СПОСОБ ФОТОН-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ ОПУХОЛЕЙ
METHOD FOR PHOTON CAPTURE THERAPY OF TUMOURS

Изобретение относится к медицине, к лучевой терапии, и может быть использовано для гамма-терапии злокачественных опухолей внутренней локализации с применением препаратов, содержащих тяжелые металлы.
Известно, что причиной любого радиационно-индуцированного эффекта является поглощенная энергия излучения в клетках организма. Физические процессы взаимодействия фотонов с биологической тканью хорошо известны. В диапазоне энергий фотонов существующих рентгеновских аппаратов и установок для лучевой терапии от 10 кэВ до 30 МэВ превалирующее значение имеют процессы фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и образования электронно-позитронных пар. В результате поглощения квантов энергии возникают электронно-возбужденные состояния атомов и молекул вещества с последующей миграцией электронного возбуждения, что приводит к первичному фотоэлектрическому эффекту и запуску вторичных фотохимических реакций. В частности, при низких энергиях (10-100 кэВ) имеет место так называемый фотоэлектрический эффект. При более высоких энергиях фотонов (порядка 200 кэВ и выше) преобладающее значение имеет другой процесс - комптоновское рассеяние фотонов с возникновением вторичного излучения внутри среды. При действии на атомы среды фотонов с энергией более 1 МэВ известную роль начинает приобретать процесс образования электронно-позитронных пар с последующим рождением двух фотонов с энергией вдвое меньше энергии исходного фотона.
Таким образом, при взаимодействии фотонов с атомами, входящими в состав биологической ткани, энергия гамма-квантов претерпевает множественные акты превращений, в том числе за счет вторичного излучения, которые и производят повреждающее действие на клетки биологической ткани. Величина радиационного эффекта возрастает с увеличением выделенной энергии внутри биологической ткани.
Традиционным методом лечения онкологических заболеваний остается радиационное облучение (фотонная лучевая терапия) злокачественных тканей. На практике используются рентгеновское и гамма-излучения. Рентгеновское излучение обычно применяется для радиотерапии поверхностных новообразований в теле человека. Относительно более жесткое гамма- и тормозное излучение используется для облучения глубоко расположенных опухолей. Основным побочным эффектом при фотонной лучевой терапии злокачественных опухолей является лучевое поражение здоровых тканей, поэтому для минимизации такого поражения существует ряд способов.
Одним из таких способов является повышение радиочувствительности опухолевых тканей (радиомодификация тканей). Радиомодификация может проводиться за счет введения различных химических веществ - радиосенсибилизаторов.
Известен способ лечения больных местнораспространенными формами рака, сочетающий облучение опухоли гамма-излучением с применением химиотерапевтических средств - 5-фторурацила и цисплатина. 5-Фторурацил вводят ежедневно в течение 5 дней до общей дозы 5 г, затем в течение 7-9 дней ежедневно вводят цисплатин и проводят облучение зоны опухоли фотонным излучением гамма-терапевтической установки в режиме динамического мультифракционирования до суммарной дозы в облучаемой мишени 30-32,4 Гр. Через 10-12 дней лечение повторяют. При этом суммарная доза за полный курс лечения достигает 64,8 Гр, а продолжительность лечения составляет 36-40 дней [RU 2088288 С1, 27.08.1997]. Способ позволяет увеличить радиочувствительность опухолевых клеток в режиме динамического фракционирования дозы.
Недостатком этого способа является наличие побочных токсических эффектов при введении цисплатина, длительность курса лечения 36-40 суток, поражение нормальных тканей и различной тяжести лучевые реакции.
Известен способ фармацевтического применения радиоизлучения низкой энергии, в котором в опухоль вводят контрастный агент, в состав которого входят атомы йода, гадолиния или золота, после чего опухоль облучают рентгеновским излучением с энергией от 30 до 150 кэВ [US 6331286 B1, 02.04.2002].
Недостатком такого способа является использование контрастных средств в неизвестной лекарственной форме, что не обеспечивает нахождения в облучаемой мишени атомов указанных элементов на высоком уровне. Специальные исследования показывают, что введенные в опухоль контрастные средства имеют период полувыведения от 9 до 18 мин, в то время как сеанс лучевой терапии длится более 10 мин. Кроме того, для определения количества контрастного агента в опухоли используют сложную специальную аппаратуру (СТ-сканер), поэтому с момента введения препарата до завершения сеанса облучения проходит не менее 30 мин, что снижает дозу вторичного излучения в облучаемой мишени, - т.е. способ не позволяет получить максимальный терапевтический эффект. Для получения эффекта применяют рентгеновские установки с оптимизированными или высокоинтенсивными пучками, что усложняет и ограничивает практическое применение способа в условиях клиник.
