Одноимпульсный, или ультрафлеш-режим — вариант радиотерапии, при котором сверхмощный поток протонов разрушает опухоль за миллионные доли секунды, практически не повреждая окружающие ткани. Эту медицинскую технологию российские физики разработали в Институте ядерных исследований (ИЯИ) РАН в Троицке, где еще с советских времен действует самый мощный в Евразии линейный ускоритель протонов.

Лучевая (радиационная) терапия — одно из направлений ядерной медицины для лечения злокачественных опухолей. Суть его заключается в том, что в патологический очаг от ускорителя направляют пучки элементарных частиц (или волны, создающие рентгеновское, гамма-, нейтронное или другое излучение), что приводит к разрушению раковых клеток.

Существует методы, использующие фотоны, нейтроны, протоны, ионы бора, углерода и неона. Широк и спектр специализированного медицинского оборудования. Но становление всех методов лучевой терапии начиналось в физических институтах, обладающих научными ускорительными установками.

Первые радиобиологические исследования провели в 1954-м в Беркли в США. Для облучения пациентов использовали пучки протонов, дейтронов и альфа-частиц, полученных при проведении экспериментов на кольцевом ускорителе. Затем в течение более чем 40 лет в Гарвардской циклотронной лаборатории, сотрудничающей с Центральной больницей Массачусетса, совершенствовали методику и проводили клинические исследования. Результатом стало строительство первых центров протонно-лучевой терапии в Калифорнии и Массачусетсе.

Традиционные методы лучевой терапии, в которых используют пучки фотонов, обладают одним существенным недостатком: они повреждают не только раковые клетки, но и здоровые ткани, расположенные перед опухолью и за ней по ходу движения пучка излучения. Чтобы снизить побочные эффекты, приходится ограничивать мощность излучения, увеличивать количество сеансов и длительность курса. И чем глубже опухоль, тем труднее ее разрушить.

Наиболее перспективным считается метод протонной терапии. Он позволяет точно нацеливаться на опухоль и уничтожать ее при любой глубине локализации, нанося минимальный урон окружающим тканям. Особенность протонного излучения в том, что основная энергия потока высвобождается на последних миллиметрах пробега частиц — в так называемой точке Брэгга.

Врач-радиолог проводит расчет и настраивает прибор так, чтобы воздействие пучка приходилось исключительно на опухоль, повторяя ее очертания с точностью до миллиметра. Таким образом, разрушаются только раковые клетки, а окружающие здоровые ткани практически не подвергаются воздействию. Эта методика эффективна при лечении самых сложных злокачественных новообразований — предстательной железы, мозга, глаза, а также рака у детей.

В Советском Союзе терапевтический протонный пучок с энергией до 200 мегаэлектронвольт впервые получили в 1967-м на синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Поток частиц от ускорителя выводили в специальное процедурное помещение, где было размещено ротационное кресло для фиксации пациента и оборудование для контроля облучения. С 1969-го для лечения онкологических больных использовали протонный синхротрон Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве, а с начала 1970-х — Ленинградского института ядерной физики (ЛИЯФ) в Гатчине.

Долгие годы главным препятствием для широкомасштабного использования протонов при лечении рака были размер и стоимость необходимого циклотронного оборудования. Лишь 25 лет назад первые центры протонной терапии появились в США, Германии и Японии. Сейчас в мире их уже около сотни. И хотя лечение в них остается очень дорогим, результаты говорят сами за себя: рак простаты этим методом вылечивают у 97 процентов пациентов, опухоли головного мозга — у 90 процентов.

В России до 2017-го не было клинических центров лучевой терапии. Действовали только экспериментальные (при научных институтах), которые принимали пациентов от случая к случаю: в ИТЭФ, в ОИЯИ в Дубне и в ИЯИ РАН в Троицке. Первый коммерческий центр протонной терапии Медицинского института Березина Сергея (МИБС) открыли в Санкт-Петербурге в 2017 году. Затем такой центр появился в Москве. А в сентябре 2019-го первых пациентов принял Федеральный высокотехнологичный центр медицинской радиологии Федерального медико-биологического агентства в Димитровграде Ульяновской области.

Это единственный в России и самый крупный в Европе комплекс ядерной медицины замкнутого цикла, где представлены все существующие сегодня методы диагностики и лечения. Его построили в рамках государственной программы "Создание федеральных центров медицинских радиологических технологий". В него входят: центр протонной терапии, центр позитронно-эмиссионной томографии, консультативная поликлиника, радиологический корпус, корпус радионуклидной терапии и стационар на 312 коек. Госкорпорация "Ростех" планирует в ближайшие годы в рамках госпрограммы построить такие центры во Владивостоке, Москве, Новосибирске и Калужской области.

