Опыт применения портативного отечественного нейтронного генератора в схемах гамма-нейтронной терапии домашних животных со злокачественными новообразованиями

Для диагностики и лучевой терапии пациентов со злокачественными новообразованиями могут быть использованы различные виды ионизирующего излучения, однако излучения с высокими значениями ЛПЭ (линейная передача энергии) эффективнее воздействуют на радиоре-зистентные или интенсивно растущие опухоли [1-3]. Терапевтический эффект от нейтронов может быть достигнут при меньших дозах, чем при других видах излучения [4, 5], поскольку они, во-первых, способны индуцировать множественные летальные для клетки двунитевые разрывы ДНК за счёт образования вторичных частиц – продуктов отдачи (протоны и тяжёлые ионы) с высокой ЛПЭ и, во-вторых, развитие биологического эффекта практически не зависит от фаз клеточного цикла и насыщения клеток кислородом.

Источниками быстрых нейтронов для медицинских целей, как правило, служат ускорители заряженных частиц, нейтронные генераторы, реакторы. В настоящее время в мире проводится лечение в семи центрах нейтронной терапии (из 24 созданных) [6]: 3 центра находятся в США – Батавия (Лаборатория Ферми, линейный ускоритель протонов, 70 МэВ, начало работы 1976 г.),

Корякин С.Н. * – зав. лаб., к.б.н.; Исаева Е.В. – с.н.с., к.вет.н.; Ульяненко Л.Н. – в.н.с., д.б.н., проф.; Лычагин А.А. – зав. лаб., к.ф.-м.н.; Ульяненко С.Е. – зав. отделом, д.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФБГУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России. Кайдан Н.А. – терапевт-онколог. Вет. центр «Велес».

Детройт (циклотрон, d(48,5)+Be, 1990 г.), Сиэтл (циклотрон, 50 МэВ, 1984 г.); 2 центра в России – Снежинск (нейтронный генератор НГ-12И, D-T реакция, энергия нейтронов 12-14 МэВ, 1999 г.), Томск (циклотрон У-120, энергия нейтронов 6,3 МэВ, 1984 г.); 1 центр в ЮАР, Кейптаун (Лаборатория Итемба, циклотрон, p(66)+Be, 1988 г.); 1 центр в Германии, Мюнхен – реактор FRM-II.

В Обнинске на горизонтальном пучке Б-3 реактора БР-10 с 1985 г. применяли нейтронное излучение в целях терапии онкологических больных [7], но после вывода реактора из эксплуатации (2002 г.) клинические исследования прекратились.

Одной из причин ограничения применения нейтронного излучения для лечения онкологических больных является высокий риск развития тяжёлых местных поздних лучевых повреждений [8, 9]. Поэтому нейтроны редко применяют в самостоятельном варианте, чаще в смешанных фотонно-нейтронных курсах облучения, в том числе до или после проведения хирургической операции. Сочетанная фотонно-нейтронная терапия позволяет сохранить преимущества нейтронного облучения и одновременно ослабить его негативное воздействие, предоставляя возможность расширить показания к её применению [9, 10]. В России сочетанная фотоннонейтронная терапия проводится, в основном, у пациентов с радиорезистентными и местнораспространёнными злокачественными новообразованиями, такими как опухоли околоушной слюнной железы, щитовидной железы, местнораспространённый рак молочной железы и его рецидивы, рак гортани и гортаноглотки [10-12].

Как правило, источники нейтронов – массивные циклотроны, созданные для решения физических задач и лишь приспособленные для медицинских целей [10]. Этим недостатком (громоздкость и удалённость источников излучения от клиник), в первую очередь, объясняется сдержанное использование нейтронного излучения в онкологии. Применение малогабаритных портативных генераторов нейтронов внутриклинического размещения позволит значительно расширить возможность использования нейтронной терапии в различных медицинских учреждениях.