Известен способ фототермолиза раковых клеток. Способ включает введение непосредственно в опухоль коллоидного раствора смеси глицерина и физраствора с золотыми наночастицами. При этом золотые наночастицы представляют собой золотые нанооболочки или наностержни. Плазменный резонанс наночастиц имеет спектральный максимум поглощения в области прозрачности биотканей на длине волны 750-1200 нм. Облучение раковых клеток проводят лазерным пучком с длиной волны излучения, совпадающей со спектральной областью плазменного резонанса. При этом для локального разрушения раковых клеток облучение производят последовательностью лазерных импульсов с длительностью лазерного импульса в диапазоне 1 мкс - 1 мс при минимальной скважности два и более [RU 2424831 С1, 22.12.2009]. Способ позволяет провести фототермолиз объемных опухолей на поверхности и в глубине биотканей при минимальном повреждении нормальных клеток.
Недостатком данного метода является его ограниченное применение, поскольку глубина проникновения лазерного излучения достигает нескольких сантиметров, что не позволяет использовать метод при глубоко расположенных опухолях.
Известен способ фотон-захватной терапии опухолей, взятый нами за прототип, включающий облучение опухоли рентгеновским излучением, в котором тяжелый элемент с порядковым номером Z=53, 55-83 вводят в состав препарата, содержащего один или несколько указанных элементов и с дополнительным содержанием лиганда в виде иминодиуксусной кислоты или ее производных, или краунэфиров, или порфиринов, а также водорастворимого медицинского полимера; препарат вводят системно или непосредственно в опухоль и проводят облучение рентгеновским излучением с энергией в диапазоне от 10 до 200 кэВ [RU 2270045 С1, 20.02.2006]. В качестве медицинских полимеров используют поливинилпирромедон, декстран или полиэтиленоксид, вводимый препарат представляет собой смесь комплексных соединений элементов с порядковыми номерами 53, 55-83 и водорастворимых ароматических йодированных соединений, а количество вводимого тяжелого элемента определяют по калибровочным кривым «доза-концентрация элементов в опухоли». При этом повышение терапевтической эффективности лучевой терапии происходит на 20-30% и не менее чем на 20-30% снижается лечебная доза фотонного излучения при сохранении терапевтической эффективности.
Недостатком способа-прототипа является использование только рентгеновского излучения, имеющего низкую проникающую способность, не позволяющего применять метод для глубоко расположенных опухолей. Использование только одного компонента (йод или гадолиний) для радиомодификации является малоэффективным.
Технической задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является увеличение дозы при лучевой (фотонной) терапии непосредственно в ткани опухоли, независимо от глубины ее залегания, при одновременном снижении нагрузки на нормальные ткани.
60
Поставленная задача решена тем, что в способе фотон-захватной терапии опухолей, заключающемся во введении непосредственно в опухоль средства, включающего йодированное контрастное вещество, с последующим электромагнитным облучением опухоли, согласно изобретению средство дополнительно содержит наноразмерные частицы золота, а в качестве электромагнитного облучения используют гамма-излучение Со.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа фотон-захватной терапии, заключается в повышении не менее чем на 10% терапевтической эффективности этого способа лучевой терапии и в снижении не менее чем на 10% лечебной дозы фотонного излучения при сохранении терапевтической эффективности.
60
Сущность изобретения заключается в том, что в биологический объект (суспензию злокачественных опухолевых клеток) вводят средство, содержащее атомы йода и наноразмерные частицы золота в виде коллоидного раствора золота, после чего на биологический объект воздействуют гамма-излучением Со. Для введения препарата используется интратуморальный путь.
В качестве источника йода применяют диагностические препараты, представляющие собой специально приготовленные нетоксичные комплексы йода с медленно деградирадирующими органическими лигандами, а также их смеси с йодорганическими соединениями, такие как ультравист 300, ультравист 370, верографин, урографин и другие.
60
Авторами предлагаемого способа фотон-захватной терапии опухолей впервые использовано сочетание приема введения непосредственно в опухоль средства, представляющего собой йодированное контрастное вещество и наноразмерные частицы золота, с облучением опухоли высокоэнергетическим гамма-излучением Со, что приводит к повышению поглощения энергии в опухолевой ткани на 10%.
Использование в заявляемом способе сочетания различных тяжелых элементов (золото и йод), находящихся в разных агрегатных состояниях, является более перспективным, так как при этом наблюдается более широкий спектр взаимодействия фотонов излучения с веществом.
