Проекты XXI века

Нуклотрон обещает широкие возможности
Словацкие ученые предложили расширить прикладное использование базовых установок ОИЯИ для целей ионной терапии онкологических заболеваний

В последние десятилетия происходит необычайно высокий рост прикладного использования в гуманных целях ускорителей и знаний, полученных в ходе ядерно-физических исследований. В качестве примера можно привести позитронную эмиссионную томографию (ПЭТ), где типичный ядерный процесс (аннигиляция позитрона и электрона) служит в качестве основы для весьма эффективной диагностики онкологических, сердечно-сосудистых, неврологических и других заболеваний. В высокоразвитых странах на каждый миллион населения приходится более одного ПЭТ и ожидается, что в течение пяти лет это количество возрастет еще в три раза. Уже сегодня этим методом в мире ежегодно исследуются более одного миллиона больных.

Согласно данным МАГАТЭ в Европе в 2002 году в медицинских целях использовалось около 100, а всего в мире около 250 ускорителей. В настоящее время этот процесс развивается очень высокими темпами. Только в 2000 году было установлено 30 новых ускорителей (то есть в среднем каждые 12 дней в мире появлялся новый ускоритель, используемый в медицинских целях). Разработаны узкоспециализированные ускорители протонов и дейтронов, направленные только на производство радиоизотопов и радиофармпрепаратов для медицины (например, фирма IBA, Бельгия каждый месяц продает и вводит в эксплуатацию один такой медицинский ускоритель). Использование ускорителей для производства изотопов, для in-vivo диагностики быстро расширяется, например, в области радиоизотопов для позитронной эмиссионной томографии.

Подобная ситуация (хотя пока не столь динамично) складывается и в области использования ускорителей для терапии онкологических заболеваний. Согласно предположениям экспертов из МАГАТЭ, только в США имеется шесть тысяч радиотерапевтических электронных ускорителей. Хотя электронные ускорители играют важную роль в промышленности, исследованиях и при разработке новых применений, наиболее перспективными для лучевой терапии являются ионные ускорители. Наблюдается нарастающий интерес к различным технологиям и применениям ускорителей. Например, ионные имплантаторы сегодня используются при производстве всех чипов, производимых в полупроводниковой промышленности для современных компьютеров, информационных технологий и коммуникационных систем.

Для терапевтических целей все шире используются ускорители протонов и начинается применение ускорителей ионов. В мире для протонной или ионной терапии работают около 25 ускорителей. То, что их так мало по сравнению с ускорителями электронов, вызвано значительно более высокими затратами на их изготовление и эксплуатацию. Однако значительные преимущества терапии с помощью тяжелых заряженных частиц и высокая степень эффективности лечения онкологических заболеваний этим способом заставляют сегодня многие фирмы разрабатывать новые, узкоспециализированные, одноцелевые и значительно более дешевые устройства - так же, как это было в случае производства радиофармпрепаратов.

Фирма IBA, Бельгия, в 2001 году выпустила на рынок изохронный циклотрон, ускоряющий протоны до энергии 230 МэВ и предназначенный специально для лучевой терапии. К сегодняшнему дню фирма уже продала пять протонных терапевтических комплексов. Итальянские эксперты в сотрудничестве со специалистами ЦЕРН разработали устройство LIBO (LInear BOoster), предназначенное для дополнительного ускорения пучков протонов, получаемых на коммерческих ускорителях для производства медицинских радиоизотопов. С помощью LIBO можно получить пучки протонов необходимой энергии и интенсивности, пригодных для протонной терапии онкологических заболеваний. В этом году проект получил от правительства Италии необходимое финансовое обеспечение и строительство установки (предназначенное для протонной, а позже и ионной терапии) уже началось в Катании и Сицилии. В филиале Института ядерной физики СО РАН в Протвино было разработано другое такое устройство - "Протонный терапевтический комплекс, предназначенный для радиационной терапии онкологических заболеваний". Авторы этого проекта считают, что необходимое количество протонных терапевтических комплексов для такой страны как Россия составляет от 50 до 100.

Во многих странах уже сегодня стремятся использовать для медицинских целей устройства, которые были построены в прошлом, главным образом для фундаментальных исследований. Энергии и интенсивности пучков ускоренных частиц, уже недостаточных для проведения фундаментальных исследований, как правило, с запасом хватает для медицинских целей. В качестве примера можно привести PSI, Швейцария или же ЛЯП ОИЯИ, Дубна. Сегодня в мире существует 21 протонный ускоритель, используемый для лечения онкологических заболеваний.

