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 частицами по состоянию на август 2021 года является протонная терапия . [1]
В отличие от рентгеновских лучей ( фотонных пучков), используемых в старой радиотерапии, пучки частиц демонстрируют пик Брэгга при потере энергии через тело, доставляя максимальную дозу облучения в опухоль или вблизи нее и сводя к минимуму повреждение окружающих нормальных тканей.
Терапия частицами также технически называется адронной терапией , исключая фотонную и электронную терапию . Терапия нейтронным захватом , которая зависит от вторичной ядерной реакции, также здесь не рассматривается. Мюонная терапия, редкий тип терапии частицами, не входящий в категории выше, также изучалась теоретически; [2] однако мюоны по-прежнему чаще всего используются для визуализации, а не для терапии. [3]
Терапия частицами работает, направляя энергичные ионизирующие частицы на целевую опухоль. [4] [5] Эти частицы повреждают ДНК клеток тканей, в конечном итоге вызывая их смерть. Из-за сниженной способности восстанавливать ДНК раковые клетки особенно уязвимы для такого повреждения.
На рисунке показано, как пучки электронов, рентгеновских лучей или протонов с различной энергией (выраженной в МэВ ) проникают в ткани человека. Электроны имеют короткий пробег и поэтому представляют интерес только вблизи кожи (см. электронная терапия ). Тормозное рентгеновское излучение проникает глубже, но доза, поглощенная тканью, затем показывает типичный экспоненциальный спад с увеличением толщины. Для протонов и более тяжелых ионов, с другой стороны, доза увеличивается, пока частица проникает в ткань и непрерывно теряет энергию . Следовательно, доза увеличивается с увеличением толщины вплоть 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 распределения энергии заключается в том, что меньше энергии распределяется по здоровой ткани, окружающей целевую ткань. Это позволяет назначать более высокую дозу для опухоли, что теоретически приводит к более высокому уровню локального контроля, а также к достижению низкого уровня токсичности. [6]
Сначала ионы ускоряются с помощью циклотрона или синхротрона . Конечная энергия выходящего пучка частиц определяет глубину проникновения и, следовательно, место максимального энерговыделения. Поскольку легко отклонить пучок с помощью электромагнитов в поперечном направлении, можно использовать метод растрового сканирования , т. е. быстро сканировать целевую область, как электронный луч сканирует телевизионную трубку. Если, кроме того, изменять энергию пучка и, следовательно, глубину проникновения, можно охватить весь целевой объем в трех измерениях, обеспечивая облучение, точно соответствующее форме опухоли. Это одно из больших преимуществ по сравнению с обычной рентгеновской терапией.
В конце 2008 года в мире действовало 28 лечебных учреждений, и более 70 000 пациентов прошли лечение с помощью пионов , [7] [8] протонов и более тяжелых ионов. Большая часть этой терапии проводилась с использованием протонов. [9]
В конце 2013 года 105 000 пациентов прошли лечение протонными пучками [10] и около 13 000 пациентов прошли терапию ионами углерода [11] .
По состоянию на 1 апреля 2015 года в мире насчитывается 49 центров протонной лучевой терапии, в том числе 14 в США, а также 29 объектов в стадии строительства. Для углеродно-ионной терапии восемь действующих 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, которая использует пучок протонов для облучения больных тканей , чаще всего для лечения рака . Главным преимуществом протонной терапии перед другими типами внешней лучевой терапии (например, лучевой терапией или фотонной терапией) является то, что доза протонов депонируется в узком диапазоне глубины, что приводит к минимальному входу, выходу или рассеянной дозе облучения для здоровых близлежащих тканей. Высокие мощности дозы являются ключевыми в достижениях в лечении рака. PSI продемонстрировал, что для циклотронной установки протонной терапии с использованием импульсного охлаждения можно достичь замечательных мощностей дозы 952 Гр/с и 2105 Гр/с на пике Брэгга (в воде) для пучков 70 МэВ и 230 МэВ соответственно. В сочетании с фильтрами гребня, специфичными для конкретного поля, становится возможной FLASH-протонная терапия на основе пика Брэгга. [12]
Терапия быстрыми нейтронами использует нейтроны высокой энергии, как правило, от 50 до 70 МэВ, для лечения рака . 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 Соединенных Штатах. В Соединенных Штатах единственный лечебный центр, который все еще работает, находится в Сиэтле, штат Вашингтон. Центр в Сиэтле использует циклотрон, который производит протонный пучок, падающий на бериллиевую мишень.
