Как вылечить человека с помощью радиации
Ядерная физика меняет лицо современной медицины – причем к лучшему. Лекарства на основе радионуклидов способны в разы повысить шансы на выживаемость пациентов с определенными типами рака. Даже в случаях, где бесполезна хирургическая операция. Для того, чтобы подробно разобраться в процессе, N + 1 обратилась к «Росатому», крупнейшему производителю радионуклидов.
Пациент выпивает стакан с прозрачным раствором и излечивается от неоперабельного рака. Всю работу делают радионуклиды, – источники ионизирующего излучения. С раствором они проникают в организм человека и воздействуют на клетки, пораженные болезнью.
По такому принципу работают многие современные радиофармпрепараты, то есть лекарства на основе радиоактивных нуклидов. Они могут целенаправленно уничтожать больные клетки, используя крайне малые дозы излучения. Это дает возможность не только вылечить пациента, но и восстановить его организм после сложной терапии за считанные дни.
Принцип действия радиофармпрепаратов основан в первую очередь на физическом процессе ионизации, при которой нейтральные атомы определенного химического элемента теряют частицы (например, электроны), становятся активными и превращаются в ионы.
Ионизирующее излучение – проще говоря, радиация, – исходит от атомов основного химического элемента, входящего в состав радиофармпрепарата. Именно оно разрушает ДНК злокачественной опухоли. Под воздействием ионизирующего излучения свойства атомов внутри ДНК клеток меняются, цепочки ДНК начинают распадаться, и раковая клетка теряет способность к размножению. Это и нужно врачам, ведь одно из главных свойств злокачественных опухолей – это неконтролируемое и чрезвычайно быстрое разрастание в организме человека.
Помимо лечения радиофармпрепараты могут выполнять и другую функцию – диагностическую. Клетки организма реагируют и на слабое ионизирующее излучение, которое не наносит вреда организму и в то же время легко отслеживается специальными томографами, рассказал N + 1 Валерий Крылов, заведующий отделением радиохирургического лечения открытыми нуклидами МРНЦ им. А. Ф. Цыба, реализующий с «Росатомом» перспективные проекты в области ядерной медицины. Диагностические возможности радионуклидов позволяют спасать тысячи жизней задолго до того, как раковые клетки разовьются в серьезные опухоли.
«Радионуклидная диагностика позволяет видеть злокачественные биологические процессы, когда опухоль еще не привела к структурным изменениям в тканях, – объяснил радиолог. – Именно благодаря излучению радионуклида, визуализируемому на гамма-камере или ПЭТ-томографе, становится возможным обнаружить изменения, происходящие в органах и тканях на клеточном уровне. Другие методы – например, рентгеновские – обычно не позволяют диагностировать болезнь на столь ранней стадии».
Неразрывность процессов визуализации и терапевтического воздействия – главный тренд радиоонкологии. «Это, по сути, лозунг ядерной медицины: «Мы видим, что мы лечим, мы лечим, то, что мы видим». В других областях медицины добиться этого очень сложно», – добавил Крылов.
Как обезвредить рак с помощью физики
«Атомное» уничтожение раковой ДНК происходит двумя способами. Первый – это непосредственное воздействие радиации на атомы раковой ДНК. Второй – это воздействие опосредованное, через радиолиз воды, из которой состоит цитоплазма любой биологической клетки. При «радиоактивной обработке» в воде образуется большое количество супероксидных свободных радикалов (то есть ионов молекулы кислорода с неспаренным электроном), они и наносят урон клеткам опухоли.
Та самая способность раковых клеток к бурному росту делает их особенно уязвимыми к радиации. Дело в том, что ионизирующее излучение легче всего разрушает структуру ДНК, когда клетка находится в стадии деления хромосомы, где хранится основная база генетических данных. Поскольку клетки злокачественных опухолей делятся чаще, они становятся главной мишенью ионизирующего излучения.
И для лечения, и для диагностики препарат необходимо направить к раковым клеткам. Именно таргетность, то есть целевая направленность сегодня считается показателем совершенства радиофармпрепаратов, для производства которых требуется не только расчетные мощности физики, но также понимание биологических процессов и многолетний опыт медицинской практики.
