Новые рубежи протонной терапии. Интервью с С.В. Акулиничевым

В 2020 году атомная промышленность отмечает 75-летний юбилей. Советские ученые стали первопроходцами в мирном использовании энергии атома. Первая в мире атомная электростанция, первый токамак, первый атомный ледокол — это главные вехи только первых 15 лет после старта атомного проекта. Но не менее значимым направлением в использовании мирного атома стала ядерная медицина. Современные ускорители частиц позволяют с высокой точностью поражать раковые клетки и излечивать множество людей. Прямо сейчас в Институте ядерных исследований РАН изучаются возможность уникальной ультра-флэш терапии, которая может ускорить лечение. Кстати, в 2020 году юбилей не только отрасли, но и самого Института ядерных исследований РАН. В декабре Институту исполняется 50 лет.

— Вы с отличием окончили физический факультет МГУ. Вы планировали посвятить свою исследовательскую деятельность именно медицинской ядерной физике?

— Нет, совсем не планировал. Для меня самого это стало неожиданностью. Я занимался физикой атомного ядра и элементарных частиц, и защитил кандидатскую диссертацию в Дубне, где как раз изучал теорию строения атомного ядра. Никогда не думал, что мои знания пригодятся для медицины.

Более того, здесь, в Институте ядерных исследований Российской академии наук, я защитил докторскую диссертацию тоже по релятивистской ядерной физике. И даже в тот момент я не предполагал, что займусь медициной. Всё произошло достаточно случайно.

В то время я уже выполнил цикл работ по ядерной физике в Институте ядерных исследований, директором которого был академик Виктор Анатольевич Матвеев. Однажды он зашел в мой кабинет и стал делиться наболевшим. Значимое для института направление — протонная терапия — затормозилось. Во время этого разговора на экране моего компьютера было изображение так называемого дозного распределения протонов — пик Брэгга. Это характерная черта протонов, которая дает им преимущество по сравнению с другими частицами. То есть на экране был просто график, описывающий взаимодействие протонов со средой. Виктор Анатольевич Матвеев увидел изображение и сказал: «Это судьба! Я тебя назначаю прямо сейчас ответственным за протонную терапию».

— Сложно было осваивать новую стезю?

— Конечно. Для меня эта сфера была совершенно новой. Приходилось читать много специальной литературы. Ведь речь шла не только об исследованиях. Я руководил строительством комплекса протонной терапии, который в то время уже возводился, но по существу не имел постоянного руководителя проекта. По вечерам я читал теорию элементарных частиц и свойства взаимодействия протонов со средой, а днем бегал по стройке. Тогда на месте этих помещений была грязь и строительный мусор. Я постигал особенности сантехники и бетонных блоков, и теорию элементарных частиц, и взаимодействия протонов с веществом. Проект стал новым и для России, аналогов на тот момент не было.

— Если говорить об ускорителе, который отлично работает и сегодня, насколько сложным было его строительство?

— Когда я начал заниматься этой темой, ускоритель уже работал. Но потребителей из области лучевой терапии не было. Помимо этого, была другая важная задача, связанная не столько с самим комплексом протонной терапии, сколько с проблемами доставки пучка от ускорителя сюда, в процедурную. Сам ускоритель удален от нас сейчас примерно на двести метров. Поэтому приходилось изучать и специфику транспортировки протонов, вопросы магнитной оптики, формирующие системы пучка, поворотные магниты.

— Сложно было оставить релятивистскую физику, изучение кварк-глюонной плазмы, в которой вы тоже достигли больших успехов, и переключиться на медицину?

— Да. Кварковые свойства атомных ядер, которые я изучал, были мне интересны, и я выполнил цикл работ, на которые, кстати, до сих пор ссылаются. Я рад, что этот многолетний труд стал значимым вкладом в науку.

Но когда я занялся протонной терапией, то понял, что это гораздо интереснее, поскольку это жизненно важная задача, в решении которой нуждаются обычный люди. Каждая семья в России так или иначе сталкивается с онкологией. И сама возможность сделать что-то полезное, конечно, захватывала больше, чем кварковые свойства атомных ядер.

