Материалы портала «Научная Россия»

Медицина и физика – творческий дуэт

Медицина и физика – творческий дуэт
Сегодня мы беседуем о развитии ядерной медицины с директором НИЦ «Курчатовский институт» членом-корреспондентом РАН Михаилом Валентиновичем Ковальчуком.

В этом году в нашей стране отмечали 70 лет создания атомной отрасли. Общеизвестно, что родоначальник советского атомного проекта - Курчатовский институт. Одним из важнейших, пожалуй, следствий освоения атома стала ядерная медицина. Еще до 1980-х гг Россия шла в ногу с ведущими мировыми странами в области внедрения ядерно-физических методов в медицину, однако в 1990-х - начале 2000-х гг. мы серьезно отстали. В Курчатовском институте не просто осознали критичность ситуации: его президент Е.П. Велихов и директор М.В. Ковальчук смогли привлечь к проблеме внимание общественности, проведя специальные слушания в Общественной палате РФ в 2007 г. Результат не заставил себя ждать: ядерная медицина попала в число приоритетов Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России. Начали разрабатываться пилотные проекты по созданию центров ядерной медицины на базе ведущих ядерно-физических институтов страны. С 2013 г. Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» самым активным образом участвовал в разработке концепции развития ядерной медицины в России, к которой привлекались и другие научные институты и клиники. Совсем недавно вышло распоряжение Правительства РФ о дорожной карте развития ядерной медицины и лучевой терапии в России, в которой НИЦ «Курчатовский институт» - один из ключевых участников. Сегодня мы беседуем о развитии ядерной медицины с директором НИЦ «Курчатовский институт» членом-корреспондентом РАН Михаилом Валентиновичем Ковальчуком.

 

Михаил Валентинович, вы специалист в рентгеновской физике. Объясните, пожалуйста, в чем же физическая суть ядерной медицины?

- Советский атомный проект – это не только ядерное оружие, обеспечившее национальную безопасность и стабильность в мире на долгие десятилетия. Это также и атомная энергетика, которая дает нам сегодня возможность устойчиво развиваться. Кроме того, из атомного проекта вышла и современная высокотехнологичная медицина. Курчатовский институт с самого начала занимался исследованиями влияния разного рода излучений на живые объекты – радиобиологией. Позднее на основе этого отдела института был основан Институт молекулярной генетики АН СССР. И сегодня влияние на живые организмы различного рода внешних воздействий, в первую очередь излучения, остается очень актуальной темой. Важнейшим прикладным направлением этих исследований стала ядерная медицина. Прежде всего, это ядерно-физические методы диагностики, которые позволяют отслеживать движение короткоживущих радиоактивных изотопов (своего рода радиоактивных излучателей) в ходе метаболизма, усвоения определенных субстанций организмом. Таким образом мы можем видеть эти процессы на тончайшем клеточном уровне, следя за поведением короткоживущих изотопов в организме с помощью специальных детекторов. То есть, с одной стороны - это самые точные на сегодня методы диагностики, но с другой стороны - это и лучевая терапия. Мы можем адресно направить к больному органу контейнер с радиоактивным изотопом и оказать терапевтическое лучевое воздействие. Есть также метод, когда пациента помещают внутрь ускорителя и облучают его пучком протонов или нейтронов, ликвидируя последствия и причины серьезных заболеваний. Это так называемая адронная терапия.

Изотопы получают на ускорителях и в нейтронных исследовательских реакторах. Именно поэтому в Курчатовском институте, как и в ряде других российских и мировых ядерных институтов, созданы площадки для развития высокотехнологичных ядерно-физических методов. Сегодня Курчатовский институт – уникальное место, где расположены установки, которые позволяют нам производить радиофармпрепараты любого рода. Вернее, производить изотопы, из которых они получаются: это реакторные изотопы, циклотронные, т.е. ускорительные, и даже в последнее время изотопы, которые получаются методом лазерной селекции. У нас создана сертифицированная линейка для производства и контроля радиофармпрепаратов, средств их целевой доставки.

М.В. Ковальчук - Директор НИЦ "Курчатовский институт"

М.В. Ковальчук - Директор НИЦ "Курчатовский институт"

- Получается, такие всем известные методы диагностики, как рентген или УЗИ, уже стали вчерашним днем?

Ни в коем случае. Все эти методы продолжают развиваться, аппаратура совершенствуется. Они дополняют друг друга, позволяют получить полную картину той или иной медицинской проблемы. Медицина сегодня не может обойтись без высоких технологий, основанных на достижениях физики: ультразвуковой диагностики состояния органов человека, рентгеновских, магнитно-резонансных, позитронно-эмиссионных систем томографии и т.д. В подавляющем большинстве методов современной диагностики используются различные свойства электромагнитного излучения.