Терапия ионами углерода (С-ионная ЛТ) была впервые применена в Национальном институте радиологических наук (NIRS) в Чибе, Япония, который начал лечить пациентов пучками ионов углерода в 1994 году. Это учреждение стало первым, кто использовал ионы углерода в клинических условиях, что стало значительным достижением в области терапии частицами для лечения рака. Терапевтические преимущества ионов углерода были признаны ранее, но NIRS сыграла важную роль в установлении их клинического применения. [13] [14]
C-ion RT использует частицы, более массивные, чем протоны или нейтроны. [15] Радиотерапия ионами углерода все больше привлекает научное внимание, поскольку технологические возможности доставки улучшились, а клинические исследования продемонстрировали ее преимущества в лечении многих видов рака, таких как рак простаты, головы и шеи, легких и печени, саркомы костей и мягких тканей, местно-рецидивирующий рак прямой кишки и рак поджелудочной железы, включая местно-распространенное заболевание. Она также имеет явные преимущества для лечения в противном случае не поддающихся лечению гипоксических и радиорезистентных видов рака, одновременно открывая дверь для существенно гипофракционированного лечения обычных и радиочувствительных заболеваний.
К середине 2017 года более 15 000 пациентов прошли лечение по всему миру в более чем 8 действующих центрах. Япония является заметным лидером в этой области. В настоящее время действуют пять учреждений лучевой терапии тяжелыми ионами, и в ближайшем будущем планируется построить еще несколько учреждений. В Германии этот тип лечения доступен в Гейдельбергском центре ионно-лучевой терапии (HIT) и Марбургском центре ионно-лучевой терапии (MIT). В Италии это лечение предоставляет Национальный центр онкологической адронной терапии (CNAO). Австрия откроет центр CIRT в 2017 году, а вскоре откроются центры в Южной Корее, Тайване и Китае. В Соединенных Штатах в настоящее время не работает ни одно учреждение CIRT, но несколько из них находятся на разных стадиях разработки. [16]
С точки зрения радиационной биологии, есть существенные основания поддерживать использование пучков тяжелых ионов при лечении онкологических больных. Все протонные и другие терапии пучками тяжелых ионов демонстрируют определенный пик Брэгга в организме, поэтому они доставляют свою максимальную летальную дозу в опухоль или вблизи нее. 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 диапазона пучка. Таким образом, ОБЭ пучка ионов углерода увеличивается по мере того, как ионы продвигаются глубже в область, лежащую в опухоли. [17] CIRT обеспечивает самую высокую линейную передачу энергии (ЛПЭ) из всех доступных в настоящее время форм клинического излучения. [18] Эта высокая подача энергии в опухоль приводит к множеству двухцепочечных разрывов ДНК, которые опухоли очень трудно восстановить. Обычное излучение производит в основном одноцепочечные разрывы ДНК, которые могут позволить многим опухолевым клеткам выжить. Более высокая прямая смертность клеток, вызванная CIRT, может также обеспечить более четкую антигенную сигнатуру для стимуляции иммунной системы пациента. [19] [20]
Точность терапии частицами опухолей, расположенных в грудной клетке и брюшной полости, сильно зависит от движения цели. Смягчение его негативного влияния требует передовых методов мониторинга положения опухоли (например, флюороскопической визуализации имплантированных рентгеноконтрастных реперных маркеров или электромагнитного обнаружения вставленных транспондеров) и облучения (стробирование, повторное сканирование, стробированное повторное сканирование и отслеживание опухоли). [21]