Во ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» (Москва) совместно с МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России разработаны и изготовлены портативные нейтронные генераторы (ПНГ) с энергией нейтронов 14,1 МэВ импульсного (ИНГ-031) и непрерывного (НГ-14) действия, ведутся работы по разработке ПНГ типа НГ-24 для внутриклинического размещения. Спроектировано устройство для дистанционной терапии быстрыми нейтронами на базе генератора НГ-24 с использованием ядерной реакции 3Т(d,n)4Не с потоком нейтронов ~1011 н/с [13]. На устройство для лучевой терапии быстрыми нейтронами и аппарат для дистанционной нейтронной терапии получены патенты на изобретения [14, 15].

В МРНЦ им. А.Ф. Цыба разработан оригинальный подход повышения эффективности подавления опухолевых клеток за счёт применения фотонного и нейтронного излучений с определённым вкладом [16]. Результаты экспериментальных исследований с использованием ПНГ дают основание для развития фотонно-нейтронной терапии в России. Установлено, что импульсное и непрерывное нейтронное излучение с энергией 14,1 МэВ не отличаются по своей эффективности при действии на культуру клеток мышиной меланомы В-16 [17, 18]. Результаты одновременного облучения той же культуры гамма- и нейтронным излучениями показали, что при вкладе последнего в суммарную дозу 15-30% наблюдается синергизм [16]. Подтверждение обнаруженного эффекта в опытах in vivo позволит откорректировать дозу облучения в схемах лучевой терапии в меньшую сторону и за счёт этого снизить вероятность повреждения здоровых тканей при сохранении того же уровня противоопухолевой эффективности.

Целью настоящих исследований явилось апробирование отечественного портативного нейтронного генератора в схемах гамма-нейтронной терапии домашних животных с различными клиническими случаями злокачественных новообразований разной локализации.

Материал и методы

Источники ионизирующего излучения . В качестве источника нейтронного излучения использовали портативный импульсный генератор ИНГ-031, разработанный во ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», Москва. Генератор позволял получить импульсный поток нейтронов интенсивностью до 6 - 10 9 н/с с длительностью импульса 1 мкс и частотой повторения 50 Гц. Высокая степень моноэнергетичности нейтронного излучения генератора упрощает дозиметрию и расчёт распределения радиационных полей.

Источником гамма-излучения служила терапевтическая установка «Луч» (⁶⁰Со, Е ср =1,25 МэВ).

Дозиметрия. Дозиметрия нейтронного и гамма-излучения обеспечивалась с помощью приборов «Измеритель нейтронного потока автоматизированный» (ИНПА), разработки ВНИИА, дозиметров ДКС-101 и UNIDOZ с ионизационными камерами. Погрешность определения поглощённой дозы составляла около 15%. При использовании гамма-источника дозу рассчитывали на основе взаимосогласованной совокупности расчётных, паспортных и измеренных дозиметром данных.

Для получения требуемых терапевтических доз центр опухоли размещали по оси генератора на расстоянии 5-6 см от мишени генератора. Поглощённую дозу определяли расчётом, исходя из полного выхода нейтронов из мишени с использованием табличного коэффициента преобразования потока нейтронов в дозу (керма-фактора k f ) [19] и геометрического фактора G [20], учитывающего геометрию эксперимента (расположение объекта облучения относительно мишени генератора).

G определяли по формуле: ln 1

h ² + r² - r ² + _v⁴ + 2 r ² ( h² - R ² ) + ( h ² + R ² ) ²

G =         2 ^-                                           2                                       ,

4 nr2                             2h где r – радиус мишени генератора, см, R – расстояние от оси пучка до центра объекта облучения, см, h – расстояние от центра мишени до объекта по оси пучка, см.

Продолжительность облучения фиксировали по показаниям мониторного детектора ИНПА, который заранее, до опыта калибровали на полный выход нейтронов из мишени генератора. В свою очередь, определение потока нейтронов в процессе калибровки мониторов проводилось с помощью трековых детекторов. В этом случае выход нейтронов из мишени рассчитывали по формуле N 0 = F / G , где F - поток нейтронов в точке с координатами ( h , R ) при эффективном радиусе мишени r , определённом по данным, полученным с помощью трековых детекторов и активационного анализа. Оба эти метода позволяют определять нейтронную составляющую поглощённой дозы.

