Первая сибирская установка для терапии рака мозга

Ускоритель протонов, сделанный учеными Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, послужил прототипом для создания уникальной медицинской установки бор-нейтронозахватной (БНЗТ) терапии рака, при которой опухолевые клетки, насыщенные борсодержащим веществом, самоуничтожаются микровзрывом после облучения нейтронами. Сибирские физики совместно с компанией TAE Life Sciences (США) сконструировали и изготовили его по заказу крупного китайского холдинга New Boron. Это тот редкий случай, когда в научном институте сделана не исследовательская установка и даже не прототип будущего оборудования, а именно готовый медицинский прибор, который будет работать в клинике. В настоящее время идут переговоры о получении еще нескольких заказов на данную установку от компаний из нескольких стран, в том числе большой интерес проявило и Министерство здравоохранения.

Визит премьера правительства Михаила Мишустина в Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН

Фото: Предоставлено пресс-службой ИЯФ СО РАН

От России — Китаю

В конце 2020 года прибор для лечения рака головного мозга методом БНЗТ был изготовлен и отправлен в Китай для его дальнейшего использования непосредственно в онкологической клинике. К этой цели вся мировая ускорительная физическая наука шла почти с конца прошлого века. Но при кажущейся простоте технологии на пути исследователей возникали все новые препятствия. Менялись источники частиц, различные типы ускорителей — пробовались кольцевые (циклотроны) и линейные. Испытывались и разные виды мишеней (бериллиевые и литиевые), из которых полученные на ускорителях пучки «выбивали» необходимые для лучевой терапии нейтроны.

Взорвать опухоль изнутри

Бор-нейтронозахватная терапия — перспективная методика терапевтического лечения злокачественных опухолей путем накопления в них стабильного изотопа бор-10 и последующего облучения нейтронами. В результате поглощения нейтрона бором происходит ядерная реакция с большим выделением энергии именно в той клетке, которая содержала ядра бора, что приводит к ее гибели. Проведенные в разные годы клинические испытания на ядерных реакторах в США и Японии показали, что БНЗТ позволяет удалять глиобластомы мозга, метастазы меланомы и ряд других опухолей. Общее количество пациентов, получивших терапию, составило более тысячи человек.

Сибирские ученые реализовали в приборе свой собственный, оригинальный принцип, который впоследствии частично заимствовали и зарубежные коллеги при создании своих установок. Несмотря на многие патенты на конкретные технологии и на безусловное соблюдение авторского права, в мировой науке существуют глобальные цели, достижения которых крайне важно добиться в кратчайшие сроки. Для этого в разных странах сотрудничают научно-исследовательские группы с крупными зарубежными холдингами и концернами. Благодаря международному сотрудничеству сделан первый шаг: сейчас во всем мире сделано всего пять установок БНЗТ для лечения онкологии, а требуется их не менее тысячи. Три прибора есть в Японии, причем две установки уже работают в штатном режиме, еще одна — в Финляндии, и пятая, от ИЯФ СО РАН, скоро заработает в Китае.

25 лет от разработки до внедрения

Для внедрения методики в клиническую практику был изготовлен компактный источник нейтронов определенного, довольно узкого спектра энергии на основе ускорителя заряженных частиц. В 1998 году в Институте ядерной физики СО РАН специально для БНЗТ был предложен источник эпитепловых нейтронов на основе ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией и с литиевой нейтроногенерирующей мишенью. В 2008 году установка была впервые запущена, а в 2015 году на ней впервые в мире достигнуты параметры пучка, требуемые для БНЗТ. Высокое качество пучка нейтронов было многократно подтверждено экспериментами на клеточных культурах, проведенными в 2016–2017 годах совместно с сотрудниками клиники Университета Цукубы (Япония), и излечением мышей с привитой глиобластомой человека.

Первые обнадеживающие результаты применения БНЗТ при глиобластоме мозга были получены профессором Хатанака c коллегами в Японии, проводившими облучение тепловыми нейтронами на учебном реакторе Hitachi: более 200 пациентов с 1968 года. Среди них порой встречалась пяти- и даже десятилетняя выживаемость. Большой перерыв в работе по созданию установки для БНЗТ произошел в мире после взрыва на Чернобыльской АЭС. Ученые многих стран поняли, что риски трагедии при использовании ядерных реакторов слишком велики, и временно прекратили исследования. Да и сама идея создания технологии терапии рака на основании ядерных реакторов выглядела довольно неуклюже. Ведь ядерный реактор это не медицинский прибор, его нельзя поставить в клинику. Это так же неудобно и небезопасно, как и лечить пациентов на установках в исследовательских физических институтах.