Предлагаемый способ рассчитан на применение высокоэнергетического гамма- или тормозного излучения, что делает возможным терапию опухолей внутренней локализации, например опухолей легких, желудочно-кишечного тракта, лимфомы, женской и мужской половой системы. Опухоли перечисленных локализаций недоступны для рентгеновской терапии, применяемой в способе-прототипе.
Заявляемый способ предполагает использование серийных терапевтических гамма-установок, имеющихся в большинстве медицинских учреждений.
Таким образом, введение в опухоль наночастиц золота в сочетании с тяжелыми частицами йода с последующим облучением гамма-излучением приводит к появлению дополнительного вторичного излучения внутри опухоли, что увеличивает терапевтический эффект лучевой терапии.
Изобретение расширяет арсенал способов фотон-захватной терапии злокачественных опухолей внутренней локализации.
Экспериментальное подтверждение осуществимости заявляемого способа и его эффективности проводилось в два этапа.
Первый этап - in vitro - заключается в подборе препарата, при котором наблюдается увеличение эффекта поглощения излучения в биологической ткани.
Второй этап - in vivo - экспериментальное подтверждение торможения роста перевиваемой опухоли при облучении с использованием исследуемого препарата на лабораторных животных.
60
5
На первом этапе используют гамма-спектрометр с полупроводниковым детектором (детектор из сверхчистого германия, фирма производитель ORTEC, размеры кристалла: диаметр 46 мм, длина 49 мм, модель детектора GEM-15P4), два источника гамма-излучения Со (типа ОСГИ) с суммарной активностью ~2·10 Бк.
Облучаемые среды: 0,9% раствор NaCl как аналог биологической ткани; раствор коллоидного золота, в котором содержатся наночастицы золота; ультравист-300 - йодсодержащее контрастное диагностическое средство для внутрисосудистого, интратекального и внутриполостного введения.
60
На этапе in vitro измеряют энергетический спектр-излучения от радионуклидного источника Со при прохождении гамма-излучения через различные сочетания облучаемых сред, помещенных в полистироловые чашки Петри.
В качестве «контроля» измеряют показатели излучения, проходящего через пять пустых полистироловых чашек Петри. Изменение характера излучения в средах проводят путем заполнения чашек Петри растворами в различных сочетаниях и в различных количествах. Результаты измерений, которые изменялись в зависимости от помещенных в чашку Петри растворов, записывают в виде спектров излучения на гамма-спектрометре. Данные эксперимента обрабатывают общепринятыми статистическими методами. Далее в спектрах рассчитывают количество импульсов с энергией фотонов от 20 до 200 кэВ, которое составляет: для 4 см 0,9% раствора NaCl - (86,5±2,4) тыс. импульсов, для 4 см 0,9% раствора NaCl+0,5 см коллоидного золота (Au, 1-5 мг/мл) - (87,5±2,5) тыс. импульсов, для 4 см 0,9% раствора NaCl+0,5 см ультрависта-300 (I, 300 мг/мл) - (86,0±2,4) тыс. импульсов, для 4 см 0,9% раствора NaCl+0,5 см ультрависта-300 (I, 300 мг/мл)+0,5 см коллоидного золота (Au, 1-5 мг/мл) - (90,2±2,7) тыс. импульсов.
Результатом работы является расчет коэффициента усиления поглощенной энергии (КУПЭ) в биологической ткани, т.е. отношение поглощенной энергии при наличии наночастиц золота и тяжелых частиц йода в биологической ткани к поглощенной энергии в биологической ткани без наличия тяжелых частиц.
Результаты расчетов показывают, что в области низких энергий от 20 до 200 кэВ усиление поглощения сред выше единицы, т.е. имеется дополнительное поглощение излучения вследствие увеличения выхода низкоэнергетичных фотонов. Величины КУПЭ для различных сочетаний исследуемых сред представлены в таблице 1.