— Когда назрела необходимость создания инновационного радиологического центра при институте?

— Изначально комплекс лучевой терапии был предусмотрен в проекте создания ускорительного комплекса. Решение о строительстве уже было принято до меня. Однако окончательного проекта подобного комплекса, оборудования и других строительных сооружений не было.

— Насколько он востребован сегодня?

— Хороший вопрос. Для лечения он не используется. В институте есть несколько лучевых установок. Кроме протонной лучевой установки, где мы находимся, есть конвенциональные лучевые установки: клинический ускоритель электронов и рентгенотерапевтический аппарат для лечения поверхностных опухолей,  а также компьютерный томограф.

На конвенциональных лучевых установках мы начали успешно лечить людей более десяти лет назад. В то время это была современная для Московской области лучевая технология, особенно с учетом наших доработок систем фиксации пациента.

Несколько лет назад больница Российской академии наук в Троицке стала переоформлять разрешительные документы. А лечение ведь проводят больницы, институт сам не имеет права лечить людей. В силу изменения некоторых законов, переоформление документов затянулось, а лечение на конвенциональных установках в Институте приостановилось.

На протонном ускорителе мы продолжали эксперименты по разработке технологии радиотерапии, но без участия пациентов. Буквально в прошлом году мы стали изучать особенности флэш-терапии. Это новое направление в лучевой терапии, когда всю дозу, предписанную врачом, подводят не за минуты или дни, а за полсекунды.

Оказалось, что, если так быстро подводить дозу с высокой мощностью в течение короткого периода времени, здоровые и опухолевые клетки реагируют по-разному: опухолевые погибают, а нормальные выживают примерно в два раза лучше, чем при стандартных условиях облучения.

Впоследствии выяснилось, что для подобного флэш-эффекта требуется очень высокая мощность подведения дозы. И тут мы обнаружили, что наш ускоритель протонов как раз обладает наибольшими возможностями для быстрого подведения дозы. Более того, он позволяет подвести ее не за полсекунды, как другие протонные ускорители, скажем, те, которые есть в Санкт-Петербурге или в Димитровграде, а за доли миллисекунды. То есть за сто микросекунд можно сразу подвести дозу всего курса лечения — порядка 50 грей.

— За счет чего это достигается?

— За счет высокого тока или высокой интенсивности нашего ускорителя. Он позволяет в течение всех ста микросекунд длительности импульса поддерживать высокую интенсивность пучка. В результате за один импульс к новообразованию подводится порядка 10¹³ степени протонов. Этого достаточно, чтоб сразу одним импульсом протонов вызвать гибель опухоли. При этом соседние нормальные ткани не будут повреждены. В этом прелесть данного метода и перспектива использования нашего ускорителя.

Никакой другой действующий ускоритель протонов не позволяет за сто микросекунд подвести всю дозу к опухоли. Мы уже провели первые доклинические исследования на клеточном материале. Специалисты центра облучали нормальные и опухолевые клетки на нашем ускорителе в ультракоротком флэш-режиме. Процесс облучения длится всего одну десятую миллисекунды. Результаты оказались лучше, чем мы ожидали.

Опухолевые клетки в данном режиме, который мы называем ультра флэш-режим облучения, повреждаются даже не в 2 раза, а в 5 раз эффективнее.  Соответственно повреждения нормальных клеток и тканей в 5 раз меньше. Более того, флэш-эффект работает даже в случае радиорезистентных опухолевых клеток, для которых ситуация намного сложнее. Когда клетки опухоли радиорезистентны, они мало подвержены лучевой терапии, и обычный флэш-режим в этом случае не работает. В результате нормальные клетки при подведении дозы будут повреждаться почти так же, как и опухолевые в рамках обычного флэш-режима или обычной лучевой терапии. В нашем режиме облучения по-прежнему существенно меньше повреждаются нормальные клетки.

