Терапия частицами — это форма внешней лучевой терапии с использованием пучков энергичных нейтронов , протонов или других более тяжелых положительных ионов для лечения рака. Наиболее распространенным типом терапии частиц по состоянию на август 2021 года является протонная терапия . [1]
В отличие от рентгеновских лучей ( фотонных лучей), используемых в старой лучевой терапии, пучки частиц демонстрируют пик Брэгга в потерях энергии через тело, доставляя максимальную дозу облучения в опухоль или рядом с ней и сводя к минимуму повреждение окружающих нормальных тканей.
Терапию частицами также называют более технически адронной терапией , исключая фотонную и электронную терапию . Здесь также не рассматривается нейтронно-захватная терапия , зависящая от вторичной ядерной реакции. Также были предприняты попытки мюонной терапии, редкого типа терапии частицами, не входящего в вышеперечисленные категории; [2] однако мюоны по-прежнему чаще всего используются для визуализации, а не для терапии. [3]
Терапия частицами работает путем направления энергичных ионизирующих частиц на целевую опухоль. [4] [5] Эти частицы повреждают ДНК клеток тканей, в конечном итоге вызывая их гибель. Из-за пониженной способности восстанавливать ДНК раковые клетки особенно уязвимы к таким повреждениям.
На рисунке показано, как пучки электронов, рентгеновских лучей или протонов различной энергии (выраженной в МэВ ) проникают в ткани человека. Электроны имеют небольшой радиус действия и поэтому представляют интерес только вблизи кожи (см. электронная терапия ). Тормозное рентгеновское излучение проникает глубже, но доза , поглощенная тканью, демонстрирует типичный экспоненциальный спад с увеличением толщины. С другой стороны, для протонов и более тяжелых ионов доза увеличивается по мере того, как частица проникает в ткань и постоянно теряет энергию . Следовательно, доза увеличивается с увеличением толщины до пика Брэгга , который возникает вблизи конца пробега частицы . За пиком Брэгга доза падает до нуля (для протонов) или почти до нуля (для более тяжелых ионов).
Преимущество этого профиля энерговыделения состоит в том, что меньше энергии передается в здоровую ткань, окружающую ткань-мишень. Это позволяет назначать более высокие дозы опухоли, что теоретически приводит к более высокому уровню местного контроля, а также к достижению низкого уровня токсичности. [6]
Ионы сначала ускоряются с помощью циклотрона или синхротрона . Конечная энергия возникающего пучка частиц определяет глубину проникновения и, следовательно, место максимального энерговыделения. Поскольку луч легко отклонить с помощью электромагнитов в поперечном направлении, можно использовать метод растрового сканирования , т. е. быстро сканировать область мишени так же, как электронный луч сканирует телевизионную трубку. Если, кроме того, варьировать энергию луча и, следовательно, глубину проникновения, можно охватить весь объем мишени в трех измерениях, обеспечивая облучение, точно повторяющее форму опухоли. Это одно из больших преимуществ по сравнению с традиционной рентгеновской терапией.
По состоянию на конец 2008 года в мире действовало 28 лечебных учреждений, и более 70 000 пациентов прошли лечение пионами , [ 7] [8] протонами и более тяжелыми ионами. Большая часть этой терапии проводилась с использованием протонов. [9]
По состоянию на конец 2013 года 105 000 пациентов прошли лечение протонными пучками [10] и около 13 000 пациентов получили углерод-ионную терапию. [11]
По состоянию на 1 апреля 2015 года в мире имеется 49 объектов протонно-лучевой терапии, в том числе 14 в США и еще 29 объектов в стадии строительства. В области углерод-ионной терапии действуют восемь центров и четыре строятся. [11] Центры углеродно-ионной терапии существуют в Японии, Германии, Италии и Китае. Два федеральных агентства США надеются стимулировать создание по крайней мере одного центра терапии тяжелыми ионами в США. [11]
Протонная терапия — это тип терапии частицами, при котором пучок протонов используется для облучения больных тканей , чаще всего для лечения рака . Главное преимущество протонной терапии перед другими видами дистанционной лучевой терапии (например, лучевой терапией или фотонной терапией) заключается в том, что доза протонов осаждается в узком диапазоне глубины, что приводит к минимальной дозе входа, выхода или рассеянному излучению. к здоровым близлежащим тканям. Высокие мощности дозы являются ключом к успеху в лечении рака. PSI продемонстрировал, что для установки протонной терапии на основе циклотрона с использованием импульсного охлаждения можно достичь замечательных мощностей дозы 952 Гр/с и 2105 Гр/с на пике Брэгга (в воде) для пучков с энергией 70 МэВ и 230 МэВ соответственно. В сочетании с гребневыми фильтрами, специфичными для конкретной области, становится возможной протонная терапия FLASH на основе пика Брэгга. [12]
В терапии быстрыми нейтронами для лечения рака используются нейтроны высокой энергии , обычно от 50 до 70 МэВ . Большинство пучков терапии быстрыми нейтронами производятся реакторами, циклотронами (d+Be) и линейными ускорителями. Нейтронная терапия в настоящее время доступна в Германии, России, Южной Африке и США. В США действуют три лечебных центра в Сиэтле, Вашингтоне, Детройте, Мичигане и Батавии, штат Иллинойс. Центры в Детройте и Сиэтле используют циклотрон, который производит пучок протонов, воздействующий на бериллиевую мишень; Центр Батавии в Фермилабе использует линейный ускоритель протонов.
