Александр Валентинович Молочков, заместитель директора по науке школы биомедицины, профессор и руководитель образовательной программы в школе естественных наук ДВФУ, в прошлом декан физического факультета рассказал NanoNewsNet.ru о перспективах развития ядерной медицины в Приморье.

Александр Валентинович Молочков. Фото NNN

О развитии направления ядерной медецины в ДВФУ

Сейчас направление «ядерная медицина» развивается взрывообразно, в частности, появился новый вид бизнеса – коммерция радиофармпрепаратов. На этом рынке есть особенности, например, малое время жизни препарата. Некоторые радиофармпрепараты живут минуту, их надо вводить пациенту сразу, какие-то живут месяц, и их можно перевозить, продавать. Это зависит напрямую от времени жизни радиоактивных элементов.

В обычной ситуации есть накопления, запасы. Здесь иная ситуация. Приходящие на этот рынок компании разрабатывают свои методы ведения бизнеса и становятся лидерами, монополистами. Россия в этом смысле пока не развита, у нас существует 1–2 национальных поставщика таких препаратов. Приходя на этот рынок, а мы планируем это сделать, построить циклотрон, производить радиофармпрепараты, мы сможем обеспечить такими препаратами, по крайней мере, Дальний Восток.

Крайне важны фундаментальные исследования фармакодинамики на животных. Это совершенно новое поле деятельности, возникают вопросы, ведется ли уже такая деятельность в ДВФУ, или все еще на грани становления?

В университете уже довольно долго существует серьезная школа, связанная с позитроникой. Учёные этой школы работают со спектроскопией материалов и постепенно переключаются на исследования биологических объектов. У нас есть большой опыт работы с препаратами, уникальные приборы, аналогов которым очень мало. Например, у нас установлен позитронный прибор, аналогичный которому в стране есть только в Москве. Для страны в целом это связано с т том числе с тем, что долгое время данная область считалась бесперспективной.

Уже сейчас студенты, начиная с младших курсов, занимаются наукой. Есть ряд практических вещей, которые можно делать, не обладая большим багажом теоретических знаний. Дальше можно заниматься глубокой наукой, прослушав некоторые курсы. На физическом факультете был выпуск, где два диплома были связаны именно с позитронными исследованиями.

О центрах превосходства и сотрудничестве

Основное течение в мире – построение центров превосходства – центров, куда привлекаются ведущие мировые ученые, создаются научные школы.

В нашем направлении мы четко знаем, каких ученых можно пригласить в ДВФУ, какие направления они возглавят. Это будут и ПЭТ (Позитронно Эмиссионная Томография), и исследования в области космической медицины, воздействие ионных пучков на ДНК, обработка и интерпретация данных, моделирование высшей нервной деятельности.

В ДВФУ официально создан центр превосходства, созданы три лаборатории: лаборатория ядерной медицины, лаборатория физики живой материи и лаборатория мат. моделирования сложных систем. Лаборатория математического моделирования существует уже несколько лет, лаборатория ядерной медицины только запускается, лаборатория физики живой материи пока находится в разработке, но в течение года все три будут работать.

Космическая медицина тоже активно у нас изучается. Когда человек выходит за пределы магнитного поля земли, он подвергается мощному потоку космических лучей, состоящих из тяжелых ионов железа, углерода и других элементов. Сейчас долететь до Марса невозможно не из-за технической подготовки, а просто потому, что человек не сможет долететь туда живым. Как защититься от излучения – непонятно. Свинцовая защита помогает только от гамма-излучения, но не от тяжелых ионов. При этом, теряя свою энергию при прохождении такой защиты, они рассеиваются, и образуются гамма-кванты, которые также губительны для организма человека. В этих областях мы активно сотрудничаем с НБИК-центром Курчатовского института. Там они смогли привлечь именитых ученых, мы договорились о сотрудничестве.

Многие наши партнеры из крупнейших центров предпочитают работать со студентами из ДВФУ. Например, студент МФТИ, к 4му курсу, когда начинается активная научная деятельность, так загружен другими предметами, его программа организована так, что у него наступает некая апатия, нет тяги к науке. Ребята из провинциальных ВУЗов гораздо более заинтересованы в продвижении, чем студенты из центра – главное для них – возможность себя проявить, они не зациклены на «зарабатывании денег» и бизнесе. Мы создаем именно такие условия для наших студентов. Сейчас в нашем регионе можно организовать обучение на уровне ведущих институтов, и студентам не нужно перебираться в центр, сталкиваться с бытовыми проблемами, отвлекаться от науки.

