«Изотопное направление и суперфлеш-терапия могут сделать Россию лидером». Интервью с физиком Сергеем Гавриловым

Что делают физики на самом крупном в России и одном из самых масштабных в мире линейных ускорителей? Какие решаются важные практические задачи? Об этом рассказывает Сергей Александрович Гаврилов, заместитель директора Института ядерных исследований РАН по научной работе, доктор физико-математических наук.

— У вас в институте находится крупнейший в России линейный ускоритель. Расскажите, в чем его главная задача?

— На базе этого ускорителя создан Ускорительный центр нейтронных исследований структуры вещества и ядерной медицины. Сам линейный ускоритель служит источником пучка ускоренных частиц, благодаря которому можно проводить разные исследования и прикладные работы.

— В чем принципиальная разница между циклическим и линейным ускорителями?

— В циклической машине есть система магнитов, которые удерживают пучок на некой стационарной или квазистационарной замкнутой орбите. Пучок забегает в кольцо, и это не обязательно идеально круглое кольцо, скорее вытянутой формы. Он бегает по этой орбите, набирает свою энергию и может совершать сотни тысяч оборотов в рамках циклического движения.

— Как спутник вокруг Земли?

— Да, совершенно верно. А в линейной машине нет такой возможности. Там пучку частиц нужно пробежать за один проход, набрать нужную энергию и сразу выйти на какого-то потребителя. Но зато в линейной машине вы можете получать более высокие интенсивности пучка и работать в тех областях, где нужны именно такие интенсивные задачи.

— Почему там более интенсивный пучок? Потому что скорость выше?

— Нет, как раз в линейных машинах, как правило, скорость не очень высокая, потому что нет возможности поэтапного набора энергии. Но линейная машина может захватить в себя больше частиц на начальном этапе, создать больший фазовый объем пучка, нежели в кольце. Как правило, ускорительные центры на основе циклических машин начинаются с небольших линейных инжекторов. Классический пример — Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN), где тоже есть небольшой линейный ускоритель. Оттуда все попадает в небольшое бустерное колечко, там накапливается, оттуда — в следующее кольцо, и так постепенно набираются итоговые параметры пучка. На каждом следующем этапе растет энергия, но важно это начало, позволяющее захватить пучок из источника частиц, дать ему начальное ускорение и сохранить как можно больше частичек, которые мы дальше собираемся ускорять. Это можно сделать только в линейной машине. Именно на основе принципов линейного резонансного ускорения в свое время начали строить мезонные фабрики, как тогда это называлось. Несмотря на историческое название «мезонная фабрика», наш ускоритель больше не производит мезоны. Теперь это высокоинтенсивная сильноточная машина, функционирующая в умеренном диапазоне сотен мегаэлектронвольт, благодаря чему можно эффективно работать.

— Вы сказали, что мезоны уже не производятся. А в конце 1940-х гг. С.И. Вавилов любил шутить над физиками-ядерщиками, намекая на лавинообразный поток открытий новых частиц: «Что ни сезон, то мезон». Сейчас их уже не открывают?

— Эта модель более-менее завершена, какие-то принципиально новые частицы на этом конкретном ускорителе получить уже невозможно. Нужны совершенно новые энергии на уровне тех, которые, например, получают в CERN. У нас тоже есть своя программа фундаментальных научных исследований, но для нас сейчас важнее прикладные задачи, на которых мы сосредоточены.

— Какие же это задачи?

— Первая — безусловно, изотопный комплекс, на котором долгое время нарабатывался изотоп стронция-82 для изготовления стронций-рубидиевого генератора для ПЭT-томографии.

— Для диагностики в онкологии?

