Протонная терапия

2005 г. Пультовая комната синхроциклотрона в центре протонной терапии Orsay, Франция.

Протонная терапия является одним из видов корпускулярной терапии (Particle therapy), которая использует протоны для облучения больной ткани, причем наиболее часто при терапии рака.

Описание

Облучение ткани достигает максимума лишь в нескольких последних миллиметрах полёта частицы.

В отличие от быстрых электронов или гамма-излучения (Х-rays), ускоренные протоны передают энергию в живую ткань на последних нескольких миллиметрах пробега. (По вертикали - поглощённая доза, по горизонтали - глубина в сантиметрах)

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 сравнительно большой массе протоны испытывают лишь небольшое поперечное рассеяние в ткани, а разброс длины их пробега очень мал; 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 Брэгговским пиком. Местоположение Брэгговского 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 Брэгговского пика получают некоторую незначительную дозу. Более того, эта доза может быть ещё уменьшена за счет прецизионного вращения либо самого пучка вокруг пациента с помощью специального устройства гантри, либо прецизионного вращения всего тела пациента при пространственно стабильном пучке протонов. Ткани, расположенные за Брэгговским пиком, практически не получают ионизационной дозы.

Ранняя история протонной терапии

Первое предложение о том, что ускоренные протоны могут быть эффективным средством лечения было сделано Робертом Вильсоном в статье, опубликованной в 1946 году. В это время он был участником проектирования циклотронной лаборатории в Гарварде (HCL). Первые опыты по облучению пациентов были проделаны на ускорителях, построенных для физических исследований, а конкретно в Радиационной лаборатории в Беркли в 1954 и в Университете Уппсала (Швеция) в 1957.

В 1961 году началось сотрудничество между HCL и Центральной больницей штата Массачусетс (Massachusetts General Hospital (MGH) по развитию метода протонной терапии. В течение последующих 41-го года программа модернизировалась и улучшалась. Было пролечено 9 116 пациентов вплоть до закрытия циклотрона в 2002 году.

В СССР терапевтический протонный пучок с энергией до 200 МэВ был получен на синхроциклотроне Объединённого института ядерных исследований (Дубна) в 1967 году. Пучок выводился в специализированное процедурное помещение, пристроенное к корпусу синхроциклотрона, где было размещено ротационное кресло для фиксации пациента, дозиметрическое, юстировочное и другое вспомогательное оборудование, предназначенное для контроля облучения пациентов.

В США в 1990 году был построен специализированный клинический центр протонной терапии в городе Лома Линда, штат Калифорния (Loma Linda University Medical Center (LLUMC), недавно переименованный в Центр Протонной Терапии имени Джеймса Слейтера, James M. Slater Proton Therapy Center.

Затем был построен Северо-восточный Центр Протонной Терапии в Центральной больнице штата Массачусетс (недавно переименованный в Центр Протонной Терапии имени Френсиса Барра, Francis H. Burr Proton Therapy Center). В течение 2001 и 2002 годов сюда были перемещены все терапевтические программы HCL.

За и против терапии

Воздействие на опухоль носоглотки с помощью фотонной терапии (слева) и протонной терапии (справа): сравнение полученных радиационных доз. Из исследования Taheri-Kadkhoda et al., 2008.

Метод позволяет прецизионно нацеливаться на опухоль и уничтожать её на любой глубине тела. Окружающие ткани получают минимальный урон. По этой причине протонная терапия особенно хороша для некоторых видов опухолей, где обычная Радиационная терапия наносит неприемлемый ущерб окружающим тканям. Это особенно важно при лечении детей, когда длительное облучение приводит к возникновению Вторичных опухолей, возникающих при избыточных радиационных дозах. Из-за меньшей дозовой нагрузки на здоровые ткани протоны создают гораздо меньше побочных радиационных эффектов, чем в обычной радиационной терапии.

Логика применения протонной терапии при лечении наиболее распространенных онкозаболеваний (например, опухоль легкого, внутричерепная, в шейном отделе позвоночника и т. д.) подобна логике хирургии, как окончательной местной терапии. Мы знаем, однако, что это не совсем так. Раковые клетки способны распространяться в микроскопических количествах из очага опухоли на ранних стадиях заболевания.

Исторически существовала одна область, где протонная терапия имела неоспоримое преимущество: хориоидальная злокачественная меланома, так как при этом заболевании единственным методом было удаление глаза. Сегодня протонная терапия способна вылечить эту опухоль без увечий. Протонная терапия используется при лечении на ранних стадиях рака.

Технология

Протонная терапия до сих пор использовала очень массивное и тяжелое оборудование массой в сотни тонн. Так, например, синхроциклотрон терапевтического центра в Орсэ (Франция) имеет суммарную массу 900 тонн. Ранее подобное оборудование было доступно только в физических центрах по изучению элементарных частиц; применительно к Орсэ пришлось переоборудовать машину для физических экспериментов в медицинскую.

