Лечение со скоростью света: как работает протонный ускоритель
Протонный ускоритель отличается от других аппаратов лучевой терапии тем, что облучает опухоль с высокой точностью. Если новообразование находится на глубине пяти сантиметров, большую часть этого пути пучок протонов «пробежит» с огромной скоростью, практически не теряя энергии, и не успеет нанести окружающим тканям сильный вред. И лишь в самой опухоли пучок затормозит и начнет свою работу, уничтожая злокачественные клетки.
Точка, в которой пучок протонов выделяет максимальную энергию, называется пик Брэгга – он приходится на саму опухоль. В пике Брэгга доза облучения в два-три раза выше, чем в окружающих тканях – это снижает радиационную нагрузку на здоровые органы по сравнению с другими излучениями, которые используют в лучевой терапии.
Чтобы еще снизить вред для организма, аппарат для протонной терапии оснащен креслом, вращающимся вокруг оси, так что пучок «стреляет» все время в разных направлениях. В итоге максимальное облучение каждый раз приходится на злокачественные клетки, а «побочная» радиация рассеивается по окружающим тканям – так минимизируется риск навредить какому-либо жизненно важному органу.
Откуда берутся протоны?
Вся огромная мощь этого аппарата рождается из небольшого баллончика с водородом, которого хватает на год работы протонного ускорителя.
Каждая молекула водорода отправляется в специальное устройство. Там ее очищают от всего «лишнего», остается только ядро атома водорода – протон. Дальше он отправляется в далекое путешествие – примерно на 24 тысячи километров.
Протон летает по кругу и ускоряется с каждым оборотом. У него много энергии, он непоседлив и постоянно хочет улететь не туда – поэтому вокруг установки стоят мощные магниты, направляющие его в нужное русло.
Примерно за две секунды протон проходит свой путь в 24 тысячи километров, совершив около миллиона оборотов. За это время он разгоняется до невероятных скоростей – ¾ скорости света.
«Пока мы с вами разговариваем, протоны уже долетели до Луны, и не один раз», — рассказывает инженер Вячеслав Сабуров.
Протон в своем путешествии, конечно, не один – одновременно в аппарате разгоняются миллиарды частиц. Набрав нужную скорость, протоны собираются на выход и формируют пучок. Специальные магниты задают пучку направление – чтобы выстрел пришелся точно в цель и уничтожил опухоль пациента.
Как проходит процедура?
Пациент садится в специальное вращающееся кресло. Пока что лечить в нем можно лишь опухоли головы и шеи, но вскоре в центре появится крутящийся стол – с его помощью можно будет облучать и другие опухоли.
Очень важно четко зафиксировать положение тела пациента, чтобы протонный пучок не «промахнулся». У каждого пациента – своя индивидуальная маска, которую делают по слепку с лица перед началом терапии. В такой маске голова физически не сможет сместиться больше, чем на десятые доли миллиметра.
Процедура длится всего несколько минут. Каждые две секунды из комнаты с протонной установкой вылетает новый пучок. Пучки отличаются друг от друга: кресло вращается, фиксируется оператором в нужном положении, и чтобы попасть точно в опухоль, необходимо каждый раз менять глубину и направление пучка. Глубина проникновения регулируется энергией в протонном ускорителе, а направление пучка – магнитами на выходе.
Кому поможет протонный ускоритель
Ежегодно в России онкологические диагнозы получает примерно 500 тысяч человек. Половине из них требуется та или иная лучевая терапия, из них трети пациентов (почти 100 тыс. человек) помогла бы протонная терапия.
Сегодня во всем мире есть всего 60 протонных ускорителей, с помощью которых вылечили порядка 200 тысяч пациентов. В Японии, население которой почти равно нашему, 12 аппаратов протонной терапии, в каждом – по две кабины. В России таких установок (готовых и строящихся) пока всего четыре.