Терапия ионами углерода (C-ion RT) использует частицы более массивные, чем протоны или нейтроны. Углеродная лучевая терапия все больше привлекает научное внимание, поскольку технологические варианты ее проведения улучшились, а клинические исследования продемонстрировали ее преимущества в лечении многих видов рака, таких как рак предстательной железы, головы и шеи, легких и печени, саркомы костей и мягких тканей, местно-рецидивирующий рак прямой кишки, и рак поджелудочной железы, включая местно-распространенное заболевание. Он также имеет явные преимущества в лечении трудноизлечимых гипоксических и радиорезистентных раковых заболеваний, одновременно открывая возможности для существенно гипофракционированного лечения нормальных и радиочувствительных заболеваний.
К середине 2017 года более 15 000 пациентов прошли лечение по всему миру в более чем 8 операционных центрах. Япония была заметным лидером в этой области. В настоящее время действуют пять установок лучевой терапии тяжелыми ионами, и в ближайшем будущем планируется построить еще несколько установок. В Германии этот вид лечения доступен в Гейдельбергском центре ионно-лучевой терапии (HIT) и в Марбургском центре ионно-лучевой терапии (MIT). В Италии такое лечение проводит Национальный центр онкологической адронтерапии (CNAO). В 2017 году Австрия откроет центр CIRT, а вскоре откроются центры в Южной Корее, Тайване и Китае. В настоящее время в Соединенных Штатах не работает ни один объект CIRT, но некоторые из них находятся на разных стадиях разработки. [13]
С точки зрения радиационной биологии, существует немало оснований поддерживать использование пучков тяжелых ионов для лечения онкологических больных. Все виды лучевой терапии протонами и другими тяжелыми ионами демонстрируют определенный пик Брэгга в организме, поэтому они доставляют максимальную смертельную дозу в опухоль или рядом с ней. Это сводит к минимуму вредное излучение для окружающих нормальных тканей. Однако ионы углерода тяжелее протонов и поэтому обеспечивают более высокую относительную биологическую эффективность (ОБЭ), которая увеличивается с глубиной и достигает максимума в конце дальности действия луча. Таким образом, ОБЭ пучка ионов углерода увеличивается по мере продвижения ионов глубже в область расположения опухоли. [14] CIRT обеспечивает самую высокую линейную передачу энергии (LET) среди всех доступных в настоящее время форм клинического излучения. [15] Такая доставка высокой энергии к опухоли приводит к множеству двухцепочечных разрывов ДНК, которые опухоли очень трудно восстановить. Обычное облучение вызывает в основном одноцепочечные разрывы ДНК, которые могут позволить многим опухолевым клеткам выжить. Более высокая общая клеточная смертность, вызванная CIRT, также может обеспечить более четкую сигнатуру антигена для стимуляции иммунной системы пациента. [16] [17]
Точность терапии частицами опухолей, расположенных в грудной и брюшной областях, сильно зависит от движения мишени. Смягчение его негативного влияния требует передовых методов мониторинга положения опухоли (например, флюороскопическая визуализация имплантированных рентгеноконтрастных реперных маркеров или электромагнитное обнаружение вставленных транспондеров) и облучения (стробирование, повторное сканирование, стробированное повторное сканирование и отслеживание опухоли). [18]