Высшие чиновники против рака

Кроме невозможности тиражировать такие технологии, их абсолютной неокупаемости и опасности применения на пути ученых стояли не очень подходящие физические характеристики пучка нейтронов, который получался на реакторе. Для БНЗТ нужен был пучок гораздо меньшей энергии и намного более узкого спектра, что оказалось вполне достижимо на ускорителе. Спустя чуть более десяти лет после чернобыльской трагедии ученые международных физических сообществ вернулись к обсуждению БНЗТ, но уже с ускорителями в качестве источника нейтронов. С идеей отказаться от попыток создания БНЗТ на ядерных реакторах и первыми опытами получения пучка протонов нужной энергии на ускорителе у ученых появилась надежда на реальное внедрение этой технологии. Ускорительные источники пучков протонов, из которых с помощью прохождения через бериллиевую или литиевую мишень получали нейтроны, стали как грибы после дождя появляться в разных странах начиная с 2000-х годов.

За последние 25 лет было разработано множество проектов ускорительных источников нейтронов для БНЗТ. В 2010 году в Институте реакторных исследований университета Киото (Япония) компанией Sumitomo сделан циклотрон и получен протонный пучок. В результате сброса пучка на бериллиевую мишень излучаются нейтроны, которые с помощью системы формирования пучка замедляются, создавая поток нейтронов интенсивностью вдвое больше, чем на прежнем реакторе в университете Киото, где прошло 275 клинических испытаний. Несмотря на достижение проектных параметров, терапия на установке не велась из-за образования мощного потока быстрых нейтронов, которые опасны для человека. Тем не менее в эту разработку в Японии продолжался интенсивный поток вложений средств крупных компаний. Университет Цукубы сотрудничал с Mitsubishi, а в сооружении установки в Национальном онкологическом центре Токио участвовал Hitachi. Принципиально новое решение в конструкции предложил Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) — ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией электродов и литиевой мишенью.

Просто не было средств

Заместитель директора по научной работе Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, доктор физико-математических наук Александр Иванов

Одной из главных задач было создание источника нейтронов с особой энергией — эпитепловых. Слишком быстрые нейтроны давали повышенную дозу радиации на поверхности тела пациента, поскольку взаимодействовали с водородом, который в избытке содержится в живых тканях, рождая так называемые протоны отдачи. Слишком медленные — не доходили до расположенных внутри организма пациента опухолей. Еще в середине 1990-х годов в выступлениях американских физиков звучала мысль, что решение проблемы создания правильного нейтронного пучка с нужным током и энергией частиц относится больше к области финансовых затрат, чем к необходимости научных прорывов. Российский опыт создания такой установки отчасти подтвердил справедливость таких заявлений. Себестоимость создания такой установки составила около миллиарда рублей.

За последние 20 лет параметры пучка нейтронов постоянно улучшались, но самый мощный рывок технология получила в 2019 году, когда у российских ученых появился заказ на создание прототипа медицинской установки на основе ускорителя.

— Мы уже давно понимали, что необходимо сделать для улучшения характеристик, но, к сожалению, условий для реализации данного проекта не было. После заключения соглашений с нашими зарубежными коллегами за последние полтора года мы получили на порядок больше вложений в развитие проекта БНЗТ, чем за 15 прошедших лет вместе взятых, и к многолетней работе группы из трех человек присоединилась почти вся лаборатория,— признает реальные причины пробуксовки развития технологии руководитель работ, научный руководитель направления «плазма» в ИЯФ СО РАН Александр Иванов.— В этом смысле вопрос «как вам удалось так быстро сделать этот прибор» не совсем корректно задан. Правильнее спросить, почему нам так долго не удавалось его сделать после того, как установка была создана в 2005 году и план дальнейших действий стал очевиден. Знаете, наука ведь требует определенного финансирования. У нас просто не было средств. Это типичная проблема науки в России.

