"Управлять" пучками частиц, чтобы победить рак

Правда ли, что посредством пучков частиц, использующихся для лечения рака сегодня, можно будет лечить и заболевания сердца?

В принципе, в список показаний к адронной терапии, в частности с применением ионов углерода высокой энергии - подобных тем, что используются в CNAO, - можно включить неоплазии сердечной мышцы, и даже нераковое применение, такое как устранение сердечной аритмии. 

Однако, как показали недавние эксперименты на свиньях, проводившиеся в Центре ядерных исследований GSI в г.Дармштадт (Германия), с технической точки зрения главным препятствием для воздействия в области сердца является необходимость учитывать как движение органа, связанное с движением пациента (что возможно уже сегодня и применяется в CNAO при воздействии на область брюшины), так и сердцебиение, над которым предстоит еще много работать. 

В CNAO, например, мы проводили облучение ионами углерода некоторых опухолей в районе сердца, устойчивых к радиотерапии (с использованием фотонов), но до этого была исключена вероятность значимого воздействия сердцебиения на локализацию опухоли и на характеристики прилегающей к ней зоны, пронизываемой пучком частиц.

В целом, неоплазии и некоторые виды неонкологических расстройств сердечно-сосудистой системы в будущем можно будет лечить посредством неинвазивных процедур с применением пучков тяжелых заряженных частиц высокой энергии. На данный момент, из-за сложности контроля сердцебиения, данная методика еще не готова для применения в клинических условиях, за исключением особых случаев с благоприятными условиями.    

Кроме протонов и ионов углерода, в будущем могут быть применены другие частицы и материалы?

Радиотерапия с применением тяжелых заряженных частиц представляет собой широко распространенную в мире практику для лечения определенных типов неоплазий, в частности устойчивых к традиционной радиотерапии ( с применением фотонов) и плотных детских опухолей. В современной адронной терапии применяются протоны и ионы углерода высокой энергии. 

С другой стороны, создание новых центров для лечения пациентов (например HIT, CNAO, MedAustron), оснащенных синхротронами с активными системами распределения дозы, способными ускорять ионы различных типов, от протонов до кислорода, открывает интересные перспективы. В частности, клиническое применение пучков быстрых ионов гелия, впервые испытанных в 80-е годы в США (Lawrence Berkeley Laboratory), является одним из перспективных направлений для изучения, особенно в сложных случаях, таких как детские опухоли (Kramer M et al, Medical Physics, vol. 43, 2016). 

Благодаря их промежуточным свойствам ионы гелия смогут встать в один ряд с протонами и ионами углерода как с физической, так и с радиобиологической точки зрения. В плане взаимодействия с тканями гелий меньше подвержен феномену ядерной фрагментации в конце длины пробега и процессам бокового распространения (рассеивание), характерным для пучков протонов. 

Кроме того, их относительная биологическая эффективность, то есть способность наносить ущерб биологическим тканям (в частности, ДНК раковых клеток) занимает промежуточное положение между двумя другими частицами, на сегодняшний день широко применяемыми в лечении. Лабораторные эксперименты (на клеточных культурах) с использованием ионов гелия высокой энергии, проводящиеся в г.Гейдельберг (HIT), показывают воодушевляющие результаты. В недалеком будущем, после получения соответствующих разрешений, CNAO также планирует проведение экспериментальных исследований данного типа ионов, сначала физических и радиобиологических, а затем и клинических.  

С какой скоростью движутся частицы в ускорителе? Благодаря чему они могут с точностью воздействовать на опухоль?

Протоны и ионы углерода движутся с огромной скоростью, близкой к скорости света (230.000 км/с для достижения максимально возможной энергии).

Размеры пучка регулируются благодаря магнитам, называемым квадрупольными. 

Таким образом физики, работающие с ускорителем, способны гарантировать контроль размера пучка во время воздействия на опухоль. Чтобы направить частицы в нужную точку, используются диполи и корректоры. Корректоры, называемые специальными магнитами, напрямую взаимодействуют с Dose Delivery (активная система сканирования CNAO). 

Специальные магниты установлены вблизи пациента и способны быстро, но постепенно обрабатывать опухоль по сегментам: таким образом возможно достичь оптимального контроля дозы воздействия в каждом сегменте опухоли.