ЛАУРЕАТ В НОМИНАЦИИ «ИНЖЕНЕРНОЕ РЕШЕНИЕ»

Лучевая терапия — воздействие на опухоли ионизирующим излучением или потоком частиц высоких энергий — больше столетия входит в число стандартных инструментов врачей-онкологов. Во многих случаях этот метод незаменим. Но, как и у химиотерапии, у него есть недостаток: радиация наряду с опухолевыми клетками повреждает и здоровые. Решением проблемы мог бы быть метод, который убивал бы избирательно только клетки опухолей, но никак не влиял на окружающие здоровые ткани.

И такая технология была предложена в 1936 году — это бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ). Препараты с содержанием изотопа бор-10 можно заставить накапливаться только в опухоли. В результате концентрация бора в раковых клетках может в десятки раз превысить его количество в здоровой ткани. Если затем облучить опухоль потоком нейтронов, атомы бора-10 будут захватывать нейтроны, превращаться в изотоп бор-11, а затем распадаться на атом лития и альфа-частицу. Энергия от этих распадов приводит опухолевую клетку к гибели, а здоровые клетки при этом никак не страдают.

Первые попытки использовать этот вид лечения опухолей проводили с помощью пучка нейтронов от ядерных реакторов. Только они могли обеспечить поток нейтронов нужной энергии (от 1 до 30 кэВ), которые, с одной стороны, проникают достаточно глубоко в ткани, а с другой — вступают в реакцию с бором с большей вероятностью, чем нейтроны других энергий. Их называют эпитепловыми нейтронами.

В 1970–1980-е годы японский врач Хироши Хатанака одним из первых добился успехов в лечении злокачественных опухолей, проводя операции, а затем облучая пациента нейтронами прямо в здании ядерного реактора. Подобные эксперименты затем проводились на реакторах научных центров в США, Финляндии, Швеции, Голландии, Аргентины, Италии. Всего лечение прошли более тысячи пациентов. Однако по политическим и экономическим причинам эти программы были свернуты. Медики и ученые должны были переключиться на другой источник нейтронов — ускорители частиц.

Во всех ускорителях, в том числе и на Большом адронном коллайдере, заряженные частицы разгоняются под действием электрических и магнитных полей. Но нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому на ускорителях сперва получают поток протонов (или дейтронов — ионов дейтерия), который затем бьет в мишень, где уже возникают нейтроны. Но физики, пытаясь создать ускорители для онкологов, столкнулись с множеством проблем. В частности, им не удавалось получить поток нейтронов строго нужной энергии: в пучке оказывались опасные для человека быстрые нейтроны или пучок не был достаточно интенсивен; также мишень, генерирующая нейтроны, слишком быстро деградировала под действием потока протонов.

Ученые из Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН под руководством Сергея Таскаева создали компактный ускорительный источник нейтронов нового типа. Установка, получившая название VITA, генерирует эпитепловые нейтроны, идеально подходящие для БНЗТ, и может размещаться прямо в клинике.

Установка состоит из ускорителя и литиевой мишени. В ускоритель вводят отрицательные ионы водорода, которые ускоряются под действием постоянного электрического поля и попадают в газовую «обдирочную» мишень, где они лишаются электронов. «Ободранные» ионы водорода — протоны — ускоряются тем же полем (поэтому эту схему называют тандемной) и попадают на литиевую мишень. Здесь протоны сталкиваются с ядрами лития, образуя ядра бериллия, что сопровождается испусканием нейтронов.

Таскаеву и его коллегам пришлось решить несколько непростых технических проблем. Помимо разработки оригинальной тандемной схемы ускорителя, которая дала поток протонов нужной интенсивности, они нашли способ избавиться от газовых пузырей на мишени, возникающих из-за накопления протонов в ней (блистеринга), с помощью добавления субстрата меди и покрытия из тантала и устранить нежелательные вторичные частицы при помощи создания высокого вакуума.

В результате ученым удалось благодаря установке VITA получить стабильный поток нейтронов — около миллиарда частиц на квадратный сантиметр в секунду с нужной для БНЗТ энергией.

В ходе предклинических исследований, проведенных группой Сергея Таскаева в Институте ядерной физики СО РАН в 2022 году, источник VITA использовался для лечения животных с опухолями. Ученые фиксировали значительное уменьшение размеров опухолей, у животных восстанавливался аппетит и общее состояние. В том же году установка VITA начала работать в Китае, где проводятся клинические испытания на пациентах с опухолями головы и шеи. В России планируется внедрение технологии в ведущих онкологических центрах.