было тяжело: невозможно было направлять пучок в нужную сторону и «вертеть» его вокруг пациента. Поэтому самому пациенту приходилось поворачиваться, чтобы облучить опухоль с разных сторон. Конечно, точности позиционирования при этом были невысокие. И лишь в последние десятилетия протонная терапия пришла в клиническую практику благодаря созданию протонных центров с относительно небольшими протонными ускорителями и системой подведения протонного пучка к пациенту.

Самый современный вариант протонной терапии, который пока испытывается только на клеточном материале и животных, — флеш-терапия. Суть метода в том, что к опухоли за доли секунды подводится очень высокая доза облучения. При таком коротком облучении нормальные клетки повреждаются в пять-шесть раз меньше, а опухоль уничтожается быстрее. В России этими разработками занимаются ОИЯИ в Дубне и ИЯИ в Троицке.