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 Соединенных Штатах действует один лечебный центр в Сиэтле, штат Вашингтон. Центр в Сиэтле использует циклотрон, который производит пучок протонов, воздействующий на бериллиевую мишень.
Лучевая терапия убивает раковые клетки двумя способами в зависимости от эффективной энергии источника излучения. Количество энергии, выделяемой при прохождении частиц через участок ткани, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Рентгеновские лучи производят излучение с низкой ЛПЭ, а протоны и нейтроны производят излучение с высокой ЛПЭ. Излучение с низкой ЛПЭ повреждает клетки преимущественно за счет образования активных форм кислорода (см. Свободные радикалы) . Нейтрон не заряжен и повреждает клетки путем прямого воздействия на ядерные структуры. Злокачественные опухоли, как правило, имеют низкий уровень кислорода и поэтому могут быть устойчивы к излучению с низкой ЛПЭ. Это дает преимущество нейтронам в определенных ситуациях. Одним из преимуществ является, как правило, более короткий цикл лечения. Чтобы убить такое же количество раковых клеток, нейтронам требуется треть эффективной дозы, необходимой для протонов. [1] Еще одним преимуществом является установленная способность нейтронов лучше лечить некоторые виды рака, такие как рак слюнных желез, аденоидно-кистозный рак и некоторые типы опухолей головного мозга, особенно глиомы высокой степени злокачественности [2].
Когда рентгеновские лучи терапевтической энергии (от 1 до 25 МэВ) взаимодействуют с клетками тканей человека, они делают это в основном за счет комптоновских взаимодействий и производят вторичные электроны относительно высокой энергии. Эти высокоэнергетические электроны отдают свою энергию примерно 1 кэВ / мкм . [3] Для сравнения, заряженные частицы, образующиеся в месте взаимодействия нейтронов, могут передавать свою энергию со скоростью 30–80 кэВ/мкм. Количество энергии, выделяемой при прохождении частиц через участок ткани, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Рентгеновские лучи производят излучение с низкой ЛПЭ, а нейтроны производят излучение с высокой ЛПЭ.
Поскольку электроны, образующиеся в результате рентгеновских лучей, имеют высокую энергию и низкую ЛПЭ, при их взаимодействии с клеткой обычно происходит лишь небольшая ионизация. Тогда вполне вероятно, что излучение с низкой ЛПЭ вызовет только однонитевые разрывы спирали ДНК. Однонитевые разрывы молекул ДНК можно легко восстановить, поэтому воздействие на клетку-мишень не обязательно является смертельным. Напротив, заряженные частицы с высокой ЛПЭ, образующиеся в результате нейтронного облучения, вызывают многочисленные ионизации при прохождении через клетку, поэтому возможны двухцепочечные разрывы молекулы ДНК. Восстановление двухцепочечных разрывов ДНК гораздо труднее восстановить клетке и с большей вероятностью приведет к гибели клетки.
Механизмы репарации ДНК весьма эффективны [4] , и в течение жизни клетки восстанавливаются многие тысячи одноцепочечных разрывов ДНК. Однако достаточная доза ионизирующего излучения приводит к такому большому количеству разрывов ДНК, что это подавляет способность клеточных механизмов справиться с ситуацией.
Терапия тяжелыми ионами (например, ионами углерода) использует столь же высокую ЛПЭ ионов 12 C 6+ . [5] [6]
Из-за высокой ЛПЭ относительный радиационный ущерб (относительный биологический эффект или ОБЭ ) быстрых нейтронов в 4 раза больше, чем рентгеновских лучей, [7] [8] означает, что 1 рад быстрых нейтронов равен 4 радам рентгеновских лучей. . ОБЭ нейтронов также зависит от энергии, поэтому нейтронные пучки, производимые с разными энергетическими спектрами на разных установках, будут иметь разные значения ОБЭ.