Вспомните, что сначала появился рентгеновский метод. С помощью рентгеновского излучения в физике облучают вещество, а в медицине - ткани человека. Там, где большое поглощение, плотность ткани выше, например в кости, - там изображение светлое, а в мягких тканях – темное. То есть основная направленность рентгена была именно на диагностику состояния костей, их переломов и прочего. Уже более 100 лет рентгеновские исследования «на просвет» используются в каждой поликлинике и больнице для установления причин и лечения травм, болезней легких, в стоматологи и т.п.

Когда появилась ультразвуковая диагностика, стало возможным видеть мягкие ткани, внутренние органы – то, для чего рентгеновское излучение не столь эффективно. На каком-то этапе казалось, что рентген окончательно отошел на второй план. Но затем появился новый, усовершенствованный рентгеновский метод – компьютерная томография. Компьютерная обработка позволяет получить трехмерное изображение исследуемых органов.

- А магнитно-резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) – продолжение этой цепочки развития методов?

Нет, МРТ базируется на ином физическом принципе, когда на клетки воздействует сильное магнитное поле. Под его воздействием ядра клеток начинают колебаться. Регистрируя эти колебания, различные у определенных клеток, фиксируют, есть ли патология на том или ином участке.

Что касается метода позитронной эмиссионной томографии, здесь используется другое физическое явление. В онкологии чрезвычайно важно понять, как идет обмен веществ в каждой клетке. Известно, что в раковых клетках метаболизм гораздо выше, чем в здоровых. Вопрос - как его измерить? Универсальным топливом для всех клеток нашего организма можно назвать глюкозу. Соответственно, если пометить глюкозу все тем же радиоактивным короткоживущим изотопом и ввести ее пациенту, она мгновенно распределится по всему организму. С помощью регистрирующего устройства мы определяем, что в каком-то участке наблюдается повышенная концентрация меченой глюкозы, т.е. здесь идет активный метаболизм. Это почти прямое указание на наличие метастазов, особенно если известно, что уже есть первичная опухоль.

Получается, что все эти методы по своей сути ядерно-физические. При рентгене вы облучаете внешним источником пациента, смотрите, как рассеивается излучение на отдельных участках тела, на органах. В случае с МРТ - магнитным полем возбуждаете колебание собственных атомов тела. А при ПЭТ-томографии внешний источник, изотоп, вводится в организм и с помощью установленных детекторов следят за поведением этих радиоактивных излучателей.

В Курчатовском комплексе ядерной медицины

В Курчатовском комплексе ядерной медицины

- То есть радиоактивные изотопы – основа этого метода?

И не только его. Это крайне сложный с технологической точки зрения процесс – создание на основе короткоживущих изотопов радиофармпрепарата. Излучатель, который вводится в организм, необходимо сначала «наработать», для этого используется либо циклотрон - ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором они двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, либо нейтронный реактор. Очевидно, что это крайне сложные, радиационно опасные, дорогостоящие установки, на которых проводятся исследования в области ядерной физики. Еще важный нюанс – после того, как короткоживущий изотоп сделали радиофармпрепаратом, ввели его пациенту, через некоторое время он выводится физиологическим путем. В этом случае продукты жизнедеятельности организма еще какое-то время остаются радиоактивными, т.е. нужно утилизовать их специальным образом.

- Значит, иметь циклотроны в медицинских учреждениях бессмысленно?

- Нецелесообразно и небезопасно, если не знать всех тонкостей обращения с радиационно опасными объектами, не иметь необходимой инфраструктуры. Обслуживать циклотрон намного дороже и сложнее, чем тот же компьютерный или МРТ-томограф, да он и не нужен для повседневного медицинского использования. По сути, в Москве, например, оптимально иметь в специализированных институтах несколько таких циклотронов, на которых бы нарабатывались радиофармпрепараты. А пользователи-клиники имели бы у себя уже только регистрирующее устройство. Еще, конечно, крайне важен радиохимический комплекс. Это то, что касается диагностических исследований, которые нам подарила собственно ядерная физика.

- На территории Курчатовского института, насколько я знаю, есть даже свой завод по производству таких препаратов?