Параллельно российские ядерщики работают над усовершенствованием технологий лучевой терапии. В частности, в ИЯИ РАН в Троицке, располагающем самым мощным в Евразии линейным ускорителем протонов, уже несколько лет изучают возможности флеш-терапии — инновационного метода, при котором всю необходимую дозу облучения подводят к опухоли за один сверхкороткий сеанс в доли секунды, а не за 20–30 сеансов по нескольку минут, как обычно.

Впервые флеш-эффект, при котором опухолевые клетки погибают, а нормальные повреждаются в два раза меньше, описали в 2014-м французские ученые. Сейчас этот метод проходит клинические испытания в США на медицинском циклотроне Varian, который дает мощность дозы 70 грей в секунду.

Используя уникальные возможности своего ускорителя, в ИЯИ РАН решили проверить, что будет, если еще больше увеличить интенсивность потока протонов, создав так называемый ультрафлеш-режим, когда весь курс облучения укладывается в один короткий импульс.

"Наш ускоритель отличается от других чрезвычайно высокой интенсивностью пучка протонов, — объясняет заведующий лабораторией медицинской физики института Сергей Акулиничев. — В одном импульсе, который длится сто микросекунд, он выдает 1013 протонов. Такой интенсивности нет ни у одного ускорителя в мире. Этого количества достаточно, чтобы провести полное лечение".

Для сравнения: при обычном режиме необходимую дозу подводят к опухоли за десять-пятнадцать секунд, а при флеш-режиме — за полсекунды. Ученые проверили на живых клетках все три режима, и оказалось, что ультрафлеш-режим значительно эффективнее двух остальных. Под эффективностью в данном случае понимают избирательность воздействия — отношение раковых к нормальным среди всех поврежденных облучением клеток.

"Сейчас ультрафлеш-режим на протонном ускорителе доступен только в одном месте в мире: в нашем институте, — рассказывает Акулиничев. — Многие существующие медицинские ускорители можно адаптировать к флеш-режиму, подняв мощность дозы до ста грей в секунду. Но на нашем ускорителе она достигает миллиона. Когда он строился, такая высокая мощность была необходима для изучения фундаментальной физики и решения некоторых прикладных задач, но для медицинских исследований мы ее долгое время искусственно занижали. А потом оказалось, что при борьбе с раком это преимущество".

Пока ученые получили подтверждение эффективности нового метода на клетках. Впереди эксперименты на животных. Только после этого можно будет приступить к клиническим исследованиям на людях.

Если преимущества одноимпульсного режима докажут, производители медицинского оборудования через несколько лет смогут приступить к выпуску ускорителей с высоким импульсным током протонов, способных разрушать опухоль за доли секунды, практически не повреждая окружающие ткани.

С 2020-го протонная лучевая терапия для лечения онкологических заболеваний включена в перечень видов высокотехнологичной медицинской помощи, финансируемой из средств Федерального фонда обязательного медицинского страхования. По разным оценкам, потребность в протонной терапии в России составляет сейчас от 35 до 100 тысяч человек в год. Чтобы ее покрыть, нужно, чтобы в медицинских центрах страны работало от 40 до 60 установок.

Пока все четыре введенных в строй центра работают на импортном оборудовании. В то же время в России с 2017-го производят отечественный комплекс протонной терапии "Прометеус". Эту уникальную установку изобрел российский ученый, научный руководитель Физико-технического центра ФИАН в Протвино Владимир Балакин. Основу ее составляет пятиметровое кольцо весом около 15 тонн. По сравнению с громоздкими научными синхротронами, это очень компактная конструкция, которую можно устанавливать в обычных клиниках. У нее низкое энергопотребление, она не требует никакой специальной защиты и собрана полностью из отечественных элементов.

Один экземпляр уже используют в Медицинском радиологическом научном центре имени А. Ф. Цыба в Обнинске, другой — в Физико-техническом центре в Протвино. Целую партию установок заказали зарубежные научные организации. Две успели отправить в США и Израиль еще до начала пандемии. Производство и отгрузку остальных отложили сперва из-за ковидных ограничений, а теперь — из-за санкционных проблем.

Потребность есть и внутри страны, но, чтобы экспериментальный комплекс "Прометеус" стал полноценным медицинским изделием, нужно решить организационные, экономические и технологические вопросы. И конечно, преодолеть недоверие к отечественным разработкам.