Присутствие кислорода в клетке действует как радиосенсибилизатор , делая воздействие радиации более разрушительным. Опухолевые клетки обычно имеют более низкое содержание кислорода, чем нормальные ткани. Это заболевание известно как опухолевая гипоксия , поэтому воздействие кислорода снижает чувствительность опухолевой ткани. [9] Эффект кислорода может быть количественно описан коэффициентом усиления кислорода (OER). Обычно считается, что нейтронное облучение преодолевает эффект гипоксии опухоли [10] , хотя имеются и контраргументы. [11]
Эффективность нейтронных пучков при раке простаты была продемонстрирована в ходе рандомизированных исследований. [12] [13] [14] Терапия быстрыми нейтронами успешно применяется при опухолях слюнных желез . [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] Также лечили аденоидно-кистозную карциному . [23] [24] Были исследованы различные другие опухоли головы и шеи . [25] [26] [27]
Ни одно лечение рака не обходится без риска побочных эффектов. Нейтронная терапия – это очень мощный ядерный скальпель, пользоваться которым нужно с особой осторожностью. Например, некоторые из наиболее замечательных результатов лечения, которых удалось достичь, относятся к раку головы и шеи. Многие из этих видов рака невозможно эффективно лечить другими методами лечения. Однако нейтронное повреждение близлежащих уязвимых областей, таких как мозг и сенсорные нейроны, может привести к необратимой атрофии мозга, слепоте и т. д. Риск этих побочных эффектов можно значительно снизить с помощью нескольких методов, но устранить их невозможно. Более того, некоторые пациенты более восприимчивы к таким побочным эффектам, чем другие, и это невозможно предсказать. В конечном итоге пациент должен решить, перевешивают ли преимущества возможного длительного лечения риски этого лечения, когда он сталкивается с неизлечимым раком. [28]
Несколько центров по всему миру использовали быстрые нейтроны для лечения рака. Из-за отсутствия финансирования и поддержки в настоящее время в США действуют только три. Вашингтонский университет и Центр радиационной онкологии Гершенсона используют лучи терапии быстрыми нейтронами, и оба они оснащены многолепестковым коллиматором (MLC) для формирования пучка нейтронов. [29] [30] [31]
В отделении радиационной онкологии [32] имеется протонный циклотрон , производящий быстрые нейтроны путем направления протонов с энергией 50,5 МэВ на бериллиевую мишень. Циклотрон UW оснащен портальной системой подачи MLC для создания полей определенной формы. Система UW Neutron называется системой клинической нейтронной терапии (CNTS). [33] УНТС типичен для большинства систем нейтронной терапии. Требуется большое, хорошо экранированное здание, чтобы снизить радиационное воздействие на население и разместить необходимое оборудование.
Линия луча транспортирует пучок протонов от циклотрона к портальной системе. Портальная система содержит магниты для отклонения и фокусировки пучка протонов на бериллиевую мишень. Конец портальной системы называется головкой и содержит дозиметрические системы для измерения дозы, а также MLC и другие устройства формирования луча. Преимущество наличия механизма транспортировки луча и гентри заключается в том, что циклотрон может оставаться неподвижным, а источник излучения можно вращать вокруг пациента. Наряду с изменением ориентации лечебной кушетки, на которой располагается пациент, изменение положения гентри позволяет направлять излучение практически под любым углом, что позволяет сохранить нормальные ткани и получить максимальную дозу облучения опухоли.
Во время лечения в процедурном кабинете (называемом хранилищем) остается только пациент, и терапевты будут удаленно контролировать лечение, наблюдая за пациентом через видеокамеры. Каждая подача заданной геометрии нейтронного пучка называется полем или пучком лечения. Проведение лечения планируется таким образом, чтобы доставить излучение максимально эффективно, и обычно в результате образуются поля, соответствующие форме общей мишени, с любым расширением для охвата микроскопических заболеваний.
Центр нейтронной терапии в Центре радиационной онкологии Гершенсона при Онкологическом центре Карманоса/Государственном университете Уэйна (KCC/WSU) в Детройте имеет некоторое сходство с CNTS в Вашингтонском университете, но также имеет множество уникальных характеристик. Этот агрегат был выведен из эксплуатации в 2011 году.
В то время как CNTS ускоряет протоны, установка KCC производит нейтронный пучок, ускоряя дейтроны с энергией 48,5 МэВ на бериллиевой мишени. Этот метод создает нейтронный пучок с характеристиками глубинной дозы, примерно такими же, как у фотонного пучка мощностью 4 МВ. Дейтроны ускоряются с помощью установленного на гентри сверхпроводящего циклотрона (GMSCC), что устраняет необходимость в дополнительных магнитах для управления лучом и позволяет источнику нейтронов вращаться на 360° вокруг кушетки пациента.
Установка KCC также оснащена устройством формирования луча MLC, [34] единственным центром нейтронной терапии в США, помимо CNTS. MLC в центре KCC был дополнен программным обеспечением для планирования лечения, которое позволяет применять нейтронную лучевую терапию с модулированной интенсивностью (IMNRT), недавнее достижение в нейтронно-лучевой терапии, которое позволяет воздействовать на целевой участок опухоли большей дозой облучения, чем трехмерная нейтронная терапия. терапия. [35]
KCC/WSU имеет больше опыта, чем кто-либо в мире, в использовании нейтронной терапии рака простаты: за последние 10 лет они вылечили около 1000 пациентов.
Центр нейтронной терапии Фермилаб впервые принял пациентов в 1976 году [36] и с тех пор пролечил более 3000 пациентов. В 2004 году центром стал управлять Университет Северного Иллинойса. Нейтроны, производимые линейным ускорителем в Фермилабе, имеют самые высокие энергии, доступные в США, и одни из самых высоких в мире [37] [38] [39]
Центр «Фермилаб» был выведен из эксплуатации в 2013 году. [40]