«Нужно построить хотя бы семь аппаратов протонной терапии в разных регионах. Недавно обсуждали этот вопрос с министром здравоохранения Вероникой Скворцовой, и она с этим согласна», – говорит генеральный директор ФГБУ НМИРЦ Минздрава России Андрей Каприн.
Проблема одна: каждая установка – очень дорогая. Аппарат в Обнинске обошелся примерно в 500 млн рублей. Но установка отечественного производства все равно в разы дешевле, чем импортные образцы.
На аппаратах для протонной терапии в Протвино и Обнинске уже пролечили около 120 пациентов. Это только начало – пока метод считается экспериментальным, и у Минздрава даже нет четких квот на такое лечение. Но есть и хорошая новость: вскоре эти квоты должны быть одобрены, и протонная терапия будет доступна онкологическим пациентам в рамках ОМС.
Проект по созданию протонного комплекса для лечения рака запустили в 2013 году Минздрав и Минпромторг. В 2015 году первый опытный образец запустили в наукограде Протвино, а в 2016 году протонный комплекс открыли на базе Медицинского радиологического научного центра имени А.Ф. Цыба в городе Обнинске.
«Золотые руки»: как роботическое оборудование помогает хирургам
Знакомьтесь, это роботизированная система da Vinci — она помогает врачам сохранить жизнь и ее качество онкологическим больным.
Леонардо да Винчи в свое время сделал многое для медицины. В частности он препарировал тела умерших, чтобы досконально изучить анатомию. В своих многочисленных рисунках да Винчи изобразил строение человека в мельчайших деталях.
Современная система da Vinci чем-то похожа на великого Леонардо. Она помогает так же внимательно изучить внутренние органы и ткани, а затем удалить все лишнее — например, злокачественную опухоль.
Кого оперирует da Vinci
Виталию Васильевичу 75 лет. Уже год он борется с раком предстательной железы. Обычно эта опухоль не очень агрессивна и развивается медленно, но не в его случае. Пациенту проводили гормональную терапию (операцию не решались делать из-за высоких рисков), но опухоль продолжала расти. В итоге медики предложили все-таки удалить предстательную железу вместе с опухолью — но не традиционным способом, а с помощью роботизированной системы da Vinci.
Несмотря на возраст, пенсионер продолжает работать, но делать это в последнее время было не очень удобно. Дело в том, что Виталий Васильевич уже год не может самостоятельно сходить в туалет — из-за опухоли мочеиспускание нарушено, и ему приходится всюду ходить с катетером и мочеприемником.
– Не боитесь операции?
– Нет, я спокоен, доверяю врачам. Хочется скорее избавиться от этой штуки, – Виталий Васильевич показывает на мочеприемник.
– А как вы относитесь к тому, что вас будет оперировать робот?
Хирург Кирилл Павленко поправляет меня: оперировать будет он, а роботизированная система — лишь инструмент в опытных руках врача. Можно сказать, что da Vinci — это дополнительные и усовершенствованные руки хирурга.
Робот-ассистированная хирургия в онкологии чаще всего используется при заболеваниях органов малого таза и брюшной полости: раке предстательной железы, матки, мочевого пузыря, почки и печени. Основной бонус роботизированных рук — это возможность «достать» те опухоли, которые расположены в труднодоступных местах.
Именно поэтому da Vinci чаще всего используют для удаления пораженной раком предстательной железы: этот орган расположен глубоко в тазу, и обзор для врачей при обычной операции затруднен. При этом предстательная железа хорошо кровоснабжается — есть риск повредить сосуды и вызвать сильное кровотечение. Но робот-помощник, оснащенный эндоскопической камерой, дает хирургу еще и дополнительные «глаза». С их помощью можно увидеть то, что недоступно обычному глазу — в том числе глубокие сосуды.