Таргетность препарата может достигаться разными методами. «Здесь есть широкий простор для творчества, потому что на способ доставки влияет очень много факторов. Это и тип рака, и специфика пораженного органа, и свойства радионуклида», – объяснил Валерий Крылов.
Есть два основных подхода к доставке радионуклида к раковым клеткам:
Первый подход напоминает подбор ключа к замку. «На поверхности раковой клетки есть специфический рецептор, которого нет на поверхности здоровой клетки. К этому рецептору можно присоединить лиганд (химическое соединение, которое «сцепляется» с определенной биомолекулой и производит необходимые врачам биохимические, физиологические или фармакологические эффекты. - N + 1) радиофармпрепарата. К лиганду, в свою очередь, добавлен радиоактивный заряд. Таким образом, введенный препарат попадает непосредственно в пораженную ткань», – рассказал Крылов.
Второй подход позволяет организму пациента самому произвести «подбор ключа». Так происходит, когда сам радионуклид естественным образом подходит к определенным видам клеток. Хрестоматийный пример – радиоактивный йод, который идеально подходит для лечения рака щитовидной железы.
«Это связано с тем, что клетки щитовидной железы производят тиреоидные гормоны, которые содержат йод. На поверхности каждого тиреоицита есть специальные белковые структуры - натрий-йодные симпортеры, которые «ловят» йод, находящийся в плазме крови, и помещают внутрь клетки, чтобы клетка делала бы из него гормоны, – объяснил Крылов. – На чем построена радиойодтерапия? На том, что симпортер не может отличить радиоактивный йод от обычного нерадиоактивного. Сначала мы искусственно создаем условия для так называемого «гормонального голода», чтобы эти рецепторы жадно искали и улавливали йод. Затем даем пациенту радиоактивный йод. Он попадает внутрь клеток, и эти клетки погибают. Так лечат рак щитовидной железы».
Примерная схема лечения рака щитовидной железы (не в запущенной форме и без метастазов) с помощью радиофармпрепарата на основе радиоактивного йода-131 выглядит следующим образом:
«Нужно понимать, что это очень примерная схема, – подчеркнул Валерий Крылов. – Каждый онкологический случай уникален, и врач должен назначать лечение только получив полную информацию о пациенте».
Российские радионуклиды
На базе двух крупнейших НИИ атомной отрасли – ГНЦ НИИАР в Димитровграде и НИФХИ им. Карпова в Обнинске – ГК «Росатом» производит целую линейку радионуклидов. Среди них:
Молибден-99
Йод-131
Йод-125
Стронций-89
Гадолиний-153
Лютеций-177
Калифорний-252
Они используются как сырье для производства отечественных медицинских препаратов, а также для экспорта в более чем 20 стран мира. Среди них Германия, Венгрия, Польша, Аргентина, Бразилия и Китай.
Российские радионуклидные технологии начали развиваться в советский период, с 1920-х годов. Первый фармпрепарат на основе радия-224 в СССР рекомендовали, кстати, не для рака, а для лечения болезней суставов и позвоночника. Во второй половине XX века Союз уже считался одним из мировых лидеров по использованию ядерных технологий в медицине – вплоть до начала 90-х годов.
В стране работали 650 лабораторий радионуклидной диагностики (проводившие ежегодно более 1,5 млн исследований) и 20 отделений радионуклидной терапии (всего примерно 2 тысячи коек). Советские НИИ выпускали примерно 140 радионуклидов промышленного и медицинского назначения, а также 38 полноценных радиофармацевтических препаратов.
После распада СССР разработка радиофармпрепаратов – как и всей ядерной медицины – была практически остановлена. Планомерная работа в этой области возобновилась лишь во второй половине 2000-х годов, с созданием ГК «Росатом», в чью задачу входило восстановление утраченных мощностей атомной промышленности страны.
Чтобы узнать больше об атомной промышленности — переходите на www.atom75.ru.
