Как ядерная медицина помогает находить и лечить болезни

Технологии на стыке нескольких наук.

Что такое ядерная медицина

Это общий термин для области медицины, которая использует радиоактивные изотопы и радиофармпрепараты. С её помощью диагностируют и лечат разные заболевания. 

Впервые изотопы врачи применили в 40-х годах прошлого века. Тогда радиоактивный йод I-131 использовали для лечения рака щитовидной железы и гипертиреоза — заболевания щитовидки, при котором она производит слишком много гормонов. 

Доза излучения от применения радиофармпрепаратов обычно выше, чем та, которую можно получить во время рентгена или компьютерной томографии. Однако считается, что польза ядерной медицины больше возможного риска.

Как делают изотопы для ядерной медицины

Изотоп — это главный элемент радиофармпрепаратов. В их составе они помогают врачам диагностировать рак и изучать, как работают отдельные органы.

Для производства изотопов используют несколько видов оборудования:

• В ядерных реакторах изотопы получают через облучение мишеней из подходящих материалов.
• В циклотронах заряженные частицы разгоняются до высоких скоростей, а затем направляются на мишени, вызывая ядерные реакции. В результате образуются радиоактивные изотопы.
• В генераторах изотопов производят короткоживущие изотопы непосредственно перед их применением. Это происходит в результате распада долгоживущих «родительских» изотопов.

Какие методы диагностики есть у ядерной медицины

Перед процедурой пациент принимает радиофармпрепарат внутрь, получает внутривенно или в виде ингаляции. Препарат накапливается в поражённых органах или тканях и излучает энергию, а специальное оборудование фиксирует излучение и преобразует его в изображение. 

Во время обследования врачи получают двухмерные или трёхмерные снимки. Первые обычно используют для первоначального обследования, когда нужно общее представление о состоянии органов или их системы. Вторые — когда требуется более детальная оценка.

Доступны четыре метода диагностики, которые иногда комбинируют с другими видами исследований. 

Сцинтиграфия

Пациента укладывают на стол аппарата. Гамма-камера, расположенная вокруг него, фиксирует определённую часть излучения изотопов и передаёт данные на компьютер. Тот преобразует излучение в изображение. Результат выглядит как двухмерная модель органа или участка тела, на которой показаны места скопления вещества.

С помощью процедуры врачи могут обнаружить нарушение и определить его стадию. Так диагностируют заболевания костей, сердца, почек, лёгких и щитовидной железы.

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография

Процедура проходит как предыдущая, но изображения изучаемых участков получаются в 3D-формате.

ОФЭКТ обычно используют, чтобы оценить:

• насколько хорошо кровь поступает к сердцу или другим органам;
• какие области мозга более и менее активны;
• в какой области есть судорожная активность при эпилепсии;
• какие части кости поражены раком. 

Позитронно-эмиссионная томография

Процедура выглядит как предыдущие две и аналогично ОФЭКТ даёт результат в 3D-формате. Камера регистрирует процесс распределения вещества в организме, и это позволяет зафиксировать не только место скопления изотопов, но и метаболический процесс в тканях.

ПЭТ помогает выявить признаки рака, болезней сердца и головного мозга на ранних стадиях. С помощью метода также можно отличать доброкачественную опухоль от злокачественной. 

Радиоиммунный анализ

Это так называемая диагностика in vitro. То есть работа происходит, например, с кровью пациента в пробирке, а сам человек при этом излучению не подвергается. Метод помогает определять концентрацию нужных молекул: гормонов, ферментов, белков. 

Процесс выглядит так.

1. В лаборатории к образцу крови пациента добавляют радиоактивно меченые молекулы изучаемого вещества. Они идентичны немеченым молекулам, которые присутствуют в биоматериале.
2. К смеси добавляют антитела, которые специфически связываются как с немечеными молекулами из крови пациента, так и с радиоактивно мечеными, которые подготовили в лаборатории.
3. Затем связанные и несвязанные молекулы разделяют и измеряют в них радиоактивность. 
4. Результаты сравнивают с радиоактивностью стандартных образцов с известной концентрацией молекул. Это позволяет определить концентрацию изучаемого вещества в крови пациента. Чем меньше уровень радиоактивности, тем выше концентрация исследуемого вещества.

Комбинированные методы диагностики

Иногда несколько исследований объединяют в одно. Например, ОФЭКТ или ПЭТ проводят вместе с обычной компьютерной томографией. Получается более детальное изображение исследуемого органа или участка тела. На нём видно форму и размер изучаемого объекта, а ещё — как протекает патологический процесс.

Какие методы лечения существуют в ядерной медицине

Методов терапии несколько. Но они могут применяться вместе с другими видами лечения. Например, с химиотерапией и операцией или после них.

Брахитерапия

Вид лучевой терапии, при котором воздействие происходит на конкретную часть тела. Метод ещё называют внутренним облучением. В опухоль или рядом с ней помещают источник излучения — капсулу или имплант. Его оставляют на необходимое время, чтобы доставить нужную дозу радиации. Из-за этого повреждённые клетки не могут размножаться и отмирают.

Брахитерапию разделяют на внутриполостную и интерстициальную. Первую используют для лечения опухолей, расположенных в полостях тела: шейка матки, влагалище, трахея. Вторую применяют для лечения опухолей в тканях, например в простате или молочной железе.

Радионуклидная терапия

В лаборатории радиоактивное химическое вещество заранее соединяют с моноклональными антителами — молекулами, нацеленными на раковую клетку. После этого препарат вводят пациенту.