В рамках программы развития ДВФУ начал работу над созданием в Приморье крупного центра лучевой терапии и лучевой диагностики (ПЭТ-центр). Немногие знают эту статистику, но ежегодно в крае появляется около 6 тысяч новых онкобольных, и этот показатель несколько ниже, чем средний по стране.

Об использовании ионизирующего излучения в медицине

Что такое ПЭТ (позитронно-эмиссионный томограф)? Идея заключается в том, что существует так называемый бета-распад. Ядро распадается и испускает либо электрон, либо позитрон. В данном случае нас интересуют ядра, которые испускают позитроны. Позитрон – это античастица, и по своей физике он обязательно должен проаннигилироваться с чем-то. Особенность аннигиляции, т.е. когда позитрон сталкивается с электроном и получается чистое электромагнитное излучение, в том, что это излучение имеет определенную форму – летят два гамма-кванта противоположных направлений, они имеют строго определенную энергию, что позволяет их идентифицировать.

Когда люди проанализировали этот физический механизм, возникла идея ввести человеку соответствующее вещество, которое накапливается в определенных органах, например, в раковых опухолях, добавить в это вещество радиоактивные изотопы. При этом опухоль будет «светиться». Далее ставятся детекторы гамма-квантов, даже такие же, как на обычном компьютерном томографе, благодаря чему можно построить трехмерную картину той области, где есть опухоль, точно ее определить. Поскольку эти вещества накапливаются во всех злокачественных клетках, это значит, что мы можем увидеть распределение метастазов у человека, что практически невозможно сделать другими методами. Иногда с точностью до одной клетки (!)

Основные изотопы, которые используются в данных исследованиях – радиоактивный изотоп кислорода, азота, углерода и фтора. Это те вещества, которые активно участвуют в естественных процессах организма. В основном применяется фтор, который соединяется с глюкозой. Раковые клетки очень активно потребляют глюкозу, гораздо более активно, чем другие клетки, поэтому фтор будет накапливаться именно там.

В принципе, такие исследования можно применять при любых других заболеваниях, не только онкологических. Можно в реальном времени наблюдать биохимические процессы в организме. Можно привести пример исследования влияния лекарств. Когда мы проглатываем таблетку или выпиваем микстуру, ее активные вещества распределяются определенным образом по нашему организму. Как оно распределяется, мы не можем увидеть. Раньше фармакодинамику исследовали самым очевидным способом: вкалывали мыши препарат, затем разрезали ее и изучали накопление активного вещества в разных органах. Здесь же мы вводим вещество с радиотрейсером и в реальном времени смотрим, как оно распределяется в организме, где накапливается, получаем полную трехмерную картину.

Таким же способом можно изучать нейрофизиологию, где большую роль играют аминокислоты, изучать различные рецепторные взаимодействия, синоптические соединения. Можно увидеть, как возбуждаются конкретные рецепторные соединения, изучать возбуждения коры головного мозга, высшую нервную деятельность.

О стоимости ПЭТ

Если ПЭТ-диагностика поставлена на поток, и активно используется в клинике, ее стоимость для обычного пациента составит примерно 4–5 тысяч рублей, что примерно равно стоимости простой компьютерной томографии. Экспериментальные, единичные исследования стоят в районе 10–15 тысяч – нужно производить радиофармпрепарат ради единичного пациента.

О влиянии радиационной медицины на организм

Когда мы говорим о радиоактивном влиянии, всегда слышим от людей стереотип «радиация – это плохо». Но на самом деле мы родились и живем в условиях постоянного радиоактивного фона. Ученые выяснили, что без этого фона человек начинает болеть. Если человека, да и любое живое существо, полностью изолировать от радиоактивного фона, у него начинаются иммунные нарушения и тд. Поэтому любое влияние радиации сравнивают с фоном. То есть, фон – это есть не некое минимальное зло, а это то, что нам необходимо, чтобы жить. Превышение над фоном радиации при исследованиях на ПЭТ находится в пределах ошибки, т.е. практически не ощущается разница. Конечно, те, кто работают с этим постоянно, должны принимать меры предосторожности, но для пациентов разовая процедура не оказывает абсолютно никакого влияния. Приведу пример: когда мы летим в самолете на высоте 10 километров, радиационный фон примерно в 100 раз выше, чем на поверхности земли. Это значит, что долетев от Москвы до Владивостока, мы получаем дозу, равную примерно двум рентгеновским обследованиям. Здесь уровень – в 1000 раз меньше, чем любое рентгеновское обследование. В частности, это связано с тем, что когда мы проводим рентгеновское обследование, мы должны просветить человека насквозь и поймать то, что отразилось. В ПЭТ-диагностике мы ловим только то, что прошло насквозь.