- У нас работает междисциплинарный научно-технический комплекс ядерной медицины, где мы можем производить радионуклиды и радиофармпрепараты на базе специализированного циклотрона с энергией 11 МэВ. На нем сегодня мы можем производить четыре типа диагностических препаратов. Это фтор, углерод, азот и кислород, которые применяются в том числе для диагностики онкологических заболеваний костной ткани. Другие используются в кардиологии – например, азот или кислород, который позволяет диагностировать болезни, развивающиеся в тех местах, где есть приток кислорода. Диагностика с помощью этих методов, особенно на ранних стадиях, в сочетании с другими известными методами позволяет не только определять то или иное заболевание, но и прогнозировать динамику их развития.

Контроль качества радиофармпрепаратов в Курчатовском комплексе ядерной медицины

Контроль качества радиофармпрепаратов в Курчатовском комплексе ядерной медицины

- Так все же что в сочетании «ядерная медицина» первично, а что вторично? Медицина или физика?

- Как физик, я, конечно, отвечу, что физика, вернее физико-химия. Судите сами: вы сначала должны наработать на ускорителе или реакторе изотоп. Затем с помощью сложной радиохимии превратить изотоп в радиофармпрепарат – лекарство, ввести его пациенту, поместить того внутрь сложнейшего ядерно-физического прибора, который осуществляет массу манипуляций и следит за движением этого радиоактивного изотопа внутри человеческого тела. Только затем компьютер обрабатывает результаты этого эксперимента и выводит картинку на экран монитора. То есть фактически врач - это конечный потребитель картинки.

Еще раз повторю, что подобные исследования могут быть радиационно опасными в случае неквалифицированного персонала, неправильных условий проведения эксперимента, несоблюдения необходимых условий техники безопасности при работе с такими объектами. Поэтому я глубоко убежден, что носителями, держателями и операторами этих технологий должны быть ядерно-физические институты, которые имеют соответствующие лицензии, многолетний опыт, высококвалифицированный персонал, а также системы и технологии для утилизации радиоактивных материалов. Такие физические институты должны производить изотопы в виде радиофармпрепаратов, которые затем на специальном транспорте доставляются в те клиники, где уже есть приборы для диагностики. То есть должна быть централизованная, четко структурированная сеть. В Москве и Подмосковье один только Курчатовский институт может, имея две площадки в столице и в Протвине, легко удовлетворить все потребности клиник в изотопах. И у нас уже налажено сотрудничество с рядом медицинских учреждений. Кроме того, есть Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, еще одна Курчатовская площадка в Гатчине, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкеpа Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) в Новосибирске, ядерные центры госкорпорации «Росатом» фактически по всей стране. То есть почти в каждом федеральном округе можно создать соответствующие центры на базе ядерно-физических институтов, которые будут способствовать развитию методов ядерной медицины. И тогда контакт, творческий союз между медиками и физиками, будет абсолютно очевиден и правилен.

- Получается опять та самая конвергенция, которую вы развиваете в Курчатовском институте?

- Да, в современной медицине особенно ярко видна необходимость конвергентного подхода: переплетение биотехнологий с нанотехнологиями, с когнитивными и информационными технологиями открывает принципиально новые возможности. Это касается и адресной доставки лекарств нанокапсулами, синтезирования новых лекарств с помощью белковой кристаллографии, создания новых биологических материалов. Уже сейчас с помощью конвергентных технологий создаются новые ткани человеческого организма и целые органы, таким образом, повышаются продолжительность и качество жизни людей. В этом, в частности, состоит глубинный социальный смысл конвергенции.

В уникальном Курчатовском НБИК-центре мы сегодня развиваем множество направлений. Так, в биологическом комплексе мы уже сейчас можем проводить весь спектр работ: от создания белковых субстанций, причем в достаточно больших количествах, до геномных исследований и, по сути, формирования искусственных биоподобных или биологических объектов, искусственной клетки. Благодаря современному оборудованию мы можем решать такую социально важную задачу, как ускоренный дизайн лекарств. Основа многих из них, в том числе и важных, - биологические макромолекулы типа белков, которые имеют рецепторные лиганды, регулирующие определенные функции в организме человека, усиливающие или подавляющие их, т.е. выполняют лекарственную функцию. К белковой молекуле поочередно биохимическими методами цепляются разные лиганды, при этом эффективность лекарств проверяется методом перебора. На Курчатовском синхротроне мы определяем строение этого белка, далее методами очень сложного биологического моделирования можем «прикреплять» различные лиганды и исследовать функциональные особенности этого лекарства, фактически «на листе бумаги» формировать новое лекарственное средство.

- То есть Курчатовский синхротрон тоже может использоваться для медицины?

