Что такое ядерная медицина
И как она помогает раковым больным
130 лет назад, в марте 1896 года, французский ученый Антуан Анри Беккерель выступил на заседании Парижской академии наук, где заявил, что открыл явление радиоактивности. За это открытие спустя семь лет он получил Нобелевскую премию. История развития науки показала, что радиацию можно использовать не только для создания оружия, но и для спасения людей. В Институте математики им. С. Л. Соболева СО РАН и Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича вместе с врачами из НМИЦ им. ак. Е. Н. Мешалкина, ФГБУ «НМИЦК им. ак. Е. И. Чазова», НМИЦ ДГОИ им. Дмитрия Рогачева разработан программный комплекс для улучшения диагностики малых новообразований и метастазов. В России это единственная группа математиков и физиков, которая занимается данной темой.
Процедура протонной терапии
Фото: Илья Питалев / РИА НОВОСТИ
Процедура протонной терапии
Фото: Илья Питалев / РИА НОВОСТИ
Излучение успокоения
Диагностика в ядерной медицине — это введение радиофармпрепарата, который накапливается в опухолевых клетках, и последующее исследование на аппарате однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ), либо позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
- Суть технологии в том, что пациенту вводят таргетную молекулу с радионуклидом.
- Вещество сконструировано таким образом, что оно попадает точно в нужный орган, а радионуклид ярко высвечивает место его накопления, испуская гамма-излучение.
- Затем уже решается математическая задача по расчету интенсивности и распределения этого излучения.
- На снимке с высокой контрастностью видны очаги, которые трудно обнаружить при компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ).
«Бывают доброкачественные опухоли, с которыми люди могут спокойно жить и даже не знать о них. На КТ или МРТ-снимках такие новообразования практически не отличаются от злокачественных, и пациент может получить большой стресс, если врач предположит онкологическое заболевание. Ядерная медицина во многих случаях позволяет различить доброкачественные и злокачественные поражения»,— поясняет доктор физико-математических наук, руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН Наталья Денисова.
Уровень излучения в ОФЭКТ невелик по сравнению с КТ. Некоторые особенно увлеченные своей работой ученые даже проводили исследования на собственном организме. С другой стороны, на КТ разрешение картинки заметно выше, и структуру очага повреждения видно лучше. Это важное преимущество при уже выявленном очаге, но не для поиска поражений. В ядерной медицине врач видит уровень накопления гамма-излучения в определенных местах именно в численных характеристиках.
Количественная характеристика накопленного излучения — это также главный маркер для отличия дегенеративных возрастных повреждений от метастатических, а также основной показатель в определении эффективности проведенного лечения, будь то лучевая или химиотерапия. Сейчас перед математиками стоит задача разработать систему, в которой каждый вид повреждений будет находиться в четком числовом диапазоне: при возрастных разрушениях тканей — одни показатели, при онкологических заболеваниях — другие. Возможность точной оценки через создание качественной математической модели — одна из важнейших задач для развития метода ядерной медицины.
Фото: Jacek Szydlowski / NurPhoto / Getty Images
Фото: Алексей Сухоруков / РИА Новости
Фото: Валерий Мельников / РИА Новости
Тераностика, или Два в одном
Некоторые радиофармпрепараты служат инструментом не только для диагностики, но и для лечения, поскольку в спектре их излучения есть и гамма-фотоны, и электроны, а также альфа-частицы (протоны и нейтроны), способные уничтожить опухоли небольших размеров и метастазы. Так появился термин «тераностика», означающий совмещение терапии и диагностики.
В частности, рак простаты лечится при помощи таргетного вещества, состоящего из белка ПСМА (простатоспецифический мембранный антиген) и радиоактивной части — лютеция Lu-177.
В мире благодаря появлению тераностики спасены десятки людей с раком простаты четвертой степени. Их буквально вернули к жизни, уничтожив множественные мелкие метастазы в костной ткани.
Костное метастазирование возникает примерно у 70% больных раком молочной, щитовидной и предстательной желез и примерно у 35% больных раком легких, поэтому развитие методов диагностики и терапии костных метастазов — проблема актуальная. Длина пути облучения (пробег электрона, испускаемого радионуклидом) составляет всего несколько миллиметров. Поэтому, в отличие от химиотерапии, данный метод нетоксичен для всего организма и действует непосредственно на опухолевые клетки, разрушая их. Впервые в истории этот метод показал свою эффективность, когда пациенту с раком щитовидной железы был введен радиоактивный йод I-131.