Оказалось, что наш ускоритель позволяет реализовать те режимы, которые недоступны на других ускорителях протонов. Это не значит, что всех пациентов в будущем будут лечить на нашем ускорителе. Построить подобный ускоритель в больнице невозможно, ведь его длина — 500 метров. Однако полученный нами результат позволит при создании новых специализированных медицинских ускорителей учитывать преимущества исследуемого нами ультра флэш-режима.

В дальнейшем мы планируем завершить доклинические эксперименты с клетками, перейти на облучение экспериментальных животных. Если все пройдет хорошо, в будущем мы проведем и клинические испытания на пациентах.

На самом деле без флэш-режима, а тем более без ультра флэш-режима, о котором я рассказал, лечение на этом ускорителе было бы неоправданно. Он очень затратный, его очень сложно обслуживать. В течение месяца облучать одного человека на подобном ускорителе экономически нецелесообразно.

А облучить за доли миллисекунды пациента на ускорителе, чтоб он после этого пошел домой уже с разрушающейся опухолью имеет смысл даже с учетом всех затрат. Это наш план на будущее.

Сейчас мы продолжаем работать с клеточным материалом. Вместе с отечественными биологами облучаем разные культуры клеток, сравнивая условия облучения, то есть набираем статистику. Эксперименты продолжатся уже декабре.

А конвенциональные установки, которые есть в Институте, будут использоваться для рутинного лечения пациентов, после того как больница РАН восстановит свою разрешительную документацию.

— Когда речь идет о протонной терапии и использовании таких ускорителей, то подразумеваются ранние стадии онкологических заболеваний?

— Верно. Протоны редко используются для лечения множественных метастазов. Как правило, в данном случае это неэффективно. Обычно протоны используются для лечения так называемых солидных опухолей, то есть основных, первичных опухолей первой и второй стадии.

Однако флэш-терапия дает новые возможности, в том числе для лечения на более тяжелых стадиях, когда есть множественные метастазы. Я думаю, что врачи и медицинские физики, после того как будет подтверждена обнаруженная нами зависимость от мощности доз, начнут работать над новыми медицинскими технологиями облучения. И, возможно, лучевую протонную терапию можно будет использовать и на более поздних стадиях лечения. Пока эта работа находится на первых этапах.

— С какими академическими институтами или медицинскими организациями вы сотрудничаете?

— На данный момент у нас три ключевых партнера — больница Российской академии наук в Троицке, Российский научный центр рентгенорадиологии Минздрава России и Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

Также мы сотрудничаем с Медицинским радиологическим научным центром им. А.Ф. Цыба в Обнинске. Кстати, из филиала МИФИ в Обнинске к нам попадают молодые специалисты. Для нас это определенно выгодное сотрудничество.

— Вы уже рассказали о первых результатах научному сообществу?

— Да, недавно в Троицке состоялась седьмая Троицкая конференция по медицинской физике. Я представлял доклад о первых экспериментах. Они пока не опубликованы. Коронавирус замедлил обработку результатов, как и карантин в Российском научном центре рентгенорадиологии Минздрава, который обрабатывал результаты облучения на нашей установке.

Сейчас мы наконец обработали данные первых экспериментов и готовим научные публикации.

— Как отреагировали коллеги?

— Я заметил значительный интерес. Уже появились запросы из других институтов, в том числе из Объединенного института ядерных исследований в Дубне. В Обнинске и в других центрах, связанных с протонно-лучевой терапией, интерес значительный.

— Вы упомянули несколько городов — Обнинск, Санкт-Петербург, Димитровград, где сейчас установлены ускорители. В двух центрах из трех установлены зарубежные ускорители. Почему? В стране не хватает промышленных возможностей для строительства?

— Очень хороший вопрос. Да, к сожалению, Россия за последние несколько десятков лет отстает в области технологий для ускорителей протонов, особенно медицинских. В 90-е годы почти каждый второй европеец лечился с помощью лучевой протонной терапии в России. В то время страна занимала лидирующие позиции, в основном благодаря усилиям ИТЭФ — Института теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова, сейчас входящего в  Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" в Москве. Но затем началось серьезное отставание.

Современные центры в Санкт-Петербурге, в Димитровграде используют специализированные терапевтические ускорители протонов, созданные за границей.