Но деньги — это ведь не самоцель, а некий маркер наличия или отсутствия интереса и доверия к перспективности темы, которой ученые занимаются. Есть интерес и доверие — будет финансирование, нет — не будет. Первыми к нашим работам по БНЗТ проявили настоящий интерес китайцы — они и получили установку. Но произошло это благодаря нашим американским коллегам, которые дали нам возможность бросить все ресурсы лаборатории — десятки сотрудников — на доведение имеющейся установки до устойчивых штатных параметров.

«Роснано» вложилась в безнейтронный термояд

Ускорительный источник для установки БНЗТ

Фото: Предоставлено пресс-службой ИЯФ СО РАН

Если Китаю эта установка была нужна для практического использования, то какую роль играла американская компания? Ведь права на свою разработку остались у сибирских физиков, а для чего этот проект был нужен компании TAE Life Sciences? На этот вопрос Александр Иванов пояснил:

— Наши права остаются у нас на территории РФ и стран ближнего зарубежья. В остальных странах права у инвестора, конечно, есть. У них уже есть заказчики на эти установки в Европе и США. Но главный ответ не в правах на прибор, а в отношении к инновациям и мироощущении в разных культурах и странах. Одни культуры существуют в своем крошечном уютном мире, а другие живут в огромном глобальном мировом пространстве, которым они еще и пытаются управлять, когда видят хоть малейший намек на такую возможность. Мы сотрудничаем с компанией TAE Life Sciences более 20 лет по самым разным, иногда очень сложным, далеким от мгновенной реализации темам. Например, они предложили сделать безнейтронный термоядерный реактор, которого пока нигде в мире не существует. Представляете, какой эффект в научном сообществе произвела их публикация о безнейтронном термоядерном реакторе? Они получили патент на некоторые решения этого проекта и вложили сотни миллионов долларов в проект, который имеет весьма отдаленные перспективы. Но это самый край, это острие научной мысли. И здесь не так важно, в какой точке мира появится эта технология, важно, что TAE Life Sciences будет иметь к ней прямое отношение. Кстати, среди инвесторов этого проекта есть и наши соотечественники в лице «Роснано». И, разумеется, не прогадали, ведь стоимость акций американской компании после этого увеличилась почти в 20 раз.

Вложения в технологии, которые обывателям могут казаться чем-то из области фантастики, это шанс на гигантский технологический прыжок и одновременно — серьезные риски, на которые не все готовы. С компаниями, которые постоянно вкладывают средства в передний край науки, работать невероятно приятно. Например, ты понимаешь, что время жизни и актуальные характеристики экспериментального оборудования, которое создается под конкретные проекты, составляет два-три года, а не 40–50 лет, как привыкли российские ученые. Не просто понимаешь, а ощущаешь на практике. Пока мы десять раз модернизируем оборудование, построенное во времена перестройки, в науке сменилась целая эпоха, соответственно, и вся приборная база. Но теперь, когда установка БНЗТ создана и скоро заработает, думаю, очень многие захотят ее иметь в своей стране. Создание установок для БНЗТ — это острая и насущная необходимость для борьбы с тяжелым заболеванием, которое приводит к летальному исходу в короткие сроки.

Правительство обещало 800 млн рублей

Макет клиники с установкой БНЗТ

Фото: Предоставлено пресс-службой ИЯФ СО РАН

Наладка установленного оборудования в Китае из-за пандемии происходит в режиме полной удаленности — через Zoom. Многочисленные сеансы связи занимают многие часы ежедневной работы, которая должна завершиться примерно в апреле-мае 2021 года. Всего в планах тайваньской корпорации New Boron установить десятки таких приборов на территории Китая. О работе с китайскими коллегами Александр Иванов отзывается с восхищением.

— Эти люди всегда делают ровно то, о чем мы с ними договорились, и это потрясает,— говорит он.— Вы себе не представляете, сколько у нас было договоренностей со многими отечественными компаниями и различными чиновниками, которые хотели инвестировать средства в создание установки БНЗТ.

Нет сомнений, что данные установки крайне необходимы и в России. Недавний визит премьера Михаила Мишустина в Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН показал, что интерес российского правительства к этой теме имеется.