- Фактически синхротронное излучение - инструмент для базовой диагностики практически во всех областях фундаментальной и прикладной науки, включая физику, химию, биологию, науки о Земле медицину, материаловедение, археологию и многое другое. Это уникальный генератор электромагнитного (рентгеновского, инфракрасного и ультрафиолетового) излучения, которое обладает прежде всего огромной яркостью, на много порядков ярче излучения лабораторных рентгеновских и оптических источников, и, что очень важно, белым спектром. Это означает, что с его помощью мы можем использовать различные методики, изучать любые образцы и исследовать их структуру буквально до размера атома. На ряде экспериментальных станций Курчатовского синхротрона мы изучаем структуру биологических молекул, видим их атомарную структуру, понимаем, как устроена молекула. Мы можем видеть структуру материалов, например ткани или кожи, и так далее вплоть до ангиографии. Причем, видя структуру поверхности, можно определить, что происходит внутри вещества на атомарном уровне. Мы можем также исследовать поверхность биологических мембран, их ионную проницаемость in situ и в модельных системах. Это важно в том числе для понимания механизмов биологического старения как взаимодействия со свободными радикалами. Такой ионный транспорт дает также и ответы о проникновении лекарства в клетку. Мы можем проверять эффективность действия различных препаратов, например при выведении из организма тяжелых атомов.

- Как вы неоднократно говорили, перед нами открываются уникальные пути соединения технологических возможностей микроэлектроники с нашими знаниями о живой природе. Вы можете привести какие-то примеры этого?

- Совершенно верно. Сейчас начинается новый этап развития, когда от технического, модельного копирования «устройства человека» на основе относительно простых неорганических материалов мы готовы перейти к воспроизведению систем живой природы путем конвергенции НБИКС-технологий. Приведу пример с регенеративной медициной, в основе которой — создание биосовместимых наноструктурированных материалов. Такой метод, как трансплантация тканей и органов, известен довольно давно. На следующем этапе уже начали выращивать ткани и полые органы из клеток, в том числе стволовых, на синтетических биосовместимых каркасах. И эта междисциплинарная задача объединяет и химию, и физику, и генетику, и молекулярную биологию, и медицину, и биоинженерию. Следующий этап - это 3D-печать органов с воссозданием даже анатомической архитектоники из полимеров и гистоархитектоники из клеток. Это крайне важно, например, для такого сложного органа, как печень.

ПЭТ-КТ-томограф в НИЦ «Курчатовский институт»

ПЭТ-КТ-томограф в НИЦ «Курчатовский институт»

Стереолитография – технология аддитивного производства моделей - крайне перспективна, т.к. с ее помощью можно детально изучать антропологические объекты, проводить реставрационные работы, ее можно применять для протезирования в медицине. Например, эти технологии уже используются для изготовления из полимера точно подогнанных по размеру (с помощью предварительно сделанной томографии) деталей черепа при нейрохирургических операциях. Путем напыления полимерных порошков с помощью лазерного пучка можно в буквальном смысле достраивать необходимые фрагменты, детали – это касается человеческого организма, археологических находок или же деталей для кораблей, самолетов и т.д.

В Курчатовском НБИКС-центре мы разработали целый ряд биоорганических, биосовместимых и биоразлагаемых материалов. Это хирургические нити и ортопедические устройства, имплантаты, каркасы для тканевой инженерии и т.д. - например, штифты для соединения позвонков, в которых можно регулировать время их биоразложения в зависимости от конкретной медицинской проблемы. Такой полимерный штифт можно использовать также как контейнер, помещая туда обезболивающий или антибактериальный препарат, который воздействует только на необходимую зону.

Мы имеем неплохие результаты и в тканевой инженерии. На коллагеновый синтетический каркас, некий биосовместимый матрикс, высаживаются стволовые клетки, в результате чего получаются полностью воспроизводимые свойства человеческой кожи. У нас разработаны также специальные антибактериальные неадгезионные покрытия, удерживающие влагу, что крайне важно при ожогах. Такое покрытие может напыляться с помощью ручного прибора непосредственно на рану или ожоговую поверхность прямо на месте, например в машине скорой помощи. Затем у пациента берут клетки, высаживают на матрикс, и через короткое время мы имеем уже аналог кожи, биосовместимой с конкретным пациентом. Мы ведем работы также с искусственной трахеей. У нас есть совместные исследования с Институтом хирургии им. А.В. Вишневского по искусственному сердечному желудочку. Это крайне сложная, многокомпонентная задача, где надо учитывать и свертываемость крови, и биосовместимость. Существует также проблема с заменой батарейки в кардиостимуляторе, нейроимплантате. Поэтому актуально создать биоэнергетическое устройство, которое бы работало за счет внутренней энергии организма. Ведь в ходе любых химических процессов в человеческом организме выделяется энергия, например при разложении глюкозы. Конечно, это какие-то микроватты, но возможно создать систему, которая собирала бы эту микроэнергию в некий конденсатор. По мере накопления, в момент разряда, этот конденсатор может давать импульс, который обеспечивает работоспособность, скажем, какого-то встраиваемого устройства. То есть создание биотопливных элементов можно выделить в отдельное важное направление.