Однако в настоящее время во всем мире существует всего три действующих центра терапии тяжелыми ионами, на которых облучено уже 1373 пациента. Это: HIMAC, Chiba, Япония (1994) - имеется возможность получения клинических пучков ионов He, C, Ne, Si, Ar, к настоящему времени на пучках ионов 12С облучено 1187 пациентов; GSI, Дармштадт, Германия (1997) - облучено 172 пациента; Hyogo, Япония (2002) - более 30 пациентов. Планируется создание еще трех центров в Италии, Германии и Австрии. Рассматривалась возможность создания клинического пучка ионов 12С в Протвино.

Нуклотрон, работающий в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, представляет сегодня весьма ценное и уникальное устройство, которое может быть использовано и в целях терапии онкологических заболеваний пучками ионов (прежде всего ионами углерода). Диапазон величины линейной передачи энергии (ЛПЭ), который может быть получен с помощью пучков ионов углерода, ускоренных на нуклотроне ЛВЭ, простирается от десятков до сотен кэВ/микрон. Это 100-1000-кратно большая величина по сравнению с фотонными пучками. Ионы углерода с такими значениями ЛПЭ считаются оптимальными для радиационной терапии онкологических заболеваний, которая здесь более эффективна и действенна, чем с помощью каких-либо иных устройств.

Основное преимущество пучков тяжелых заряженных частиц для лучевой терапии - оптимальное пространственное дозное распределение по сравнению с гамма-излучением и электронными пучками. Пучки тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) образуют максимум в глубинном дозном распределении (пик Брэгга) вблизи конца пробега частиц. Если этот максимум совместить с облучаемой мишенью, то при этом ткани, расположенные на пути пучка перед мишенью, получат меньшую дозу, чем облучаемая мишень. Облучение тканей, расположенных за мишенью, полностью исключается. Глубина расположения пика Брэгга зависит от энергии частиц и может легко регулироваться. Наряду с этим пучки ТЗЧ обладают преимуществами, связанными с особенностями взаимодействия излучения с высокими значениями линейной передачи энергии (ЛПЭ) с биологическими тканями. При воздействии излучения с высоким значением ЛПЭ клетка погибает в результате одиночных необратимых повреждений, в то время как при воздействии излучений с низким значением ЛПЭ гибель клетки происходит в результате получения нескольких сублетальных повреждений, каждое из которых в отдельности может восстанавливаться.

Вторая особенность излучений с высокой ЛПЭ - взаимодействие с клетками, обедненными кислородом. Области с пониженным содержанием кислорода менее чувствительны к радиации с низким значением ЛПЭ. Использование излучений с высоким значением ЛПЭ благоприятно для облучения опухолей с пониженным содержанием кислорода (гипоксических), которые являются менее чувствительными (радиорезистентными) к облучению радиацией с низким значением ЛПЭ.

На нуклотроне ЛВЭ в 2001 году были получены пучки ионов углерода с интенсивностью 8/109С частиц/цикл. Энергию выведенных ионов углерода возможно изменять малыми шагами в интервале 0,2-2,2 ГэВ/нуклон. Таким образом, здесь в Дубне достигнуты весьма близкие параметры выведенного пучка ядер углерода, как и в последнем из созданных - Hyogo Medical Center, - построенном специально для медицинских целей в Японии и введенном в эксплуатацию только в прошлом году.

Медицинско-технический центр, который действует на фазотроне ЛЯП ОИЯИ в Дубне с 1967 года, в настоящее время весьма облегчает использование нуклотрона для целей ионной терапии. Сегодня он имеет долгосрочные традиции в лечении онкологических пациентов пучками заряженных частиц. В 2002 году (впервые в РФ) была применена технология протонной трехмерной конформной лучевой терапии, которая по многим параметрам соответствует уровню США.

В настоящее время в Дубне на протонном пучке фазотрона ЛЯП ОИЯИ проводится регулярное лечение пациентов. В Дубне создана инфраструктура для обеспечения лечения пациентов. В МСЧ-9 открыто радиологическое отделение на 20 коек, имеется официальное разрешение Министерства здравоохранения Российской Федерации на использование протонного пучка для лечения пациентов. К настоящему времени облучено уже более 300 пациентов, накоплен определенный опыт, разработаны методики лечения. Эта работа поддерживается некоторыми странами-участницами ОИЯИ, в 2002 году был облучен первый пациент из Болгарии. Подано предложение на финансирование проекта и в этом году.