Как это работает
Система da Vinci состоит из трех консолей. Главная — это консоль хирурга. Она выглядит как навороченный игровой автомат в каком-нибудь музее робототехники. Хирург заглядывает внутрь через специальные «очки» и видит органы и ткани пациента в 3D. В руках у врача джойстики — с их помощью он управляет инструментами. Камера увеличивает изображение в 10 раз, и хирург может менять масштаб картинки, приближая и отдаляя эндоскоп. На видеостойке расположен большой экран — на нем в режиме реального времени будет отображаться все, что происходит с пациентом во время операции. Еще одна часть системы — сами «руки» робота-помощника. На этих «руках»-манипуляторах расположены инструменты, которыми удаленно управляет хирург со своей станции.
Операция начинается. Пациент погрузился в сон, и хирург с ассистентом и медсестрами проделывает отверстия в брюшной полости — через них будут вводить камеру и манипуляторы с инструментами.
Затем система «стыкуется» с пациентом. Пока медики делают все вручную, но в следующей версии da Vinci стыковка будет происходить уже автоматически.
Потом хирург отправляется на свою станцию, а его ассистент остается рядом с пациентом. У ассистента тоже важная роль — он будет делать все, на что не хватит «рук» у робота: отсасывать кровь из брюшной полости, пережимать сосуды специальными клипсами, отрезать нить после наложения шва. Возможно, в будущем и эти функции передадут роботизированной системе, но пока в операционной нужен человек «на подхвате».
Операция длится уже более трех часов, а предстательная железа пока на месте.
«Еще в 80-е годы прошлого века такую операцию вообще не стали бы делать, потому что риск истечь кровью был бы выше, чем риск умереть от рака», – рассказывает заведующий лабораторией онкоурологии Московского клинического научного центра Кирилл Павленко, который проводит операцию.
Из-за опухоли предстательная железа пациента сильно увеличилась в размерах, и врачам пришлось постараться, чтобы аккуратно отделить ее от всех сосудов и окружающих тканей. К тому же у медиков была еще одна задача — восстановить нормальное мочеиспускание.
«Именно благодаря высокой точности системы da Vinci мы можем сохранить пациенту не только жизнь, но и ее качество. С другими методами мы могли бы отрезать предстательную железу, а вот сшить обратно мочевой пузырь с уретрой было бы тяжело. А с помощью робота это возможно и совсем не сложно», – поясняет хирург.
Если пациент молодой, а болезнь не зашла слишком далеко, с робот-ассистированной хирургией можно сохранить и сексуальную функцию. Для нашего пациента это, к сожалению, не актуально, а вот от мочеприемника он сможет избавиться — врачи надеются, что уже через неделю Виталий Васильевич сможет самостоятельно ходить в туалет.
Человек в пробирке
А вот — научно-технический центр БиоКлиникум, здесь ученые подбирают индивидуальную терапию для онкологических больных.
Знакомьтесь, это Homunculus, или гомункул. Средневековые алхимики называли свою мечту о человеке, выращенном в пробирке. Этот Homunculus — не человек, а микробиореактор, но он может спасти жизни многих людей. В этом причудливом аппарате выращивают клетки настоящих опухолей, взятых у больных раком, а потом тестируют на них различные лекарства.
Выращивать первые клетки в пробирке ученые начали более полувека назад. Они просто высаживали клетку в «лунку», добавляли раствор с питательными веществами и смотрели, как она развивается. Но есть проблема: клеточные культуры, «приготовленные» таким образом, вырастали в 2D. Это выглядело как плоский слой толщиной в одну клетку.
Но в нашем теле все не так — клетки образуют трехмерные структуры. Кусочек злокачественной опухоли — это тоже 3D-объект, и чтобы его изучать, нужны были новые методы.
Прибор Homunculus позволяет выращивать кусочек опухоли так, как он рос бы в человеческом организме — он даже имитирует нашу систему кровообращения. Homunculus состоит из чипа, куда помещаются клетки, и специального блока управления.
«Если поместить опухоль в обычную пробирку и тестировать лекарства на ней, результаты могут быть обнадеживающие. А в организме человека то же самое средство почему-то не будет уничтожать опухоль. Homunculus помогает тестировать препараты в условиях, максимально приближенных к реальности», — рассказывает генеральный директор НТЦ БиоКлиникум Дмитрий Сахаров.