Сегодня компания стремится развить свою инфраструктуру для того, чтобы производство отечественных радионуклидов, а также фармпрепаратов и другого оборудования для ядерной медицины могли стать общедоступными в России и вышли на международный рынок. НИИ и заводы в структуре «Росатома» производят сырьевые радионуклидные препараты, генераторы (устройства для многократного получения стерильного раствора, содержащего радионуклиды), а также закрытые источники ионизирующего излучения.
На данный момент ГК «Росатом» уже занимает лидирующие позиции в мире по производству радионуклидов. Они эффективно используются для борьбы с раком печени, предстательной железы, а также различными метастазами – особенно в кости, которые нередко вызывают критически болезненные ощущения у больного. Один из современных перспективных методов – это использование радионуклидов, излучающих альфа-частицы (радий-223, актиний-225, висмут-213 и другие). Альфа-частицы дают более мощное излучение и при этом обладают гораздо меньшим пробегом, чем бета-частицы (они чаще всего используются в современных радиофармпрепаратах), то они способны наносить более мощный и точный удар по опухоли, при этом практически не задевая окружающие здоровые ткани.
Ученые у истоков радиофармпрепаратов
Ядерная медицина развивается уже более 100 лет. При этом первые исследования в этой области начали не врачи, а ученые. Французский химик и физик Пьер Кюри и его супруга Мария Складовская-Кюри считаются родоначальниками этой области науки. Их смертельно опасные эксперименты с только что открытым химическим элементом радием (например, Пьер Кюри накладывал на себя радиоактивный компресс, который жег его руку в течение 10 часов) заложили основу для развития не только ядерной физики, но и медицинской радиологии. За свою работу ученые удостоились Нобелевской премии по физике 1903 года.
Бельгийский ученый Шарль Пеше (его также называют на американский манер Чарльз Печер, поскольку именно во время работы в США он прославился как радиолог), в свою очередь, впервые в мире, еще в конце 1930-х годов, испробовал метод введения радиоактивного элемента – стронция внутрь человеческого организма для облегчения состояния пациента, страдающего раком предстательной железы с метастазами в кости. Этот эксперимент можно назвать первым применением радиофармпрепарата.
«Росатом Хэлскеа» – интегратор по направлению радиационных медицинских технологий в структуре ГК «Росатом» – развивает и другие направления ядерной медицины. Например, особняком стоит брахитерапия – то есть терапия на основе «закрытых радионуклидов». В этом случае источники ионизирующего излучения заключаются внутрь оболочки – для временного или постоянного внедрения в пораженный орган. При этом радиация не попадает в окружающую среду, то есть не выделяется из организма, как в неизмененном виде, так и в виде метаболитов.
Пример перспективных технологий брахитерапии – это шарики из иттрий-алюмсиликатного стекла размером около 30 микрон. Уникальная технология облучения в исследовательском реакторе «Росатома» позволяет образовать внутри этих микросфер радиоизотоп иттрий-90. Введя эти шарики в организм пациента, врачи могут остановить рост злокачественной опухоли у 90% пациентов. Микросферы на основе иттрия-90 с 2018 года производит российская компания БЕБИГ при поддержке ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России и Госкорпорации «Росатом». В 2019 году в России успешно провели первую операцию радиоэмболизации на основе этой технологии.
ГК «Росатом» также наращивает потенциал для производства оборудования для лучевой терапии. Компания разработала гамма-терапевтический комплекс контактной лучевой терапии нового поколения «АГАТ» и комплекс дистанционной лучевой терапии «Оникс». В планах – модернизация ОФЭКТ-томографа (комплекса гамма-камер) «ЭФАТОМ» и производство линейных ускорителей по технологии шведской компании Elekta.
Валерий Крылов считает, что в ближайшие годы российские технологии ядерной медицины ждет бурный рост. «В 2009-м году в России случилось «ядерная медицинская революция». Были пересмотрены нормы радиационной безопасности, что позволило более чем в два раза увеличить пропускную способность клиники, – рассказал ученый. – Были построены еще несколько центров ядерной медицины - в Москве, Тюмени, Красноярске, Архангельске, Казани. Поэтому сейчас все усилия должны быть сосредоточены не только на увеличении количества «активных» коек, но и на расширении спектра применения радионуклидной терапии, на создании и внедрении новых методов, на развитие производства новых радиофармпрепаратов».