Выступая на научной конференции, директор Института ядерной медицины в Обнинске — российского лидера тераностики, заведующий радионуклидной терапии МРНЦ имени А. Ф. Цыба — филиала ФГБУ «НМИЦ радиологии» профессор Валерий Крылов сообщил, что позвонил своему спасенному пациенту специально перед мероприятием, чтобы справиться о его здоровье, и тот ответил, что прекрасно себя чувствует и прямо сейчас ловит рыбу на Волге.
Будет преувеличением назвать вышеописанный метод панацеей в онкологии — заболевания имеют свойство возвращаться. Но совершенно точно он продлевает многим пациентам жизнь на годы. Радионуклидная терапия дает надежду больным с запущенными формами рака. Данный метод может стать универсальным, если будут созданы таргетные молекулы для различных заболеваний. Выбор молекулы, которая доставляет излучение к опухоли, определяется ее способностью к связыванию с клетками опухоли.
Над созданием молекулы для адресной доставки радиоактивных веществ активно работают десятки биолабораторий во всем мире. На сегодняшний день такие молекулы уже существуют для некоторых видов рака груди, предстательной и щитовидной желез.
Кроме веществ для доставки развивается и радионуклидное направление — ученые создают радиофармпрепараты, излучающие не только гамма-частицы для визуализации очагов поражения, но и тяжелые бета- и альфа-частицы для их уничтожения.
Отдельное препятствие для широкого распространения ядерной медицины — ее стоимость. Это связано не только с дорогими препаратами и обследованиями, но и с тем, что метод пока не имеет широкого повсеместного внедрения, а применяется в научных лабораториях, лечение получают десятки и сотни пациентов, но не сотни тысяч.
ПЭТ-визуализация трансмембранного белка для тераностики при распространенном раке предстательной железы
Фото: SNMMI
ПЭТ-визуализация трансмембранного белка для тераностики при распространенном раке предстательной железы
Фото: SNMMI
Виртуальные опыты на математических телах
В ядерной медицине существуют жесткие ограничения на клинические испытания in vivo (на живых объектах), связанные с этическими и нормативными стандартами из-за лучевой нагрузки, а также с высокой стоимостью. Вместо реальных пациентов ученые проверяют свою технологию, проводя математические имитационные исследования in silico — на виртуальных двойниках. Математическая модель пациента может быть безопасно испытана в любых условиях, а компьютерные эксперименты проводятся без ограничений на клинические сценарии. Исследования с использованием математических моделей пациентов называются виртуальными клиническими испытаниями.
Метод виртуальных испытаний основан на разработке математических моделей пациентов и сканеров, программных кодов реконструкции изображений и прогностическом расчете поглощенных доз при радионуклидной терапии. Несколько научных групп в мире достигли больших успехов в создании анатомических человеческих моделей (фантомов) и технологий визуализации ОФЭКТ и ПЭТ. Однако в ядерной медицине необходимы персонализированные модели. Методология создания таких пациент-специфических фантомов — цифровых двойников реальных пациентов — разработана в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича. При моделировании сканеров ОФЭКТ и ПЭТ и расчете поглощенных доз золотым стандартом является метод Монте-Карло — математическая модель с применением генератора случайных чисел. Разработки цифровых двойников сканеров представлены несколькими программными кодами, созданными в научных группах США, ЕС и России. Отдельное направление виртуальных испытаний — виртуальное лечение цифрового двойника онкологического пациента.
«При исследовании ОФЭКТ пациент располагается внутри томографа, вокруг него вращаются гамма-камеры, которые регистрируют исходящее из его тела излучение под разными углами, и на экране отображаются очаги с наиболее высоким уровнем метаболизма,— рассказала инженер-исследователь лаборатории ИИ-технологий математического моделирования Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН Ангелина Нестерова.— Виртуальный пациент — это цифровая модель распределения радиофармпрепарата в органах и тканях. Мы сравнили реальные «сырые» данные пациента с проекциями, рассчитанными методом Монте-Карло для его цифрового двойника, и получили хорошее совпадение. В расчетах для цифрового двойника уровень накопления радиофармпрепарата соответствовал клиническим результатам реального пациента. Созданный нами программный комплекс позволяет оптимизировать метод ОФЭКТ/КТ для различных радиофармпрепаратов и типов сканеров».