Шаг первый. Чип заполняют питательной средой, которая позволит клеткам расти. Обычно для теста загружают сразу несколько таких чипов. В одном — только питательная среда, это так называемая контрольная группа. В других чипах к питательной среде добавляют разные лекарства, эффективность которых хотят проверить.
Шаг второй. В лунку помещают клетки, выделенные из опухоли.
Особенность раковых опухолей в том, что они могут состоять из клеток разного типа. Один и тот же препарат может хорошо уничтожать клетки одного типа и никак не влиять на другие (или даже вызывать их рост).
Поэтому для тестирования препарата можно поместить в несколько лунок разные части одной и той же опухоли и смотреть, одинаково ли они реагируют на лекарство.
Шаг третий. Чип готов, его можно подключать к прибору.
Блок управления Homunculus работает по принципу перистальтического насоса. На чипе есть мембраны, и когда под давлением поступает воздух из этого «насоса», мембраны поднимаются и опускаются, прокачивая питательную среду. Это немного напоминает наше сердце, которое качает кровь по артериям и венам.
Шаг четвертый. Ученый помещает чип, подключенный к прибору, в инкубатор. Там поддерживается правильная температура и определенное содержание углекислого газа. Именно в этих условиях клетки будут расти так, как нужно.
Шаг пятый. Примерно через сутки или двое чипы можно доставать и оценивать результаты.
Как ученые узнают, умерли ли клетки опухоли?
Способов много, сегодня мы наблюдаем один из них. В каждую лунку добавляется специальное вещество: оно желтое, но при взаимодействии с живыми клетками образует фиолетовые кристаллы. Поэтому раствор в лунках, где остались живые клетки, будет фиолетовым, а там, где все клетки умерли — желтым.
Лекарства могут иметь разную эффективность: одно убьет больше клеток, другое — меньше. Определить это можно по оттенку раствора — от светло-фиолетового до пурпурного.
Конечно, это нельзя понять «на глаз». Интенсивность цвета измеряет планшетный спектрофотометр. Именно этот прибор выдает окончательный вердикт — насколько эффективно данное лекарство.
НТЦ БиоКлиникум на рынке с 2008 года. Проект Homunculus появился в 2011 году, а в 2012-м компания получила грант от Министерства образования и науки на создание прототипа и опытного производства.
Основная часть проекта завершилась в 2015 году. Опытное производство Homunculus’ов наладили — инженеры произвели уже около 50 приборов. Часть из них остается в родном научно-техническом центре, а часть — поставляется в научные лаборатории и партнерские учреждения. Homunculus уже есть в Берлинском техническом университете, МГУ, ИБХ, Московском Политехе, НИИ Гриппа, МИСиС — там его используют для целей фундаментальной науки.
Но есть у прибора уже и прикладное применение. В Московском научно-исследовательском онкологическом институте имени Герцена стоит семь таких приборов — на них проводятся клинические исследования персонализированной терапии рака.
Пока еще очень рано говорить о том, что всем пациентам вскоре будут подбирать индивидуальное лечение. Для начала Homunculus должны внести в стандарты лечения, одобренные Минздравом. Но уже сейчас людям, которые принимают участие в клинических испытаниях, персонализированная терапия помогает в борьбе с опухолью.
«Этот прибор можно использовать в двух крупных направлениях. Это, во-первых, создание новых лекарств — в частности препаратов химиотерапии. Во-вторых, это тестирование лекарств на конкретной опухоли и подбор персонализированной терапии.
Если Минздрав одобрит Homunculus, мы готовы производить его в таком количестве, которое понадобится. Мы надеемся, что в будущем все крупные онкодиспансеры смогут получить такую платформу для тестирования лекарств и подбора терапии», — говорит Дмитрий Сахаров.
О профилактике и диагностике рака, которые помогут не довести ситуацию до необходимости лечения, читайте здесь.