Само собой, несмотря на незначительные дозы излучения, меры предосторожности для работы с пациентами всегда применяются, их избегать ни в коем случае нельзя.

О том, как выглядит процесс, что будет установлено в университете, как это будет работать.

Есть радиоактивное вещество, с помощью которого производятся позитроны. Позитроны аннигилируются с электронами, разлетаются, на компьютере мы получаем картинку. Чтобы произвести радиоактивное вещество в правильном количестве, чтобы оно выполняло свою задачу, требуется целый набор оборудования. В частности, это небольшой ускоритель. (ФОТО) Технология развивается, на мировом рынке уже можно купить небольшой ускоритель – машину, которую может обслуживать один единственный инженер. Он нажимает на кнопку, а на выходе получает требуемое вещество.

Ускоритель производит исходно тот элемент, который распадается. Далее идет синтез: мы присоединяем вещество к глюкозе, какой-либо аминокислоте, в зависимости от тех биологических задач, которые перед нами стоят. Затем нужно проконтролировать качество вещества, удостовериться в его чистоте и безопасности, поэтому требуется лаборатория контроля. Последний этап – инъекция вещества в вену пациенту и изучение картины на томографе. Сейчас в нашей клинике уже есть томограф. Но как осуществлять прием пациентов без циклотрона – источника необходимых радиоактивных веществ? Есть еще один способ – так называемый генератор. Это небольшая установка, которая производит определенные виды радиоактивных веществ. В университете будет установлен такой генератор совместно со специалистами из Курчатовского института. Они установят аппаратуру, обучат техников. У ДВФУ есть договоренности с Курчатовским институтом о том, что один из ведущих сотрудников, занимающихся генераторными технологиями, возглавит это направление здесь во Владивостоке, возьмет студентов и аспирантов. В результате они освоят всю технологию, смогут полноценно заниматься наукой.

Планируется использовать стронций-рубидиевый генератор. Время жизни такого вещества – 1.5 минуты. Для того чтобы сделать возможным проведение диагностики с помощью веществ с таким коротким временем жизни, необходима инфузионная установка (автоинъектор). Это обеспечивает непрерывность процесса: производство вещества и его введение пациенту, который уже лежит на томографе.

Через год мы планируем ввести в строй и остальное оборудование.

О том, откуда будет привезено оборудование

Закупленное уже оборудование – отечественное. Оно создано под руководством того специалиста, которого мы ждем в ДВФУ для работы со студентами. В мире почти никто не занимается ничем подобным.

Циклотрон, скорее всего, будет куплен за рубежом. Наша страна – одна из лидеров в производстве различного рода ускорителей, но мы обсуждаем покупку зарубежного. Владивосток достаточно сильно оторван от ведущих центров, и мы хотим иметь у себя оборудование, уже хорошо себя зарекомендовавшее в мире, чтобы не возникало необходимости его специально обслуживать и приглашать наладчиков. Мы планируем организовать поток пациентов, и любая остановка может стоить кому-то жизни.

Для наших целей нужно приобрести достаточно мощный циклотрон, который сможет обеспечить 4 ПЭТ центра (для Дальнего Востока требуется именно столько центров диагностики), но и поможет выйти на международный фармацевтический рынок. Есть целый ряд препаратов, с которыми мы можем выйти на рынки Кореи, Китая и других стран.

Об ионной терапии

Привычное представление о лучевой терапии – просвещение опухоли гамма- или рентгеновским излучением. Проблема этого метода заключается в том, что когда мы облучаем человека, разрушаются те здоровые клетки, которые лежат на пути излучения к опухоли. Конечно, злокачественные опухоли менее устойчивы, и достигается желаемый эффект, но пациент сталкивается с очень тяжелыми побочными эффектами. Выживаемость метода гамма-терапии – всего 50%.