В качестве трековых детекторов использовали детекторы деления из набора ДКН-2 (ВНИИФТРИ, Менделеево) на основе слюды с делящимися изотопами-мишенями 238U, 237Np. Выбор этих изотопов обусловлен тем, что реакции деления на них являются пороговыми (0,4 и 0,6 МэВ соответственно), что в значительной мере режектирует регистрацию неупругорассеянных и замедленных в результате многократных упругих соударений нейтронов с материалами конструкции генератора, окружающего оборудования, а также полностью тепловые и эпитепловые нейтроны из защиты, стен, пола, оборудования.

При облучении нейтронами генератора ИНГ-031 биологический объект подвергается также воздействию сопутствующего гамма-излучения, которое включает в себя тормозное излучение дейтронов в ускоряющей трубке генератора, мгновенное и активационное излучение в результате взаимодействия нейтронов с материалами мишени и окружающего оборудования. Сопутствующее гамма-излучение даёт вклад в поглощённую дозу по экспериментальным данным до 20%.

Режим облучения определяли, исходя из разовой очаговой дозы (РОД), эквивалентной дозе гамма-облучения (Д, Гр-экв.):

Д = (МД n . ОБЭ n + МД Y1 )• tn + МД Y2 • tY + МД Y3 • t , где МДп - мощность поглощённой дозы нейтронного облучения, Гр/мин; МДу1 - мощность поглощённой дозы сопутствующего гамма-облучения от элементов конструкции генератора, Гр/мин; МДУ2 - мощность поглощённой дозы основного гамма-облучения, Гр/мин; tn - время облучения на нейтроном генераторе, мин; tY - время облучения на гамма-установке, мин; t - время нахождения животного в зале облучения, мин; МДу3 - усреднённая за время t поглощённая доза от активационных гамма-квантов.

Долей вклада в суммарную дозу упругорассеянных на стенах и окружающем оборудовании нейтронов (и альбедных гамма-квантов) вследствие его незначительности пренебрегали.

Группы животных и режимы гамма-нейтронного облучения. Апробирование схем локального гамма-нейтронного облучения для терапии мелких домашних животных с различными клиническими случаями злокачественных новообразований разной локализации выполнено на 18 собаках и кошках, которым ранее было проведено хирургическое удаление опухолей в сочетании с химиотерапией и у которых впоследствии (через 1-3 мес. после курса лечения) выявлены агрессивные постоперационные рецидивы. Повторно животные поступили на лечение в ветеринарные клиники Москвы, Московской области и Обнинска: 14 собак разных пород в возрасте от 4 до 17 лет (средний возраст 10 лет) и 4 беспородные кошки в возрасте 11-18 лет (средний возраст 13 лет). У каждого животного отбирали образцы крови на общий клинический и биохимический анализы. Для выявления метастазов проводили рентгенологическое исследование лёгких в двух проекциях (прямая и боковая) и ультразвуковое исследование органов брюшной полости. Кроме того, выполняли цитологическую и гистологическую верификации злокачественности новообразований.

По результатам клинического обследования животных на момент начала проведения лучевой терапии прямых противопоказаний к лечению не было.

Распределение животных по группам в зависимости от типа и локализации опухоли, стадии заболевания, а также обобщённые данные по дозам облучения приведены в табл. 1.

Курс и режим облучения определяли для каждого животного индивидуально в зависимости от типа опухоли и общего состояния. Животных облучали под общей внутривенной анестезией 2 раза в неделю, по 4-6 сеансов за курс. В течение каждого сеанса облучение проводили с одного или двух полей последовательно сначала у -излучением, затем нейтронным с интервалом между воздействиями 15 мин. Разовая очаговая доза у -облучения составляла 5-8 Гр, нейтронов - 1,0-1,4 Гр (без учёта коэффициента относительной биологической эффективности -ОБЭ). На основании наших исследований коэффициент ОБЭ нейтронного излучения принимали равным 2,5 [18]. Вклад нейтронов в суммарную очаговую дозу (СОД) облучения составлял с учётом коэффициента ОБЭ от 25 до 40%.