Фото: Илья Питалев / РИА НОВОСТИ
Фото: Илья Питалев / РИА НОВОСТИ
Фото: Ytrottier / wikimedia
Эволюция за 100 лет
Специалисты утверждают, что ядерная медицина активно развивается последние 100 лет, но для обычного человека это звучит странно — почему так долго, если активно?
Заведующий отделением радиоизотопной диагностики отдела лучевой и функциональной диагностики НМИЦ им. ак. Е. Н. Мешалкина врач-радиолог, к. м. н. Станислав Минин пояснил, что в начале прошлого века за эти технологии буквально схватились, как за наиболее перспективные, и Мария Кюри, родоначальница этого метода, погибла от слишком вольного обращения с радиоактивными веществами. Большой скачок в развитии технология получила при переходе от диагностики к лечению. Тот же радий 223 оказался прекрасным источником альфа-излучения, которое разрушает метастазы.
Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри
Фото: Wikimedi / Общественное достояние
Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри
Фото: Wikimedi / Общественное достояние
Стронций 89 — бета-излучатель, который широко использовался для эффективного купирования болевого синдрома при метастазах, когда уже не помогают наркотические вещества. Но его применение сегодня резко ограничили, поскольку он оказался несовместим с процедурами химиотерапии, необходимой большинству пациентов.
Эволюция метода происходила неравномерно. Сегодня радиационная медицина — одна из самых эффективных методик. Уже появились гамма-камеры, которые позволяют выполнить полное обследование пациента всего за 20 минут.
Томографические срезы интенсивности гамма-излучения меченого 99mTc препарата
Фото: Wikimedia
Томографические срезы интенсивности гамма-излучения меченого 99mTc препарата
Фото: Wikimedia
«Главной проблемой развития и внедрения ядерной медицины остается невысокое качество картинки. Нам нужно научиться точно оценивать степень накопления излучения, и для этой цели математические модели визуализации очень хорошо подходят,— говорит Станислав Минин.— Мы вместе с сотрудниками Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича и с Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН сделали модели нескольких наших реальных пациентов и проверили степень соответствия виртуальных двойников и живых людей. По ряду зарубежных программ можно судить о примерных сроках массового внедрения программных технологий — он составляет в среднем около пяти лет. При этом очень активно параллельно развивается индустрия производства таргетных препаратов, увеличивается их линейка не только для диагностики онкозаболеваний. Так, например, в прошедшем году появился таргетный препарат для диагностики ревматоидного артрита. В мире в ядерной медицине для диагностики и лечения сегодня очень широко используется радионуклид технеций Тс-99m — искусственный гамма-излучатель, радиоактивный элемент, синтезированный из урана. К ядерно-нуклидным исследованиям относятся процедуры, которые нужны не только онкопациентам: любая сцинтиграфия использует радионуклиды, например, при диагностике ревматоидного артрита, болезней щитовидной железы и других иммунных заболеваний. Также по изучению интенсивности кровотока в миокарде с помощью сцинтиграфии можно видеть, имеет ли место ишемическая болезнь сердца».
Тему продолжает Наталья Денисова из Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН. «За прошедшую четверть века виртуальные испытания очень помогли в визуализации метастазов на снимках ОФЭКТ и ПЭТ,— поясняет она.— Произошла революция в самой методологии виртуальных испытаний — переход к цифровым двойникам реальных пациентов, адекватных клиническим измерениям. Перед ядерной медициной сейчас стоит главная задача — точная оценка накопления радиофармпрепарата в очагах поражения методами ОФЭКТ и ПЭТ, точная персонализированная дозиметрия при радионуклидной терапии и разработка новых эффективных радиофармпрепаратов. Виртуальные испытания помогут решению этих проблем».
Фото: Алексей Сухоруков / РИА Новости
Фото: Алексей Сухоруков / РИА Новости