В ходе исследования, проведенного в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ученые подтвердили, что использование флэш-режима в радиотерапии поможет сберечь окружающие опухоль здоровые ткани. Результаты эксперимента показали большую выживаемость клеток при облучении протонами во флэш-режиме, в отличие от облучения при стандартных мощностях доз. Эксперимент проводился на установке ЛЯП – фазотроне – с образованием высокоинтенсивного протонного пучка. По мнению ученых, данное исследование поможет в развитии методов радиотерапии в будущем, а также приблизит их к пониманию механизма действия флэш-эффекта.

Фазотрон ЛЯП ОИЯИ

Основная проблема лучевой терапии в том, что она может наносить вред окружающим опухоль здоровым тканям. Поэтому подводимая к опухоли доза ограничивается ее токсичностью для близлежащих здоровых биологических структур. Это может привести к снижению эффективности проводимой лучевой терапии и неполному уничтожению опухоли. Для уменьшения частоты возникновения радиационно-индуцированных побочных эффектов можно применять фракционирование дозы, то есть ее разделение на несколько сеансов. Также можно усовершенствовать способы доставки дозы в опухоль. Однако сегодня все большее значение придается флэш-терапии.

Флэш-терапия — инновационный метод облучения, основанный на одноименном явлении – флэш-эффекте. Смысл метода в том, что вся лечебная доза подводится к патологическому очагу за очень короткое время – порядка нескольких десятков миллисекунд. В таком режиме облучения уменьшается степень повреждения нормальных тканей, окружающих опухоль и попадающих под действие излучения, в то же время воздействие на раковые клетки сохраняется практически на прежнем уровне, что улучшает перспективу локального контроля опухоли при меньшей частоте возникновения побочных эффектов.

В настоящее время получены определенные результаты, в частности, показано, что флэш-терапия эффективно снижает токсичность в легких, кишечнике, головном мозге и коже лабораторных животных, а также позволяет сохранять противоопухолевый эффект в раковых клетках. При этом флэш-терапия на пучках электронов в первую очередь подходит для поверхностных опухолей (например, рака кожи), тогда как с помощью протонной флэш-терапии можно лечить глубоко расположенные новообразования. Это связано с тем, что протоны отличаются отсутствием рассеяния излучения в теле и возможностью торможения пучка на заданной глубине. При этом с глубиной проникновения плотность энергии возрастает, величина поглощенной дозы увеличивается, достигая так называемого пика Брэгга – максимума в конце пробега частиц.

Пилотные работы по исследованию флэш-эффекта были начаты в ОИЯИ еще в 2020 году. С этой целью на фазотроне был сформирован высокоинтенсивный, однородный в сечении, протонный пучок. Были также спроектированы, изготовлены и успешно испытаны две ионизационные камеры для мониторинга интенсивности пучка и измерения его горизонтального и вертикального профилей, разработано программное обеспечение для экспресс-обработки отсканированных изображений с радиохромных пленок, запечатлевающих профили пучка. Все это позволило начать проведение исследований флэш-эффекта при облучении как клеточных культур, так и малых лабораторных животных (мышей, крыс). В настоящее время группа ученых ОИЯИ завершили большую работу — по изучению выживаемости культуры клеток карциномы легкого человека линии А549 после облучения протонным пучком.

Восстановленные с радиохромной пленки горизонтальный и вертикальный профили сформированного «широкого» протонного пучка в месте облучения

Клетки карциномы легкого человека линии А549 были взяты в банке клеточных культур Санкт-Петербурга и использовались учеными ОИЯИ в качестве модели. Для проведения эксперимента были выбраны именно опухолевые клетки, так как они легко культивируются in vitro и являются удобной моделью для изучения радиобиологических эффектов.