Лечение протонами глазных опухолей проводится в Сакраменто на установке Davis Калифорнийского Университета, эта установка находится в оперативном подчинении факультета радиационной онкологии Калифорнийского Университета. По оценкам, более 44 000 пациентов было пролечено протонной терапией с положительным результатом. В Швейцарии в Институте Пауля Шерера, начиная с 1984 года было пролечено около 5 000 пациентов с опухолями глаза.

На сегодняшний день заработал Институт протонной терапии Среднего Запада в университете Индианы. Летом 2006 года заработали ещё два медицинских центра: коммерческий Протонный онкологический Центр им. М. Д. Андерсона в Университете Техаса, Хьюстон, штат Техас, и Институт протонной терапии Университета Флориды в Джэксонвилле, штат Флорида. (Последний институт уникален тем, что расположен на поверхности земли. Во всех центрах, построенных до этого, протонный циклотрон располагали под землей для обеспечения радиационной защиты. Во Флориде очень высок уровень грунтовых вод, поэтому помещение ускорителя было поднято на поверхность, а толщина стен увеличена до 5,5 метра в некоторых зонах для надежной радиационной защиты.)

В Университете Пенсильвании намечено открытие крупнейшего в мире института протонной терапии (Центр протонной терапии им. Робертса при Центре перспективной медицины им. Перельмана) в 2009 году. Последние три здания были спроектированы архитектурной фирмой «Tsoi/Kobus и партнеры», оборудование для протонной терапии поставляется фирмой Ion Beam Applications (IBA).

В июле 2007 года, Центральная больница DuPage (CDH) в городе Winfield, штат Иллинойс, объявила о намерении создать совместное предприятие с ProCure Treatment Centers Inc. и Radiation Oncology Consultants, Ltd. с тем, чтобы организовать лечение онкобольных в Иллинойсе. Ожидается, что лечение больных в CDH начнется в 2010 году. В аналогичном партнерстве ProCure строит центр протонной терапии в Оклахома Сити, штат Оклахома, открытие намечено на 2009—2010 год. Оба учреждения приобретают оборудование у фирмы IBA.

На сентябрь 2017 года по данным PTCOG (Particle Therapy Co-Operative Group), в мире, включая установки в научно-исследовательских институтах, действовали 57 протонных ускорителей, применяемых для лечения заболеваний. Большая часть из них работает в США (19), Японии (12) и Германии (6).

Облучение протонами достигло впечатляющего прогресса при терапии многих видов рака, включая рак мозга, рак позвоночника, рак простаты. Некоторые исследователи предположили, что антипротоны могут быть ещё более эффективны в борьбе с раковыми клетками. До сих пор, однако, выполнена только самая начальная стадия исследований на клеточных структурах.

В России до недавнего времени велись весьма ограниченные клинические исследования на базе многофункциональных облучательных аппаратов физических научных центров. Так, протонная терапия развивается на базе ИТЭФ (г. Москва), РНЦРХТ (на базе ПИЯФ им. Б. П. Константинова г. Гатчина, Ленинградская область), ОИЯИ (г. Дубна). Эти три центра могли принять лишь около 1 % всех нуждающихся в таком виде лечения.

В сентябре 2017 года в Санкт-Петербурге начал работать первый в РФ клинический центр протонной терапии с поворотной системой гантри, построенный МИБС (Медицинский институт имени Березина Сергея).

Будущие центры терапии

В России были планы по строительству центров протонной терапии в Москве при больнице им. Боткина (заморожен в 2013 году), в Протвино и Пущино (Московская область). Идет реконструкция центра протонной терапии в ПИЯФ (г. Гатчина, Ленинградская область). Запланировано введение в эксплуатацию Комплексов протонной терапии (КПТ) в Институте ядерных исследований РАН в подмосковном Троицке и на базе Сибирского клинического центра ФМБА в Красноярске.

В США нарастает степень признания метода протонной терапии, отмечен его прогресс и потенциальные возможности для роста. Планируется строительство нескольких новых центров на территории США, большинство из которых требует инвестиций от $120 миллионов до $200 миллионов:

Hampton University в Хэмптоне, штат Вирджиния, планируется постройка установки стоимостью $183 миллиона, срок окончания строительства 2010 г.

Seattle Cancer Care Alliance, планируется установка в Сиэтле, штат Вашингтон, лечение начнется в 2012 году.

University of Pennsylvania, запланирован крупный комплекс в Филадельфии (упомянут выше), финансирование исходит от Министерства Обороны США в кооперации с Военным госпиталем Walter Reed*

Northern Illinois University строит онкологический центр по терапии и НИР в Чикаго на основе протонной терапии. К сожалению, оборудование пока не прошло сертификацию, и это вызывает озабоченность у налогоплательщиков.

Центр специальных методов терапии в Оклахома Сити, окончание строительства в 2009 году.

Barnes-Jewish Hospital в Сент. Луисе, штат Миссури.