Таблица 1

Группы животных и режимы гамма-нейтронного (γ + n) облучения

Группа	Тип опухоли, локализация	Количество животных в группе/стадия заболевания	СОД, Гр-экв.	РОД, Гр
1	Аденокарцинома (носовых ходов; рецидив послеоперационный носовых ходов, параанальной железы)	5 (собаки) / III	30-48	5-7 Гр (γ) + 1,0-1,2 Гр (n)
2	Меланома (кожи нижней челюсти; слизистой оболочки носового зеркала)	2 (собаки) / II-III	26-45	5 Гр (γ) + 1,0-1,4 Гр (n)
3	Плоскоклеточный умеренно и низкодифференцированный рак слизистой оболочки ротовой полости (язык)	3 (кошки) / II-III-IV	36-45	5 Гр (γ) + 1,0-1,3 Гр (n)
4	Плоскоклеточный умеренно и низкодифференцированный рак кожи	4 (3 собаки, 1 кошка) / II-III-IV	22-48	5-7 Гр (γ) + 1 Гр (n)
5	Саркома (фибросаркома носовых ходов, венерическая саркома, саркома мягких тканей)	4 (собаки) / III-IV	10,5-45	5-8 Гр (γ) + 1 Гр (n)

В процессе реализации и после курса лучевой терапии животные находились под контролем ветеринарных врачей-онкологов: два раза в неделю им проводили общий клинический анализ крови, один раз в неделю – биохимический анализ крови; рентгенологическое исследование лёгких в двух проекциях (прямая и боковая) и ультразвуковое исследование органов брюшной полости – один раз в месяц.

Результаты и обсуждение

Параметры дозиметрических измерений . Вследствие того, что пучок нейтронов не коллимировали, поглощённая доза была неравномерно распределена по объёму опухоли, а именно: по краям была меньше, чем в центре из-за изменения фактора G. Фактор G меняется в зависимости от расположения опухоли по отношению к центру мишени генератора, при этом геометрические размеры опухоли влияют на величину поглощённой дозы.

На рис. 1 представлено относительное изменение величины средней по опухоли поглощённой дозы в зависимости от её размера в виде поправочного коэффициента на величину дозы в центре мишени (расчётные данные). Изменение дозы в связи с зависимостью керма-фактора от энергии нейтронов, меняющейся вследствие угловой зависимости последней, составляло менее 1% и не учитывалось.

Рис. 1. Изменение величины средней поглощённой дозы в зависимости от радиального размера опухоли без учёта коэффициента поглощения (за 1 принято значение дозы по центру опухоли).

Необходимо оценивать также и уменьшение дозы (уменьшение G-фактора) по мере удаления среза опухоли от мишени генератора. Влияние толщины объекта на величину средней по оси дозы для модели опухоли (цилиндр) с радиусом 3 см представлено на рис. 2. Оба рисунка показывают, что для повышения достоверности оценки поглощённой дозы и результатов эксперимента необходимо производить расчёт для каждого объекта и геометрии его расположения. Поэтому целесообразно для сокращения времени подготовки к планируемому эксперименту использовать расчёт на основании метода Монте-Карло.

Толщина объекта, см

Рис. 2. Отношение усреднённой величины поглощённой дозы по высоте опухоли (модель цилиндра радиусом 3 см) к расчётной дозе в центре опухоли в зависимости от толщины объекта.

Верификация измерения поглощённых доз показала их полное соответствие плану облучения в пределах существующих погрешностей и допущений.