— Под кардиодиагностику. Дело в том, что рубидий выступает неким аналогом калия и сосредоточивается в стенках сосудов и в тканях миокарда, и поэтому очень удобно смотреть пред- и постинфарктные состояния, проводить диагностику этих состояний. Он там скапливается, за счет бета-распада вылетают позитроны, они взаимодействуют с электронами, и вы получаете через КТ-сканер всю картину кровеносной системы, в том числе распределение в тканях миокарда. Сейчас мы наблюдаем новый виток развития этого направления. Кроме того, мы хотим начать нарабатывать изотоп актиния-225. Это изотоп, который распадается по альфа-каналу, то есть вылетают не легкие позитроны, с которыми можно осуществлять диагностику, а тяжелые альфа-частицы, ядра гелия. И это уже непосредственно таргетная терапия, когда есть какие-то опухоли или метастазы, куда невозможно добраться скальпелем или за счет протонной терапии что-то облучить, не повредив соседние ткани. Но такой препарат можно ввести локально. Благодаря тому, что он распадается с выпуском тяжелых частиц, он изнутри выжигает то, к чему нельзя подобраться механическим путем. Это уникальная возможность локальной терапии без общей дозовой нагрузки на пациента.

— Уже существуют конкретные пациенты, которые получают такую терапию?

— Сейчас у нас отработана технология по облучению, по радиохимическому выделению, и нужен сам генератор, чтобы он прошел клинические испытания. Таргетная терапия с использованием актиния уже доказала свою эффективность и применяется для лечения пациентов по всему миру. Однако нехватка актиния стала серьезным препятствием. Нужен тот, кто будет это делать и у нас в России, и для всего мира. Мы могли бы взять на себя такую роль. Для этого надо отработать технологические вопросы.

— Еще одно ваше важное направление — материаловедение. Расскажите об этом.

— На выходе нашего ускорителя есть стенд для исследования радиационной стойкости материалов и электроники. Имеются в виду в основном космическая техника или военные самолеты, которые летают на высоких эшелонах, ведь в атмосфере тоже есть ливни заряженных частиц.

— Когда мы часто летаем на самолетах, мы тоже рискуем получить высокую дозу облучения?

— В основном это касается трансатлантических перелетов. Если летать регулярно, вы подвергаетесь такой нагрузке. Космонавты, которые находятся на борту МКС, также испытывают эту нагрузку, и все это надо изучать здесь, на Земле, для того чтобы понять, как это влияет на людей, на электронику. У нас есть стенд, связанный с неживыми объектами. Оказалось, что на орбите существуют потоки частиц как раз с теми самыми энергиями, которые есть у нас на ускорителе. Наш диапазон десятков-сотен мегаэлектронвольт считается основным для изучения эффектов облучения электроники. Благодаря тому, что мы можем достаточно тонко регулировать интенсивность пучка, нам удобно все это изучать. Приходилось снижаться условно в миллиард раз по интенсивности, потому что иногда пусть не отдельные частицы, но сотни и десятки тысяч частиц должны попадать на микросхему, чтобы отлавливать тонкие радиационные эффекты. Это нужно, чтобы понять, как все это функционирует в условиях высокой радиационной нагрузки.

— Возможно ли в принципе создать такие материалы, которые будут непроницаемы для радиации?

— В фантастических фильмах, наверное, возможно. В реальности — пока нет. Если мы говорим о заряженных частицах, тут все более-менее понятно: они активно взаимодействуют с веществом, через которое проходят, поэтому можно создавать стенки из тяжелых материалов, пытаться все это блокировать, но многое все равно зависит от энергии. Если это какие-то высокие энергии, они все равно будут пролетать насквозь. А с нейтральными частицами, с нейтронами, все значительно сложнее. У них нет таких активных потерь. Они могут проходить даже через тяжелые материалы. Здесь важнее не то, что материал тяжелый, а то, что нужно нечто, с чем эти нейтроны будут наилучшим образом взаимодействовать. Можно пытаться создать идеальный замедлитель. У всех ускорителей, ядерных реакторов защита состоит из многометровых слоев специального тяжелого бетона, чтобы закрыться от нейтронов. А космическая станция имеет лишь тонкие стенки из алюминия, неспособные остановить радиацию. В самолетах заряженные ливни создают еще и вторичные потоки заряженных и нейтральных частиц.