Broward General в Форт Лодердейл и Orlando Regional в Орландо, штат Флорида планируют малобюджетные установки в пределах $20 миллионов.

National Taiwan University Hospital в Тайбэе, Тайвань получил в дар $400 миллионов от Foxconn на строительство протонного центра с плановым сроком завершения в 2010 году.

Chang Gung Memorial Hospital в уезде Тайбэй, Тайвань, планируется завершение строительства центра протонной терапии в 2010 г.

В штате Мичиган объединились шесть учреждений здравоохранения по всему штату и образовали Мичиганский Концорсиум Протонной терапии. Планируется строительство установки по обслуживанию всех жителей штата.

Одним из препятствий для широкомасштабного использования протонов для лечения рака является размер и стоимость необходимого циклотронного или синхроциклотронного оборудования. Массачусетский Технологический Институт (МИТ) в сотрудничестве с командой производственников ведет разработку сравнительно компактной ускорительной системы для облучения пациентов протонами. Как только эта технология будет отлажена, и если будут достигнуты дозовые нагрузки в тканях, необходимые для эффективной терапии, возможно значительное увеличение числа подобных установок. Так, уже упомянутые больницы в Сент-Луисе, Миссури, и две больницы во Флориде планируют приобретение этих установок. Центр в Оклахома Сити планирует использование циклотрона разработки фирмы IBA.

10 ноября 2009 г. в В Гейдельберге (Германия) открылся Центр ионной терапии — самое крупное в мире техническое сооружение медицинского назначения. Общая площадь центра — более 5000 м², сметная стоимость — около 119 миллионов евро.

В 2012 году произошло открытие Онкологического Центра протонной Терапии в Праге, Чешская Республика, специализирующегося на лечении больных раком с использованием высокоточного метода облучения протонным пучком. В распоряжении центра — 5 кабинетов лучевой терапии, включая кабинет для лечения опухолей глаза. Подробнее

В конце ноября 2015 года в МРНЦ имени А.Ф. Цыба, Обнинск начато лечение больных на установке протонной терапии в Протвино. В конце марта 2016 года в Обнинске прошел физический пуск комплекса протонной терапии «Прометеус».

К ноябрю 2016 года врачами МРНЦ им. А.Ф. Цыба пролечено более 60 пациентов (проведено около 2000 сеансов облучения опухолей головы и шеи) протонным пучком на комплексе «Прометеус» (первом вступившем в эксплуатацию), расположенном в Протвино. Имеющийся однокабинный протонный комплекс, исходя из уже накопленного опыта, может лечить 400–500 человек в год при эксплуатации в две смены.

На май 2017 года в Протвино ведется сборка еще семи установок «Прометеус», шесть из которых предназначены для отправки за рубеж.

По современным консервативным оценкам, 20% всех больных, нуждающихся в лучевом лечении, получат существенный выигрыш при использовании протонной терапии. Для России это означает примерно 50 тысяч больных в год. Но, поскольку до настоящего времени на уровне доказательной медицины не определены локализации, где протонная терапия признавалась бы безальтернативным выбором, каждое государство, исходя из своих финансовых возможностей, формирует собственный перечень новообразований, при которых использование протонной терапии будет оплачено из средств бюджета.

—

Поставщики оборудования

Процедурный кабинет установки протонной терапии MEVION S250i

Следующие фирмы в настоящее время поставляют или разрабатывают оборудование для протонной терапии:

• IBA Proton Therapy (Бельгия)
• Still River Systems (США)
• Optivus Proton Therapy (США)
• Hitachi (Япония)
• Sumitomo Heavy Industries, (Япония)
• Varian, (США) (поглотила в 2007 году компанию ACCEL (Германия)[1])
• Mitsubishi Electric, (Япония)[7]
• ЗАО «ПРОТОМ» (Россия)
• ООО «Particle Engineering Solutions»(Россия).

1. http://www.snof.org/maladies/melanome-oculaire.html
2. Health Care Renewal: M. D. Anderson Cancer Center Leases Its Name
3. CERN Bulletin
4. Elsevier Article Locator
5. Microsoft PowerPoint — AAPM_Lomax.ppt Read-Only
6. «Что такое протонная терапия?», Гусев А. Е.
7. «АДРОННАЯ ЛУЧЕВАЯ ТЕРАПИЯ», Гулидов И. А. Россия, г. Обнинск, Медицинский радиологический научный центр Российской академии медицинских наук. Материалы Всероссийского конгресса лучевых диагностов, Москва 6 — 8 июня 2007, Центр международной торговли, с. 110—111.
8. Владимир Сергеевич ХОРОШКОВ
9. Протонная пушка в Троицке. Видео на Younube.
10. ФГУ «Российский научный центр рентгенорадиологии»
11. Официальный сайт Медико-технического комплекса в Дубне
12. Онкологический центр протонной терапии
13. Список центров протонной терапии
14. Клинический центр протонной терапии МИБС (Медицинского института Березина Сергея)