Весьма существенным для сооружения и развития в ОИЯИ отделения для лечения онкологических заболеваний с помощью пучков ионов углерода является и существование ОРРИ, с долгосрочными традициями исследований в области радиобиологии. Исследования в ОРРИ на пучках ионов, ускоренных на нуклотроне ЛВЭ ОИЯИ уже начались.

Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что в ОИЯИ имеются реальные предпосылки, позволяющие в короткое время создать на базе нуклотрона ЛВЭ, расширив соответствующие структуры ЛЯП, новое отделение, предназначенное для лечения онкологических заболеваний пучками ускоренных ионов углерода. Назовем это отделение "Мед-Нуклотрон ОИЯИ Дубна".

В случае обеспечения соответствующего качества предлагаемых услуг отделение Мед-Нуклотрона ОИЯИ Дубна может служить для потребностей всех стран-участниц этой международной организации. Новое прикладное использование уже существующего устройства, кроме гуманного вклада при лечении одного из самых тяжелых заболеваний, может также принести и значительный экономический эффект. В настоящее время диагностика онкологических пациентов с помощью наиболее современных методов ядерной медицины оценивается в мире примерно в 1-2 тыс. долл. США, лечение с помощью пучков тяжелых заряженных частиц оценивается уже в 10 раз выше, то есть в 10-20 тысяч долларов США на одного пациента.

Если взять число населения отдельных стран-участниц ОИЯИ, составляющее почти 500 миллионов, это больше, чем численность населения Японии и Германии вместе взятых. Из такого большого числа населения, при хорошем менеджменте, не проблема найти 100 пациентов в год. Это, главным образом, вопрос уровня и качества предлагаемых услуг. Значит, ожидаемый эффект в короткое время может достичь 1-2 млн. долларов США в год.

Средства, полученные в результате прикладного использования нуклотрона, будет возможно использовать не только для дальнейшего развития отделения Мед-Нуклотрона ОИЯИ Дубна, но и на поддержку фундаментальных исследований в тех лабораториях и отделениях ОИЯИ (ЛЯП, ЛВЭ, ОРРИ), которые примут участие в проекте. Долгосрочным примером такого сосуществования прикладного использования существующих базовых установок и фундаментальных исследований может служить Лаборатория ядерных реакций ОИЯИ. Циклотронный центр Словацкой Республики, основным устройством которого является циклотрон ДЦ-72, создаваемый в ЛЯР, сооружается на подобном принципе самофинансирования.

Основываясь на приведенных выше аргументах, предлагаем создать при ОИЯИ участок ионной терапии онкологических заболеваний. В качестве первого шага предлагаем разработать технико-экономическое обоснование проекта "Мед-Нуклотрон ОИЯИ Дубна" (Feasibility Study), с подробной разработкой существующих возможностей ОИЯИ. Проект предлагаем реализовать в два этапа.

На первом этапе на нуклотроне ЛВЭ ОИЯИ предлагается сформировать пучок ионов углерода 12С диаметром до 10 см для облучения пациентов наиболее простым методом - статическим, когда неподвижный пациент облучается неподвижным пучком с одного или нескольких направлений по методике, аналогичной используемой в настоящее время в ЛЯП ОИЯИ.

Для реализации первого этапа потребуется приблизительно 1 млн. долларов США. Средства, необходимые для подготовки "Feasibility study" проекта Мед-Нуклотрон ОИЯИ Дубна, необходимы для оснащения соответствующим оборудованием нуклотрона и выведенного канала ускоренных ядер для обеспечения медицинских экспериментов, создания и обустройства участка облучения пациентов в экспериментальном зале 205 ЛВЭ, покупки специального кресла для пациента с автоматическим управлением, адаптации программного обеспечения для планирования лечения, возмещения расходов на время работы ускорителя, зарплаты для сотрудников и др. По нашим оценкам, этот этап может быть завершен в течение двух лет облучением первого пациента на пучке ионов 12С.

На следующем этапе предлагаем перейти к более сложным - динамическим методам облучения - сканирующему облучению мишеней узким пучком ионов, при котором объем мишени сканируется пучком в поперечном направлении. При этом возможно регулировать энергию каждого импульса пучка. Этот этап проекта предлагаем реализовать уже на принципе самофинансирования.

Профессор Станислав Дубничка,
профессор Ян Ружичка,
Братислава, Словакия