— То есть, чтобы защитить себя от повышенной радиации, надо строить самолеты и космические станции из бетона или свинца? Но такие не полетят…

— Не полетят, при этом высокоэнергетичные частицы все равно будут туда проникать. Нейтроны очень легко проходят через свинец. Нет такого материала, через который бы они не проходили, и сделать его, исходя из базовых физических принципов, невозможно. Для понимания взаимодействия ионизирующего излучения с веществом необходимо учитывать вероятностную модель. Например, если вы летите из Москвы в Новосибирск и через вас проходит тысяча частиц, это не означает, что все они взаимодействовали с вашим организмом. Гораздо опаснее, когда люди живут рядом с зараженной зоной, где находятся радиоактивные отходы, и ежедневно получают дозу из воды или воздуха. Такое постоянное и регулярное воздействие, пусть даже небольшими дозами, существенно хуже, чем умеренная доза, полученная однократно.

— Вернемся к вашей установке. Что происходит дальше?

— Дальше пучок выходит в экспериментальный зал. Это большой комплекс, в котором есть три нейтронных источника. Это установки, где есть мишени, преимущественно из вольфрама. Туда попадает пучок и порождает поток нейтронов. В зависимости от того, как устроена установка, этот поток нейтронов можно сформировать по-разному. Можно сделать один большой и мощный для работы с важной мишенью. Можно, наоборот, разделить нейтроны по длинным нейтроноводам и за счет их большой длины организовать времяпролетные методики исследований. У образующихся нейтронов разная энергия. Чем длиннее нейтроновод, тем лучше они разделятся по этим энергиям. Таким образом, вы получаете энергетический спектрометр.

— А что у вас за свинцовый куб?

— Это 100 т сверхчистого свинца, на основе которого работает спектрометр по времени замедления в свинце. В какой точке этого свинцового куба поставите свой образец, такая на нем и будет энергия нейтронов. Преимущество такой конструкции в том, что вы можете работать с импульсными пучками. Если реактор большой, то он излучает нейтроны во все стороны. Он супермощный, но эта мощность распределена равномерно. Там нет даже возможности создать какое-то разделение по энергиям. Все летит вместе, все перемешано. Никаких времяпролетных методик там быть не может. Эти задачи можно решать только на нейтронных источниках такого ускорительного типа.

— А почему этот куб свинцовый? Чтобы замедлять нейтроны?

— Да. Мы точно знаем, с чем взаимодействует нейтрон. Они там будут притормаживаться, разделяться по энергиям. Но там всё равно есть некая итоговая ловушка, поэтому все это дополнительно закрыто бетоном — такой биологической защитой. Разумеется, все ограничено возможностями ускорителя, интенсивностью, той энергией, которая у нас достигнута на основе технологии 1980-х гг., когда этот ускоритель строился. Тем не менее это все-таки единственный ускорительный нейтронный источник в России, который может работать над решением актуальных задач.

— Мы поговорили про ядерную медицину. А еще у вас развивается направление лучевой терапии. В чем преимущество ваших исследований?

— Наш ускоритель по умолчанию не предназначен для конвенциональной протонной терапии, где предусмотрены совсем маленькие дозы, пучки с наноамперным током. Обычная методика протонной терапии — облучение малыми дозами несколько десятков раз. А у нас — пучок под наработку изотопов, нейтронные источники, то есть мощные высокоинтенсивные пучки. Но в какой-то момент появилась идея флеш-терапии. Напомню, что это такое. Флеш-эффект — это когда вы всю ту же самую дозу, которую раньше подводили за 20–30 сеансов малыми порциями, вкладываете в опухоль менее чем за половину секунды, то есть очень быстро. Тогда те клетки, которые поражены раком, умирают примерно так же, как при обычной терапии, но при этом здоровые ткани, окружающие опухоли, повреждаются гораздо меньше. То есть проблема лучевой терапии не только в том, что вы не до конца можете убить какую-то опухоль, но и в том, что вы неизбежно создаете общую дозовую нагрузку на пациента, на его здоровые ткани, и это может задействовать какие-то онкотриггеры. Здесь это происходит в меньшей степени. И наши медики сказали, что это как раз та машина, на которой можно исследовать все эти эффекты, поскольку стандартные машины под конвенциональную терапию не могут выдать нужную интенсивность пучка.  

— Почему так происходит?

— Это вопрос биологии. Есть разные гипотезы. По одной из них, у клеток есть несколько разных механизмов смерти, и по неизвестной причине, если ионизирующее излучение очень быстро поступило в клетки, то здоровые выживают лучше, а те, которые заражены, активно умирают по одному из механизмов.