Облучение культуры клеток проводилось на протонном пучке 660 МэВ фазотрона ЛЯП ОИЯИ методом «напролет» (то есть с фиксированной энергией выведенного пучка) в двух режимах: стандартном, при мощности дозы около 0,1 Гр/с, и во флэш-режиме, при мощности дозы 70 Гр/с. Для сравнения результатов облучения в двух разных режимах: флэш- и стандартном – изучали клоногенную выживаемость клеток линии А 549. «Для этого облученные в двух исследуемых режимах клетки высевали на чашки Петри с низкой плотностью и культивировали в стандартных условиях в течение времени, необходимого для формирования колоний, – рассказывает старший научный сотрудник отдела фазотрона ЛЯП ОИЯИ Анна Рзянина. – Это нужно, чтобы единичные клетки могли сформировать отдельно растущие колонии (предполагается, что каждая колония выросла из одной клетки). Примерно через 12-14 суток из единичных клеток формируются колонии, видимые невооруженным глазом. После окраски колоний специальными красителями можно посчитать количество выросших колоний и по специальной формуле рассчитать выживаемость клеток после облучения в исследуемых режимах.

По результатам эксперимента ученые отметили, что статистически значимое различие в двух группах образцов появилось только при больших дозах – 4 и 6 Гр, а в диапазоне доз до 2 Гр планки погрешностей пересекаются. Тем не менее, если рассматривать общую тенденцию, то отчетливо видно, что облучение протонами при сверхвысокой мощности дозы снижает выживаемость клеток меньше, чем облучение в стандартном режиме.

«Это позволяет сделать вывод, что облучения во флэш-режиме оказывается для клеток более щадящим. Поэтому дальнейшее изучение флэш-эффекта представляет огромный теоретический и практический интерес. Применение флэш-режима в радиотерапии может минимизировать повреждения здоровой ткани и сократить количество фракций облучения. Тем не менее, к настоящему времени отсутствует хорошо проработанное представление о механизме действия флэш-эффекта. Необходимы дальнейшие исследования, которые помогут прояснить его радиобиологический механизм. Также следует уделить особое внимание разработке специального оборудования и средств дозиметрии для проведения экспериментов в режиме флэш-облучения. В настоящее время над этой проблемой в ЛЯП активно работают старший научный сотрудник Алексей Агапов и научный сотрудник Константин Шипулин под руководством начальника отдела фазотрона Геннадия Мицына», – подытожила Анна Рзянина.

Список литературы:

1. V. Favaudon, R. Labarbe, C.L. Limoli. Model studies of the role of oxygen in the FLASH effect. // Med Phys. 49 (3), 2068 (2022)
2. А.А. Вайнсон, Е.В. Соловьева. Флэш-эффект в лучевой терапии злокачественных новообразований и поиски его радиобиологического объяснения. Онкологический журнал: лучевая диагностика, лучевая терапия. // Онкологический журнал: лучевая диагностика, лучевая терапия. 5(4), 9 (2022)
3. J. Bourhis, W.J. Sozzi, P.G. Jorge et al. Treatment of a first patient with FLASH-radiotherapy. // Radiother Oncol. 139, 18 (2019)
4. А.В. Агапов, В.Н. Гаевский, Е.И. Лучин, Г.В. Мицын, А.Г. Молоканов, М.А. Цейтлина, С.В. Швидкий, К.Н. Шипулин. 50 лет со дня облучения первого пациента протонным пучком в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) // Медицинская физика. 4 (76), 121 (2017)
5. J.D. Wilson, E.M. Hammond, G.S. Higgins, K. Petersson. Ultra-High Dose Rate (FLASH) Radiotherapy: Silver Bullet or Fool’s Gold? // Front Oncol. 9, 1563 (2020)
6. P. Montay-Gruel, K. Petersson, M. Jaccard, G. Boivin, J-F. Germond, B. Petit et al. Irradiation in a Flash: Unique Sparing of Memory in Mice After Whole Brain Irradiation With Dose Rates Above 100 Gy/s. // Radiother Oncol. 124, 365 (2017)
7. P. Montay-Gruel, M.M. Acharya, K. Petersson, L. Alikhani, C. Yakkala, B.D. Allen et al. Long-Term Neurocognitive Benefits of FLASH Radiotherapy Driven by Reduced Reactive Oxygen Species. // Proc. Natl. Acad. Sci. 116, 10943 (2019)
8. C. Fouillade, S. Curras-Alonso, L. Giuranno, E. Quelennec, S. Heinrich, S. Bonnet Boissinot et al. FLASH Irradiation Spares Lung Progenitor Cells and Limits the Incidence of Radio-Induced Senescence. // Clin. Cancer Res. 26, 1497 (2019)