Сейчас разработана новая технология, заключающаяся в облучении тяжелыми ионами – теми самыми, которые сталкивают в Большом Адронном Коллайдере. Технология примерно такая же, но используется ускоритель меньшей мощности и производится вещество, которым можно облучать людей. Использование ионов для облучения опухолей позволяет отрегулировать их энергию так, что они точно будут попадать именно в ту область, где находятся злокачественные клетки, не повреждая в процессе облучения ткани как перед опухолью , так и после неё.

Если используются ионы углерода, помимо основного полезного эффекта мы получаем еще два плюса: при распаде образуется углерод С11, который радиоактивен – мы можем совместить ПЭТ-диагностику и облучение, в реальном времени можем видеть облучение опухоли; второе преимущество сложно объяснить, но 5-летняя выживаемость после облучения ионами находится на уровне 89%.

Оценки стоимости облучения в России еще получить невозможно, но по зарубежным данным стоимость может начинаться от 300 тысяч рублей. Можно делать ставку на высокотехнологические квоты, но если их отменят, пациентам остается надеяться на систему страхования.

В мире существует только 3 центра ионного облучения – 2 в Японии и один в Германии. Дело, конечно, не стоит на месте – компания Siemens произвела 8 медицинских синхротронов, и на их закупку уже существует очередь на 12 лет вперед.

О физике ионизирующего излучения

Как же выходит, что ион летит через клетки организма, не разрушая их, и воздействует только на опухоль? Это можно объяснить просто, используя термин «пик Брегга». В квантовой механике есть соотношение неопределенностей. Чем выше энергия, тем больше локализована частица. При больших энергиях частица практически точечна. Масса углерода – 12 ГЭВ, у гамма-кванта масса пропорциональна его энергии. Если мы облучаем человека энергиями КЭВ или даже 2–3 МЭВ, то гамма-квант все равно очень велик, он сжигает все на своем пути.

Трудно представить, но ион меньше, чем протон по своим размерам. Протон легче, за счет соотношения неопределенностей он имеет большие размеры. Когда ион летит, он активно взаимодействует с окружением, теряя энергию. Он становится больше, и в какой-то момент вероятность столкновения становится больше, и он сталкивается непосредственно с опухолью. Чтобы представить все это наглядно, существует такой пример: если мы возьмем атом и увеличим ядро до 1 см, то ближайший электрон будет находиться на расстоянии 100 м. от него. Если ядро покоится, оно занимает достаточно много места, чем сильнее его ускорить – тем сильнее оно сжимается, становится точечным.

Разрушающее воздействие гамма-кванта заключается разрушении спирали ДНК клетки, ее разрыве. Когда он пролетает, разрываются перемычки между двойной спиралью. Либо ДНК деформируется, либо восстанавливается, поэтому убить клетку довольно трудно, нужна большая доза излучения. Когда пролетает большой ион, он разрывает двойную спираль, и клетка не восстанавливается. Это позволяет разрушать, в том числе и метастазы, которые считаются радиорезистивными.

Для создания нашей лаборатории потребуется синхротрон, который, можно установить в помещении. У нас есть хорошие партнеры в этой области, Дубна, Новосибирск. В стране существуют уникальные технологии по производству таких машин.

Основная проблема, с которой мы сталкиваемся в процессе оснащения лаборатории – финансовая. Такие установки имеют очень высокую стоимость, порядка 1млрд. Это направление находится на пересечении физики и медицины, подразумевает множество интереснейших биологических, радио-биологических, фундаментальных физических задач. Наши студенты активно сотрудничают с Дубной, участвуют в экспериментах на циклотроне.

О структуре обучения биомедицине в ДВФУ

Сейчас есть возможность отучиться в бакалавриате по специальности «Физика» и специализироваться в школе биомедицины, пойдя на магистратуру. Со следующего года будет открыта магистрская программа «ядерная медицина». За 4 года получения фундаментальной подготовки в школе естественных наук студенты определяются с направлением, выбирают профиль физики и специализируются на чем-то конкретном. Моя позиция – все бакалавриаты должны концентрироваться в одной школе, давать базовые, фундаментальные знания, которые помогут выбрать профиль для магистратуры.

Также чтобы попасть на направление «ядерная физика» студенты смогут получить степень бакалавра по специальности «биология», «математика» или «химия».