— А вы обнаружили еще и суперфлеш-эффект.

— Да, потому что такой мощности дозы, как у нас, больше нигде невозможно получить — уже не за полсекунды, а в рамках 100-микросекундного импульса.

— Как вам это удается?

— Это возможно благодаря тому, что наш ускоритель предназначен для задач с высокоинтенсивными пучками. Данная машина создана под высокие мощности пучка, и про нее никто даже подумать не мог, что она может оказаться пригодной для лечения реальных людей в стандартной протонной терапии. Но здесь, как выяснилось, не нужно снижать интенсивность, а нужно сделать аккуратный пучок и выдать максимум интенсивности. Тогда возникает упомянутый суперфлеш-эффект, когда выживание здоровых клеток немного увеличивается, а раковых клеток умирает на десятки процентов больше, чем при обычном эффекте.

— Сколько таких сеансов должен получить пациент?

— В идеале это должна быть терапия за один импульс. Здесь, опять же, есть свои биологические ограничения. Объем убитых, мертвых клеток нужно как-то выводить из организма, и это отдельная медико-биологическая задача.

— На какой стадии сейчас находится эта работа?

— Мы прошли стадию облучения клеточных культур и перешли к облучению животных. Это лабораторные мыши и крысы, которым подсаживают опухоль. Мы их облучаем, уже прошло три или четыре сеанса.

— Как чувствуют себя мышки?

— Наблюдаемый эффект есть, хотя медики — люди консервативные, они пока все не проверят, о «прорыве» не говорят. Мы работаем вместе с Научно-клиническим центром № 3 ФГБНУ, входящей в состав РНЦХ им. ак. Б.В. Петровского, они поставляют нам лабораторных животных. Есть те, кто облучались. Есть контрольные группы, которые не облучались ничем. Есть контрольные группы, которые находились рядом с теми, кто облучался. Это целый поток исследований. По предварительным результатам суперфлеш-эффект существенно продуктивнее стандартного флеша. Думаю, что в ближайшие годы будет сделано конкретное заявление о том, как это работает.

— После этого логично перейти к облучению собак и кошек, больных раком, как делали при испытаниях протонной установки в Новосибирске.

— Да, я думаю, это будет следующая стадия наших исследований.

— Какие вы видите перспективы развития вашего ускорительного комплекса?

— Чтобы дальше совершенствовать свои разработки, нам нужно вступить в Федеральную научно-техническую программу развития синхротронных и нейтронных исследований. Сейчас намечается некая актуализация этой программы. Наш комплекс как центр коллективного пользования туда не входит, а если бы мы присоединились к этой программе, это бы поставило перед нами определенные государственно значимые задачи.

— Как туда войти?

— Мы написали соответствующее письмо в Минобрнауки, в котором сообщили, что мы готовы к работе и просим включить нас в эту программу. Посмотрим, какой будет ответ. Сейчас идет обновление подходов к реализации этой программы. Если мы туда попадем, комплекс получит существенное развитие. В данный момент те исследования, которые у нас проводятся, направлены на небольшие проекты, на локальные договоренности между институтами. А нам хотелось бы решать глобальные задачи. Нужна программа развития на несколько лет, финансирование на модернизацию всей инженерной инфраструктуры. Для того чтобы делать хорошую науку и прикладные исследования, нужны хорошие деньги, а для того чтобы были хорошие деньги, нужно проводить хорошие исследования. Такой вот замкнутый круг. Но благодаря тому, что сейчас у нас уже многое есть и работает, мы могли бы очень эффективно дополнить эту федеральную программу. Надо сказать, что она в основном направлена на создание новых источников синхротронного излучения, реакторов и нейтронных источников. При этом существующая инфраструктура остается как бы за бортом, однако очевидно, что изотопное направление и флеш-терапия — это то, что можно и нужно делать прямо сейчас. Еще буквально несколько лет — и я думаю, что за рубежом тоже появятся машины, способные делать суперфлеш и нарабатывать актиний-225 в огромных количествах. Сейчас у нас есть окно возможностей, когда Россия может оказаться в первых рядах в этих исследованиях, и этим надо обязательно пользоваться. Именно здесь наш ускорительный комплекс мог бы быть очень полезен.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