Противоопухолевая эффективность гамма-нейтронной терапии . Результаты наших исследований с использованием малогабаритного нейтронного генератора для внутри-клинического размещения показали, что после курса гамма-нейтронной терапии у 14 животных (73,7%) из всех групп была достигнута полная (11/57,9%) или частичная (3/15,8%) регрессия опухоли. Уменьшение болезненности, снижение экссудации, отёчности, а также размера новообразований в 1,5-3 раза, улучшение в общем состоянии животных наблюдали уже после 3-4 сеансов облучения. Полную регрессию опухоли после однократного облучения в дозе 10,5 Гр-экв. [8 Гр ( γ ) + 1 Гр (n)] наблюдали у собаки с диагнозом венерическая саркома (5 группа). Трём животным с частичной регрессией (двум с саркомой мягких тканей, одному с меланомой слизистой оболочки носового зеркала, из 5 и 2 групп соответственно) были выполнены хирургические операции по удалению остатков опухолей. У оперированных животных безрецидивный период составил более одного года (срок наблюдения 14 мес.). Метастазирования во внутренние органы у этих животных не отмечено. Среди животных с полной регрессией опухоли отдалённые метастазы во внутренние органы возникли у трёх кошек (27,3%) с плоскоклеточным раком кожи (4 группа) и новообразованиями (3 группа) в ротовой полости (III-IV стадии). У остальных животных период без признаков заболевания варьировал от 3 до 14 мес. (сроки наблюдения).

Реакции нормальных, прилегающих к опухоли тканей, попадающих в поле облучения, у животных с полной или частичной регрессией опухоли были незначительными: выявлены ало- пеция у двух собак и кратковременная эритема и алопеция у одной кошки. На рис. 3 показана зона с плоскоклеточным раком кожи пальца задней левой конечности собаки (ризеншнауцер) до и после шести сеансов облучения.

Рис. 3. Собака породы ризеншнауцер (7 лет), плоскоклеточный умереннодифференцированный рак кожи пальца задней левой конечности, СОД 45 Гр-экв.; до облучения (слева) и после 6 сеансов терапии (справа).

В 5 случаях из 18 (27,8%) положительных изменений в процессе лечения не отмечено. У двух животных наступила смерть от сердечной недостаточности до окончания курса лучевой терапии (собаки с меланомой кожи - III стадия, 2 группа) и рецидивом плоскоклеточного низкодифференцированного рака кожи - III-IV стадия, 4 группа). Ещё у трёх животных произошло ухудшение общего состояния и лечение было прекращено: собака с фибросаркомой носовых ходов (III-IV стадия, 5 группа), аденокарциномой параанальной железы (III стадия, 1 группа) и аденокарциномой носовых ходов (III стадия, 1 группа).

Обращает на себя внимание случай полного излечения собаки с венерической саркомой после одного сеанса гамма-нейтронной терапии в дозе 10,5 Гр без каких-либо отдалённых последствий. Лучевая терапия животному была назначена по причине невозможности проведения стандартного для этой болезни химиотерапевтического лечения (наличие сопутствующего заболевания).

Следует отметить, что применение лучевой терапии в отечественной ветеринарии ограничено, что обусловлено, прежде всего, отсутствием собственных источников облучения. Описано лечение животных с новообразованиями с использованием редкоионизирующих излучений (проводят в ветеринарной клинике «Биоконтроль», Москва, при ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России и в городском ветеринарном онкологическом центре «Прайд», Санкт-Петербург, на базе ФГБУ «Российский научный центр радиологии и хирургических технологий им. А.М. Гранова» Минздрава России) [21-23]. В ветеринарной клинике «Биоконтроль» применяли гамма-излучение в качестве основного метода при мастоцитомах низкой степени дифференцировки клеток, а также нере-зектабельных опухолях (СОД 40-55 Гр), меланомах (СОД 40-50 Гр) [21]. Отмечена стабилизация роста и частичная регрессия опухоли в 55-65% случаев. В РНЦРХТ источником ионизирующего излучения служили рентгенотерапевтические аппараты РУМ-17 и РУМ-7 для близко- фокусной терапии опухолей, расположенных на поверхности тела и слизистых оболочках, и гамма-аппарат серии «Рокус» (60Со) для терапии опухолей костей, носовой полости и внутренних органов [24]. СОД составляла 40-60 Гр, РОД - 2-5 Гр 2-5 раз в неделю. При хороших результатах лечения некоторых видов опухолей самостоятельно (плоскоклеточная и базальноклеточная карцинома, мастоцитома, лимфома, трансмиссивная венерическая саркома) и в сочетании с хирургической операцией и химиотерапией (саркома мягких тканей, аденокарцинома, опухоли костей некоторых локализаций) отмечены выраженные лучевые реакции со стороны кожи (эритемы, алопеции, сухой и влажный дерматиты) [23].