В Обнинске работает отечественный ускоритель, но у него есть и преимущества, и недостатки, в том числе связанные с низкой интенсивностью. Флэш-терапия на нем недоступна, поскольку не хватает мощности пучка. На ускорителях IBA и «Varion» в Санкт-Петербурге и в Димитровграде, можно с некоторыми оговорками проводить обычную флэш-терапию. При этом ультра флэш-терапию, о которой я говорил, применять там тоже нельзя.

Сегодня специалисты Института ядерных исследований работают над созданием нового специализированного медицинского ускорителя протонов, который, по предварительным характеристикам, не будет уступать, а, во многом, будет даже превосходить западные аналоги. Мы работаем и в этом направлении, чтобы устранить отставание России от Запада по созданию специализированных ускорителей протонов для медицины.

— Это будет опытный образец или уже промышленный?

— Проект пока разрабатывается. Есть предварительная проработка, некий эскиз ускорителя с описанием его основных характеристик. В дальнейшем будут проработаны детальные расчеты всех элементов, а затем начнется изготовление. Для реализации такого проекта потребуются станки с высокой точностью обработки металлов, которых в институте на данный момент нет. Необходимо привлекать отечественных промышленных партнеров для создания такого ускорителя. Вся работа наверняка займет несколько лет.

— В институте наработан беспрецедентный опыт по работе с ускорителями. Обращались ли к вам за консультацией другие институты или организации, развивающих это направление?

— Конечно. Мы активно сотрудничали с ИТЭФ. Прямо сейчас они разрабатывают для центра в Санкт-Петербурге новую лучевую установку для протонной терапии онкологических заболеваний глаз. Со специалистами из ИТЭФ мы обсуждали вопросы, связанные с созданием позиционера — средства для точного перемещения пациента по отношению к пучку. Это сложное, достаточно дорогое, устройство, которое позволяет с точностью долей миллиметра реализовать план облучения, а значит подвести пациента под пучок в нужном положении не только по линейным характеристикам, но и по угловым перемещениям с учетом вращения пациента. При создании вот такого позиционера мы набрались опыта, которым поделились с сотрудниками из ИТЭФ.

— То есть спрос на исследования института есть?

— Конечно.

— А много ли в институте молодых ученых?

— Про весь институт не скажу, но, например, в моей лаборатории, которая была создана в 2006 году, сейчас трудятся 5 молодых научных сотрудников. Если брать по отношению к научным сотрудникам, то молодых — больше половины. В том числе из Обнинска, из МИФИ, из МГУ. Институт сотрудничает с многими учебными заведениями, выпускающими специалистов в этой области.

— Вы много лет посвятили ядерной медицине, протонным ускорителям. Оцените, насколько перспективна эта область в России, будет ли она развиваться и когда мы сможем догнать самих себя, преодолев отставание?

— Я думаю, что спрос на протонно-лучевую терапию в России, как и в других странах, сохранится. Поскольку кроме стандартных случаев, встречаются сложные локализации опухоли вблизи критически важных жизненных органов. Однако такая терапия — не панацея. Она не всем подходит. Только в 10-15% процентов случаев злокачественных опухолей пациентам требуется протонно-лучевая терапия. С появлением и внедрением флэш-терапии, о которой мы говорили, а тем более ультра-флэш-терапии, эта ситуация может еще больше измениться в сторону расширения применения протонно-лучевой терапии.

Представьте, что за доли секунды, а на нашем ускорителе за доли миллисекунды, человек избавляется от опухоли. Это захватывающая перспектива.

Напомню, что протонная терапия позволяет подводить дозу точно к опухоли, не только по поперечным к пучку координатам, но и по глубине. Протоны буквально останавливаются в опухоли на заданной глубине. Другие виды излучений зачастую проходят сквозь пациента, облучая все на своем пути. Точка остановки протонов определяется их энергией или скоростью: чем выше энергия — тем глубже до остановки проникают протоны. Поэтому, я думаю, что прямо сейчас открывается большая перспектива для лучевой терапии именно с точки зрения применения протонной флэш-терапии.