Бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) — перспективная методика лечения злокачественных опухолей: пациенту вводится препарат, содержащий нетоксичный стабильный изотоп бора — бор-10. Раковые клетки интенсивно накапливают этот препарат, так что его концентрация становится гораздо больше, чем в окружающих здоровых тканях. После этого пациент облучается потоком нейтронов. Ядра атомов бора обладают свойством поглощать нейтроны очень интенсивно в отличие от других ядер атомов, из которых состоит тело человека. При поглощении нейтрона ядром бора-10 происходит ядерная реакция с большим выделением энергии. Этот атомный микровзрыв, энергия которого выделяется практически внутри клетки размером около 10 мкм, уничтожает ее, но не оказывает существенного влияния на окружающие клетки.
Схематическое изображение реакции поглощения нейтрона бором-10
Фото: Alexander Makarov
Схематическое изображение реакции поглощения нейтрона бором-10
Фото: Alexander Makarov
Основная идея БНЗТ была сформулирована американским рентгенологом Гордоном Лочером в 1936 году, вскоре после открытия сэром Джеймсом Чадвиком нейтрона и исследования Гордоном Тэйлором и Морисом Голдхабером ядерной реакции поглощения нейтрона бором-10. Схематически эта реакция показана на рис. 1.
В развитии методики БНЗТ выделяют четыре периода.
Первый период связан с ранними клиническими испытаниями, проведенными в США в 1950-х годах на специально построенных двух ядерных реакторах. Испытания не продемонстрировали терапевтическую эффективность метода из-за слабой селективности и низкой концентрации бора.
Второй период определили пионерские работы японского доктора Хироши Хатанаки в 1970–1980-е годы. Он добился впечатляющих результатов: проводя в зале ядерного реактора хирургическую операцию, а затем облучая открытую опухоль нейтронами, он вылечивал больных с глиобластомами мозга, которым без терапии оставалось жить не более года.
Эти результаты дали толчок третьему периоду развития БНЗТ — клиническим испытаниям методики на ядерных реакторах уже без проведения предварительной хирургической операции. Были получены положительные результаты при лечении глиобластомы, меланомы, опухоли шеи, менингиомы, мезотелиомы плевры и гепатоцеллюлярной карциномы. Можно было внедрять методику в клиническую практику еще 30 лет тому назад, но из-за фобии после Чернобыльской аварии на реакторах для медицинских клиник был поставлен крест. Все взоры устремились к ускорителям заряженных частиц, на которых также можно получать нейтроны, но которые не так опасны, как реакторы, и которые, конечно, можно ставить в клиники. Как раз 30 лет тому назад была сформулирована задача получить нейтроны высокой интенсивности в узком энергетическом диапазоне — не быстрые и не медленные, а промежуточные, так называемые эпитепловые, наиболее удобные для лечения методом БНЗТ.
Было предложено множество разнообразных проектов. Предлагалось использовать различные типы ускорителей для получения протонов или дейтронов и различные мишени, в основном бериллиевые и литиевые, которые при попадании пучка из ускорителя генерируют нейтроны. В любом случае энергия генерируемых нейтронов оказывается выше, чем нужно для терапии. При этом требуется их замедлить, несильно потеряв в интенсивности нейтронного потока и не сильно уширить диапазон, в котором лежат их энергии. Лучше всего для БНЗТ генерировать нейтроны с как можно меньшей энергией, тогда в основном это будут нейтроны нужной энергии, а быстрых или медленных будет приемлемо мало.
Эта задача оказалась настолько сложной, что огромное большинство проектов закончились безрезультатно. Лишь десять лет тому назад компании Sumitomo удалось запустить циклотрон с высокой энергией протонов, но низким током и на бериллиевой мишени получить требуемый пучок нейтронов. Это было самое плохое решение с точки зрения качества пучка нейтронов — использовать ускоритель на высокую энергию, но зато реализуемое — величина тока ускоренных протонов была не заоблачная. За прошедшее десятилетие на этом ускорительном источнике нейтронов в Куматори (Япония) проведены необходимые исследования для получения лицензии, и новый источник, пригодный для клиники, сделан недавно для клиники Южный Тохоку в японской префектуре Фукусима — в этом или в следующем году на нем начнут лечить пациентов.
Лучшее качество пучка нейтронов реализуется в проекте Университета Цукубы: предлагается использовать ускоритель с меньшей энергией протонов, но с большим током. Проект, в котором к Университету Цукубы подключились компания «Мицубиси» и ведущие физические институты Японии KEK и JAERI, стартовал в 2011 году. К настоящему времени клиника БНЗТ в городе Токай близка к завершению и в следующем году войдет в строй.