- Неоднозначную реакцию вызвало ваше недавнее выступление в Совете Федерации, а именно та его часть, где речь шла об угрозах, связанных с развитием биотехнологий. Можно несколько слов об этом?

- Речь шла об опасности вмешательства человека вообще в окружающую среду, в природу. Условно эти угрозы можно разделить на два блока. Первый - биогенетический, когда на базе нанобиотехнологий мы можем создавать искусственные живые системы с заданными свойствами, в том числе и не существующие в природе. Как пример - искусственная клетка, которая с медицинской точки зрения крайне важна. С одной стороны, она может быть диагностом или целевым доставщиком лекарств. Но, с другой стороны, она сама может быть патогенной. Таким образом, одна подобная клетка, которая может саморазмножаться, потенциально может стать оружием массового поражения. При этом уже возможно создавать клетку, этногенетически ориентированную, т.е. опасную для конкретного этноса.

Второй блок угроз связан с когнитивными исследованиями, изучающими работу мозга, сознание. Современные когнитивные технологии открывают возможность для воздействия на психофизиологическую сферу человека. С одной стороны, это очень важно для медицины, например в биопротезировании. Благодаря развитию мозго-машинных интерфейсов, которыми мы тоже занимаемся в Курчатовском институте, можно помочь инвалидам, парализованным людям. Но, с другой стороны, существует обратная связь мозго-машинных или мозго-мозговых интерфейсов, с помощью которых можно создавать извращенную картину действительности в мозге человека, вызывая у него определенные эмоции, мысли и, как следствие, действия. По сути, речь идет об управлении индивидуальным и массовым сознанием. Отчасти мы уже видим, что происходит с массовым сознанием посредством Интернета.

- И контролировать это никак нельзя?

- В том-то и дело. Мы начали говорить об атомных технологиях, где может быть и военное применение, и гражданское. Но есть целый ряд методов, с помощью которых можно четко определить: это атомная станция, которая вырабатывает тепло и электроэнергию, а здесь нарабатывается оружейный плутоний. То же касается контроля ядерных взрывов по температуре, ударной волне, радиации. А в нано-, био-, когнитивных технологиях заложен изначально двойственный характер технологий, размыты границы между гражданским и военным применением, и как следствие – неэффективность существующих методов контроля, мы не можем предугадать последствия выхода искусственно создаваемых живых систем в окружающую среду.

Следующий фактор риска - доступность и относительная (по сравнению с ядерными технологиями) простота создания средств поражения даже в кустарных условиях, а также отсутствие необходимости сложных, дорогостоящих средств доставки. Ведь считанные страны до сих пор могут самостоятельно создавать ядерное оружие. Для этого надо обладать развитой наукой, промышленностью, экономической мощью. А технологии, о которых я говорил выше, можно сделать буквально на кухне. Соответственно, нужна принципиально новая система контроля, международной безопасности, ведь возникает угроза одностороннего владения этими технологиями.

- Позвольте закончить наш разговор все-таки на теме медицины. Какие перспективы у российской медицины?

Мы сегодня говорили о высоких технологиях в медицине, развивать которые совершенно необходимо и за которыми, несомненно, будущее. Тем не менее нельзя полагаться только на технологии. Ведь иногда самые современные методы не могут заменить диагностику по давно известным симптомам, цвету кожи, склер, запаху, дыханию. К сожалению, у современных врачей иногда отсутствует представление о том, как глубоко все взаимосвязано в человеческом организме, как, излечивая одно, не навредить другому. Наша медицина сегодня находится на перепутье: мы еще не утратили традиционное знание о медицине российских земских врачей с их колоссальным опытом и интуицией диагностов, основанной на знании нормальной физиологии человека, но при этом мы уже освоили и высокие технологии в медицине. Наша задача – максимально эффективно использовать и то и другое.

Подготовил Михаил Урядников

конвергенция наук медицина михаил ковальчук нбикс ниц «курчатовский институт» физика ядерная медицина

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий