Застосування елементарних частинок у медицині

Элементарные частицы нашли широкое применение в медицине. Я считаю, что наибольший интерес представляют лучевая терапия, протонная терапия (является разновидностью лучевой терапии), радиоизотопная диагностика, нейтрон-захватная терапия.

Лучевая терапия — лечение ионизирующей радиацией (рентгеновским, гамма-излучением, бета-излучением, нейтронным излучением, пучками элементарных частиц из медицинского ускорителя). Применяется в основном для лечения злокачественных опухолей.

Целью лучевой терапии является уничтожение клеток, составляющих опухоль. Исходя из того, что ионизирующее излучение взаимодействует с молекулами воды, формируя пероксид и свободные радикалы, то, соответственно, чем более активны метаболические процессы в клетке, тем сильнее на нее повреждающее действие радиации. Раковые клетки являются активно делящимися и быстро растущими; в норме схожей активностью обладают клетки костного мозга. Соответственно, если раковые клетки более активны, чем окружающие ткани, то и повреждающее действие излучения причинит им более серьёзный вред.

Какие элементарные частицы используются в лучевой терапии? В клинике наиболее часто используются электроны, частицы с отрицательным зарядом, которые получают в линейном ускорителе, при этом они излучаются непосредственно (без промежуточной мишени). Пучок электронов применяется для лечения поверхностных опухолей, тогда как рентгеновские и гамма-лучи — для терапии глубоко расположенных. Другие частицы — протоны с положительным зарядом, альфа-частицы (ядра атома гелия), ионы с высоким зарядом (углерод, неон, аргон, кремний), пимезоны и нейтроны — используются значительно реже и по особым показаниям.

Существуют 2 типа воздействия лучевой терапии: корпускулярное и волновое. К первому относится воздействия в-частицами, нейтронное и протонное. А к волновомурентгеновское излучение и г-излучение. Наибольший интерес представляет протонная терапия.

Протонная терапия является одним из видов корпускулярной терапии, которая использует протоны для облучения больной ткани, причем наиболее часто при терапии канцерогенных заболеваний.

Протонная терапия, подобно другим видам радиотерапии воздействует нацеливанием ускоренных ионизирующих частиц (в данном случае, протонов, разогнанных в ускорителе частиц) на облучаемую опухоль. Эти частицы повреждают ДНК клеток, вызывая в конечном случае их гибель. Раковые клетки, из-за высокого темпа их деления и из-за меньшей способности к восстановлению поврежденной ДНК особенно болезненно воспринимают атаку на носителя их наследственности.

Благодаря их относительно огромной массе, протоны испытывают небольшое поперечное рассеяние в ткани, а дисперсия их продольного пробега очень невелика; пучок можно сфокусировать на опухоль, не внося неприемлемых повреждений в окружающие здоровые ткани. Все протоны заданной энергии имеют совершенно определенный пробег; ничтожное их число превышает это расстояние. Более того, практически вся радиационная доза выделяется в ткани на последних миллиметрах пробега частиц; этот максимум называют Брегговским пиком. Местоположение Брегговского пика зависит от энергии, до которой были разогнаны частицы в ускорителе, эта энергия в большинстве случаев должна находиться в диапазоне от 70 до 250 миллионов электронвольт (Мэв). Следовательно, появляется возможность сфокусировать область разрушения клеток протонным пучком в глубине здоровой ткани, окружающей опухоль; ткани, расположенные до Брегговского пика получают некоторую незначительную дозу. Более того, эта доза может быть еще уменьшена за счет прецизионного вращения либо самого пучка вокруг пациента, либо прецизионного вращения всего тела пациента при пространственно стабильном пучке протонов. Ткани, расположенные за Брегговским пиком практически не получают ионизационной дозы.

Радиоизотопная диагностика.

Радиоизотопная диагностика — раздел радиологии, предмет изучения которого — использование радиоактивных изотопов и меченных ими соединений для распознавания заболеваний. Становление современной радиоизотопной диагностики обусловлено открытием искусственной радиоактивности (1934), определившим возможности получения радиоактивных препаратов (изотопов или их соединений), которые позволяют при введении их в организм (in vivo) или в биологические среды организма (in vitro) изучить состояние органов и систем в норме и патологии. Регистрация кинетики (во времени и пространстве) радиоактивных препаратов осуществляется методами радиометрии. Специальная аппаратура даёт возможность представить радиодиагностическую информацию в виде цифровых величин, графического изображения и картины пространственного распределения препарата в органах и системах (сцинтиграммы).

В основе методов радиоизотопной диагностики лежат следующие принципы:

• 1. оценка степени разведения радиоактивного препарата в жидких средах организма (определение объёма циркулирующей крови, водного обмена, обмена калия, натрия и др.)
• 2. определение изменения (во времени) уровня радиоактивности в органах и системах организма или очаге поражения (изучение центральной и периферической гемодинамики, гепатография, ренография, радиопневмография, определение внутритиреоидного этапа йодного обмена, изучение динамики относительного уровня фосфорного обмена в очаге поражения и др.).
• 3. визуализация распределения введённого в организм радиоактивного препарата (методы скенирования и гаммасцинтиграфии органов и систем: головного мозга, щитовидной железы, лёгких, печени, почек, костного мозга, костей, лимфатической системы и др.)
• 4. определение выведения радиоактивных препаратов из организма или их перераспределения в его биологических средах (определение желудочно-кишечного кровотечения, белково-связанного йода в крови, всасывания нейтральных жиров и др.)
• 5. взаимодействие «in vitro» меченых соединений с составными частями биологических сред организма (без введения радиоактивных препаратов в организм), в частности взаимодействие по типу «антиген-антитело» (определение тироксинсвязывающей способности сыворотки, концентрации различных гормонов в крови и др.).

Нейтрон-захватная тераия — метод радиотерапии, при котором в опухоли предварительно накапливают бор, гадолиний, кадмий, а затем ее облучают потоком тепловых нейтронов. В онкологических клиниках уже применяется терапия на основе бора. Остальные варианты находятся в фазе экспериментов.

В результате поглощения нейтрона бором происходит атомная реакция с большим выделением энергии в клетке, что приводит к ее уничтожению. Бор поглощает нейтрон очень эффективно: сечение поглощения теплового нейтрона 3837 барн, в то время как сечение поглощения нейтрона большинством элементов — порядка единиц барн.

В результате поглощения нейтрона бором образуется возбужденное ядро бора, которое за 10−12секунды распадается на ядро лития и альфа-частицу, разлетающиеся с большой энергией. В 6% случаев их суммарная энергия 2,8 МэВ, а в 94% - 2,3 МэВ, поскольку 0,48 МэВ выносится гамма-квантом. Эти заряженные частицы быстро тормозятся: ядро лития на длине 5 мкм, альфа частица на 7 мкм. Поскольку размер клетки порядка 10 мкм, то видно, что 80% энергии ядерной реакции выделяется именно в той клетке, которая содержала ядро бора, поглотившего нейтрон.

Нейтронозахватная терапия более безопасна, чем стандартная рентгенотерапия. Однако этот вид лечения находится в фазе развития и имеет свои ограничения.