Таблица 1
Коэффициент усиления поглощенной энергии для различных сред
Энергия, кэВ
КУПЭ для различных сред, %
Без эффекторов
NaCl
NaCl+Au
NaCl+I
NaCl+Au+I*
20-70
100
109
110
108
113
71-110
100
106
107
104
109
111-145
100
111
112
110
115
146-180
100
110
112
110
117
181-220
100
109
111
109
115
*Au - наночастицы золота (40 нм) (1-5 мг/мл), I - ультравист-300 (300 мг/мл)
Анализ результатов эксперимента показал, что имеется тенденция к увеличению количества выхода фотонов с низкой энергией до 200 кэВ в сложных средах. Так, например, видно, что спектры излучения, проходящие через 0,9% раствор NaCl в сочетании с коллоидным золотом (NaCl+Au), имеют на 12% большую суммарную энергию в низкоэнергетичном диапазоне спектра, чем контроль (без эффекторов). Спектр излучения после прохождения сочетанной среды NaCl с коллоидным золотом и ультравист-300 (NaCl+Au+I) показал максимальное 17% увеличение количества выхода фотонов с низкой энергией, что в свою очередь может говорить о возникновении дополнительного излучения внутри сложной среды, содержащей NaCl, йод и наночастицы золота, как следствие появления низкоэнергетичных электронов. В свою очередь, усиление поглощения для среды, содержащей только NaCl, как и для среды, содержащей NaCl и ультравист-300 (NaCl+I), составляет не более 10% и практически не различается.
6
Второй этап in vivo проводят на 32 мышах - самках линии СВА, весом 22-24 г разводки вивария ТИБОХ ДВО РАН. Мышам под кожу задней правой лапы перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха в 0,5 мл физиологического раствора. Через 10 дней животным в зависимости от нахождения в группе проводят лучевую терапию на аппарате РОКУС AM в дозе 20 Гр. За 5 минут до облучения в зону опухоли шприцом вводят средство или физиологический раствор в соответствии с программой эксперимента. Животных разделяют на группы:
6
Группа К-1. Контроль. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней в область опухоли вводят 0,6 мл физиологического раствора.
6
60
Группа К-2. Контроль лучевой терапии. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней в область опухоли вводят 0,6 мл физиологического раствора. Облучение на аппарате Со в дозе 20 Гр.
6
Группа К-3. Контроль местного введения коллоидного золота. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней производят введение в зону опухоли 0,6 мл коллоидного золота в 50% разведении физиологического раствора.
6
Группа К-4. Контроль местного введения йодсодержащего контраста (ультравист-300). Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней производят введение в зону опухоли 0,6 мл ультравист-300 в 50% разведении физиологического раствора.
6
Группа К-5. Контроль местного введения йодсодержащего контраста в сочетании с коллоидным золотом: 0,3 мл ультравист-300+0,3 мл раствора коллоидного золота. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней производят введение в зону опухоли 0,6 мл смеси ультравист 300+коллоидное золото.
6
60
Группа Е-1. Исследование местного воздействия наночастиц золота и лучевой терапии. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней производят введение в зону опухоли 0,6 мл коллоидного золота в 50% разведении с немедленным облучением на аппарате Со в дозе 20 Гр. Контроль - продолжительность жизни+гистологическое исследование.
6
60
Группа Е-2. Исследование местного воздействия йодсодержащего контраста (ультравист-300) и лучевой терапии. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней производят введение в зону опухоли 0,6 мл раствора ультрависта-300 в 50% разведении физиологического раствора с немедленным облучением на аппарате Со в дозе 20 Гр.
6
60
Группа Е-3. Исследование местного воздействия йодсодержащего контраста с коллоидным золотом в сочетании с лучевой терапией. Мышам перевивают 5×10 клеток/мышь аденокарциномы Эрлиха подкожно в область задней правой лапы. Через 10 дней производят введение в зону опухоли смеси 0,3 мл ультрависта-300+0,3 мл раствора коллоидного золота с последующим облучением на аппарате Со в дозе 20 Гр.
Результаты воздействия вводимых средств на радиочувствительность опухолей у лабораторных животных оценивают по средней продолжительности жизни животных в группах. Данные приведены в таблице 2.
Таблица 2
Данные средних значений продолжительности жизни животных в группах
Группа
Продолжительность жизни в днях
К-1
54,75±3,66
К-2
53,75±4,42
К-3
61±0,0
К-4
58,5±2,84
К-5
58,5±2,59
Е-1
59,25±2,78
Е-2
62,00±0,57
Е-3
62,5±0,87
Из таблицы 2 видно, что максимальная продолжительность жизни животных отмечается в экспериментальной группе Е-3 (ультравист-300 + наночастицы золота + облучение). Продолжительность жизни в этой группе составляет 62,5±0,87 дней. Следующая по продолжительности жизни группа Е-2 (ультравист-300 + облучение). Различие групп Е-3 и Е-2 статистически недостоверно. Продолжительность жизни в группе Е-1 (наночастицы золота + облучение) составляет 59,25±2,78 дней. Однако имеется статистически достоверное различие в группе Е-3 со всеми группами контроля, что говорит о существовании механизма, усиливающего поглощение энергии внутри биологической ткани, содержащей частицы йода и наночастицы золота.