В организме он накапливается в определённых органах или опухолях. В процессе распада вещество излучает бета-частицы, которые убивают больные клетки и не трогают здоровые. Такую терапию ещё называют таргетной, потому что удаётся нацелиться на конкретный очаг в организме.

Метод применяют для лечения гипертиреоза, некоторых видов рака, а также для обезболивания при костных метастазах.

Высокодозная дистанционная лучевая терапия

В этом методе используются рентгеновские или гамма-лучи. Их направляют на опухоль с помощью линейного ускорителя или другого специального оборудования, которое находится на расстоянии 80–150 см от пациента.

При этом методе лечения могут повреждаться здоровые ткани, которые будут находиться на пути луча к опухоли. Чтобы снизить воздействие на них, врач направляет лучи под разным углом, тогда наибольшая концентрация получается только в месте их пересечения, а окружающие ткани получают меньшую дозу облучения.

Нейтронзахватная терапия

Метод также известен как бор-нейтронзахватная терапия. Это целенаправленная лучевая терапия рака, при которой пучки нейтронов уничтожают только опухоль, содержащую соединение бора, не вредя здоровой ткани.

Пациенту вводят препарат, содержащий изотоп бор-10. Он в большом количестве накапливается в опухоли, которую затем облучают потоком нейтронов. Бор-10 повышает чувствительность ткани к тепловому излучению. После облучения происходит ядерная реакция: изотоп взаимодействует с нейтронами, при этом выделяется большая энергия, и злокачественные клетки разрушаются.

Радиохирургия

Несмотря на слово «хирургия», пациенту не делают разрез и не убирают опухоль скальпелем. Так называют метод лечения рака точно сфокусированными лучами радиации. Результат от одного сеанса радиохирургии сравним с классической операцией.

Чтобы определить место поражения, перед процедурой проводят КТ или МРТ. 

У радиохирургии три метода:

1. Гамма-нож фокусирует лучи в конкретной точке поражения. Во время процедуры голову пациента фиксируют в специальной раме, чтобы луч попал точно в нужное место. Метод используют для лечения невралгии тройничного нерва или поражений головного мозга.
2. Системы линейного ускорителя (LINAC) используют рентгеновские лучи для лечения крупных опухолей или других поражений. К ним относятся кибернож, X-нож и другие. Во время лечения оборудование вращается вокруг человека, благодаря этому системы LINAC могут использоваться для лечения более крупных опухолей, чем позволяет гамма-нож. Также здесь нет необходимости жёстко фиксировать пациента — роботизированная система подстраивается под его движения.
3. Протонно-лучевая терапия использует протоны или нейтроны вместо рентгеновских и гамма-лучей. Её применяют при лечении опухолей или повреждений небольшого размера или неправильной формы. Во время процедуры пациент лежит, а протонный пучок направляется на образования с помощью специального оборудования. Метод считается точным, потому что позволяет метко нацелиться на опухоль и уменьшить повреждение окружающих здоровых тканей и жизненно важных органов. Это особенно ценно, когда рак находится близко к спинному и головному мозгу. Исследование на детях со злокачественной опухолью головного мозга показало, что протонная терапия имеет приемлемую токсичность, при этом даёт такую же эффективность, как и фотонная, где используются рентгеновские лучи.

Какие российские разработки используются в ядерной медицине

В России производят медицинские изотопы, фармпрепараты и оборудование для лечения. На отечественные разработки приходится 5% доли мирового рынка ядерной медицины.

Оборудование 

Есть несколько типов.

1. Линейный ускоритель «Оникс». Комплекс для лучевой терапии разработали учёные Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации, который входит в госкорпорацию «Росатом». В 2022 году аппарат получил регистрационное удостоверение. «Оникс» используют для дистанционной лучевой терапии. На аппарате можно подобрать уровень излучения для разных типов опухолей. Также он оснащён системами управления и визуализации. Это позволяет точно нацеливаться на место опухоли и снижать вред для здоровых тканей.
2. Аппарат контактной лучевой терапии «Брахиум». Разработка того же НИИТФА. По характеристикам комплекс «Брахиум» не уступает зарубежным аналогам, но на 15–20% дешевле них. Аппарат используют для брахитерапии в лечении онкологических заболеваний органов малого таза, молочной железы, пищевода, носоглотки и рта. С его помощью можно проводить процедуру с точностью введения источников излучения до 1 мм.
3. Комплекс дистанционной лучевой терапии «Торус». Проект оборудования разрабатывает тот же институт. Результат должен стать отечественным аналогом зарубежного аппарата. Комплекс планируют использовать для дистанционного лечения онкологических заболеваний. Размер максимального поля облучения аппарата будет отличаться от импортного аналога. Таким образом учёные хотят снизить риски переоблучения пациентов. По форме комплекс будет похож на аппарат для компьютерной томографии. Также у «Торуса» будет встроенная радиационная защита.
4. Ускоритель MSC-230. Проект Объединённого института ядерных исследований тоже пока в стадии разработки. Аппарат планируют использовать для диагностики и лучевой терапии. Он будет воздействовать на опухоль короткими сверхмощными пучками протонов.

Медицинские изотопы и радиофармпрепараты

Несколько российских компаний занимаются производством и экспортом медицинских изотопов и радиофармацевтических препаратов. 

Вот некоторые из них:

• Росатом и его подразделения — крупнейшие производители ядерных материалов в России.
• Химпром производит сырьё и химические соединения, которые используются в производстве радиофармацевтических препаратов.
• Государственный научный центр им. А. И. Бурназяна разрабатывает и производит радиофармацевтические препараты.