Примерно 20 лет тому назад сотрудники Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске предложили реализовать не промежуточное, а сразу «идеальное» решение — генерировать нейтроны в достаточном количестве с наименьшей возможной энергией, для чего использовать протонный пучок низкой энергии, но высокой интенсивности и литиевую мишень.
Для получения сильноточного пучка протонов низкой энергии был предложен новый тип ускорителя заряженных частиц, который стал называться ускоритель-тандем с вакуумной изоляцией (VITA). Идеи, заложенные в основу конструкции ускорителя, оправдались, хотя и не сразу. Так, после того как 12 лет тому назад ускоритель был сделан, в нем был получен пучок с током, в 100 раз меньшим ожидаемого. В этом нет ничего удивительного, особенно для нового типа ускорителя. Удивительно другое, что после тщательного изучения процессов, происходящих в нем, и проведенной модернизации удалось увеличить ток протонов в эти самые 100 раз и первыми в мире сгенерировать пучок нейтронов, идеальный по качеству и достаточный по интенсивности.
Вторая идея «идеального» решения касалась выбора реакции генерации, при которой получаются нейтроны. Была выбрана реакция ускоренного протонного пучка с литием, которая является наилучшей для получения эпитепловых нейтронов. Именно ее следует использовать, несмотря на низкую температуру плавления, низкую теплопроводность и высокую химическую активность лития. И если 20 лет тому назад изготовление литиевой мишени казалось просто невозможным, о чем писали в уважаемых научных статьях, десять лет тому назад считалось, что ее можно сделать и использовать для терапии одного пациента, то сейчас мы знаем, как сделать практически «вечную» мишень, годную для терапии сотен пациентов.
Следует отметить, что все эти исследования проводились в инициативном порядке за счет средств более 20 грантов. Жаль, что, когда нам первыми удалось наконец решить эту сложную задачу, никто в России не рискнул вложить средства и построить клинику БНЗТ. Прорыв случился три года назад, когда с нашей разработкой познакомились в американской частной компании в солнечной Калифорнии и предложили совместно сделать установку для БНЗТ. И вот сейчас в бункере, соседнем с экспериментальной установкой, сотрудники института и американской компании собирают источник нейтронов, который после проверки уедет в Китай в одну из первых в мире клиник БНЗТ. Две клиники БНЗТ, в Хельсинки и в Токио, оснащаются источниками нейтронов с такими же параметрами, как наш, и также с литиевой мишенью, но с использованием других типов ускорителей, сделанных двумя другими командами исследователей, одной из США, другой из Японии. Так что нас ждет светлое будущее: в следующем году должны заработать все эти первые пять клиник БНЗТ.
Весной этого года Российский научный фонд поддержал заявку на модернизацию существующей экспериментальной установки, чтобы приспособить ее для проведения терапии к 2022 году. Целью не является сделать из экспериментальной установки в физическом институте Академии наук место для лечения больных — больных должны лечить в клинике, для которой институт может сделать такой источник, фактически прибор — сложный, уникальный, но прибор. Экспериментальная установка в институте должна остаться экспериментальной, чтобы на ней можно было проводить исследования для улучшения источника нейтронов, для тестирования новых препаратов адресной доставки бора, для отработки методики БНЗТ и для разработки средств дозиметрии. Помимо БНЗТ установка используется и будет использоваться для проведения исследований в других областях физики и техники. Так, она была уже использована для тестирования под потоком нейтронов специальной керамики, сделанной для международного термоядерного реактора ИТЭР в Кадараше (Франция). В следующем году, предполагается, на ней будут тестироваться оптические кабели для модернизации Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе (Швейцария).
Работы по БНЗТ в России не ограничиваются только исследованиями ИЯФ СО РАН, а потому в конце октября в Новосибирске состоятся 1-я Всероссийская конференция и Школа молодых ученых по БНЗТ, на которой согласились прочитать лекции десяток ученых с мировыми именами. Важное событие произошло в конце июля — Международное сообщество нейтрон-захватной терапии приняло решение провести 11-ю Международную школу молодых исследователей в области БНЗТ в 2021 году в Новосибирске. Это решение, конечно, факт признания заслуг ИЯФ, и будем надеяться на то, что оно ускорит появление в России клиник для БНЗТ, необходимых для лечения больных самой современной, высокотехнологичной методикой.