Опыт применения нейтрон-захватной терапии (НЗТ) на реакторе ИРТ МИФИ [25] описан при лечении собак с меланомой слизистой оболочки ротовой полости и остеосаркомой в ветеринарной клинике «Биоконтроль». Однако реализация этого метода для лечения мелких домашних животных является дорогостоящей и трудно тиражируемой технологией.

Анализ результатов показывает, что проведение гамма-нейтронной терапии на базе МРНЦ им. А.Ф. Цыба обеспечивает сопоставимый эффект по сравнению с конвенциональными методами лучевой терапии, используемыми в некоторых ветеринарных клиниках, и не приводит к выраженным лучевым реакциям, характерным для гамма-облучения. Кроме того, гамма-нейтронная терапия позволяет снизить СОД, что может положительно сказаться на общем состоянии животных и сократить реабилитационный период.

Заключение

Лечение домашних животных со злокачественными новообразованиями методами нейтронной и гамма-нейтронной терапии в России не осуществляется. В целом, состояние нейтронной терапии и перспективы развития медицинской технологии в России напрямую зависят от существующих источников нейтронного излучения. Портативные источники для нейтронной терапии предоставляют абсолютно новые возможности для проведения лучевой терапии, особенно в сочетании с другими видами излучения. Реализация этих технологий в клинической практике с вкладом нейтронов в суммарную очаговую дозу облучения 20-40% позволяет существенно повысить эффективность лучевой терапии, не увеличивая риск повреждения окружающих опухоль здоровых тканей.

Портативный импульсный генератор нейтронного излучения ИНГ-031, а также генераторы НГ-14 и НГ-24 предполагают внутриклиническое размещение [15]. Достоинствами этих генераторов являются компактность, простота в эксплуатации и низкая стоимость, что делает их доступными источниками излучения для многих медицинских учреждений. Апробированный в опытах на домашних животных ПНГ удовлетворяет потребностям гамма-нейтронной терапии: мо-ноэнергетичность потока нейтронов, достаточная равномерность дозового поля, возможность регулирования вклада нейтронов в суммарную дозу облучения и оптимальный временной интервал между фракциями фотонов и нейтронов. Предложенная схема гамма-нейтронного облучения домашних животных (кошки, собаки) с опухолями с использованием портативного источника нейтронов отечественной разработки с вкладом в СОД нейтронного излучения 25-40%, как показали наши предварительные исследования, позволяет достичь высокой эффективности при незначительных повреждениях окружающих здоровых тканей.

В настоящее время совместными усилиями МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России (Обнинск) и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» (Москва) разрабатывается нейтронный терапевтический комплекс на базе портативного генератора НГ-24 (энергия нейтронов 14,1 МэВ). Апробирование данной установки на большем количестве мелких домашних животных с опухолями различной локализации позволит предложить в медицинскую практику схемы сочетанной гамма-нейтронной терапии с минимально возможным интервалом в последовательности облучения (до 15 мин), эффективность которых подтверждена при радиобиологическом тестировании с относительно небольшим вкладом нейтронов в суммарную дозу (10-30%) [1, 14, 16, 26, 27] и в экспериментальных исследованиях.