Фізичні та біологічні основи променевої терапії

Рис.1. Протони з енергією 160-180 МеВ

Наявність піку Брегга і можливість управління його локалізацією на глибині створюють сприятливі умови для променевої терапії протонними пучками високих енергій. В даний час існують різні пристрої, за допомогою яких з плазмового шнура, палаючого у водневій атмосфері, витягуються вільні від електронів ядра водню - протони. Вони прискорюються в циклічних прискорювачах, набуваючи необхідну енергію.

Основними перевагами використання протонних пучків в променевої терапії є формування не розходяться пучків і можливість підведення необхідної кількості енергії на задану глибину, відповідну піку Брегга. При цьому тканини, розташовані за межами пучка, практично не пошкоджуються. Ділянка піку Брегга для протонів невеликий, але можна використовувати пучок з різними енергіями і таким чином зруйнувати весь вогнище ураження.

Негативно заряджені частинки.

b-випромінювання являє собою потік електронів і позитронів, що виникає в результаті внутрішньоядерних перетворень нейтронів і протонів.

На відміну від a-частинок b-частинки характеризуються безперервним енергетичним спектром. Шлях електрона в речовині звивистий, оскільки він володіє малою масою і легко змінює напрямок внаслідок зіткнення з електронами атомів. Тому початковий пучок електронів в тканинах має тенденцію до розбіжності (розсіювання електронів). При гальмуванні швидких електронів в поле ядра атомів виникає гальмівне фотонное випромінювання.

Унаслідок великої швидкості проникаюча здатність b-частинок вище, ніж у a-частинок. У повітрі вона становить близько 10 м, в м'язових тканинах - 10 мм. b-активні препарати використовуються при лікуванні злоякісних пухлин, локалізація яких дозволяє забезпечити безпосередній контакт з цими препаратами. Рідше вони використовуються з метою діагностики.

За допомогою сучасних прискорювачів створюються електронні пучки високих енергій (до 15-50 МеВ), що володіють великою проникаючою здатністю. Середня довжина вільного пробігу таких електронів може досягати в тканинах людського організму 10-20 см. Електронний пучок, поглинаючись в тканинах, створює дозное поле, що відрізняє цей вид випромінювання від інших. Максимум іонізації при цьому утворюється поблизу поверхні тіла. Розміри зони максимуму іонізації знаходяться в прямій залежності від величини енергії випромінювання. За межами максимуму відбувається досить швидкий спад дози.

Електронний пучок з енергією до 5 МеВ використовується при лікуванні поверхневих злоякісних новоутворень, з енергією від 20 до 50 МеВ - більш глибоко розташованих. Сучасні прискорювачі дають можливість плавно регулювати енергію пучка електронів і тим самим створювати необхідну дозу на будь-якій глибині.

p-мезони - бесспіновие елементарні частинки з масою, величина якої займає проміжне місце між масами електрона і протона.

Негативні p-мезони при "вході" в речовина на початку шляху поводяться подібно протонам, потім основна частина мезонів зупиняється на певній глибині і зі 100% -й вірогідністю захоплюється атомами (киснем і азотом тканин), а потім поглинається їх ядрами. При цьому в ядро ​​вноситься дуже велика енергія (більше 100 МеВ), у результаті чого ядро ​​сильно збуджується і розпадається з випусканням нейтронів, протонів, дейтронів та a-частинок, які і викликають сильну іонізацію речовини.

Таким чином, всі заряджені частинки в результаті їх електростатичного взаємодії з електронами речовини, що опромінюється призводять до безпосередньої прямої іонізації його атомів і молекул.Ето взаємодія тим ефективніше, чим вище порядковий номер речовини-поглинача. Тому захисні пристрої, що екранують взаємодія ІІ на біологічні об'єкти, виконуються з речовин з високим атомним номером.

Процеси взаємодії нейтронів з речовиною визначаються як енергією нейтронів, так і атомним складом поглинаючого середовища. Відсутність у нейтронів електричного заряду дозволяє йому проникати через електронні оболонки атомів і вільно наближатися до ядра.

- суміші a-випромінювачів з берилієм або бором:

При впливі на тканини нейтрони захоплюються ядрами атомів, що призводить до порушення їх структури і супроводжується випусканням a - або b-частинок і g-квантів. Крім того, при ядерних перетвореннях звільняються ядра віддачі, які володіють великою енергією, виробляють високу іонізацію середовища. Їх іонізуюча здатність близька до іонізуючої здатності a-частинок. Однак нищівну силу нейтронів значно вище внаслідок їх великої проникаючої здатності. При опроміненні нейтронами в клітці виникає одномоментний розрив ДНК, що призводить до її загибелі. Так як гинуть не тільки пухлинні, але і здорові клітини, для нейтронів характерний високий відсоток променевих ушкоджень. З усіх видів ІВ швидкі нейтрони володіють найбільшою радіаційною небезпекою. Швидкі нейтрони краще сповільнюються на ядрах легких елементів (вода, парафін, жирова тканина). Отже, поглинена доза виявляється більшою в жировій тканині, що призводить до променевим ушкодженням.

Висока проникаюча здатність відкриває перспективи для використання нейтронів у променевій терапії злоякісних новоутворень.

При вирішенні питань захисту від нейтронного випромінювання необхідно враховувати специфіку його взаємодії з речовиною. Для швидких нейтронів необхідно їх уповільнити. Для цього використовуються легкі ядра (вода, парафін). Повільні нейтрони потім поглинаються в результаті радіаційного захоплення в матеріалах, виготовлених з бору або кадмію. Оскільки процес захоплення супроводжується випромінюванням g-кванта, необхідно використовувати в якості захисного матеріалу свинець. Таким чином, захист від нейтронів є складною конструкцією.

Нейтронозахвативающая терапія. Вперше метод запропонований Locherв 1936 г. При цьому методі використовується потік повільних нейтронів, одержуваних від ядерних реакторів. Для диференційованого опромінення з максимальним ефектом в пухлини і мінімальним в нормальних тканинах необхідно насичення пухлини елементами, що характеризуються великим поперечним перерізом захоплення повільних нейтронів. Такими елементами є бор (10 В) і літій (6 Li). Однак туморотропностью ці елементи не володіють. Для збагачення ними пухлини використана різна швидкість дифузії їх з кровоносної системи в тканини (тобто ці елементи повільно переходять з крові в головний мозок, а в пухлинну тканину надходять значно швидше). Встановлено, що через 30 хвилин після внутрішньовенного введення сполук бору його концентрація в пухлини мозку в 4-5 разів вище, ніж в нормальній тканині. І саме в цей час повинно проводитися опромінення. Концентрація бору і літію в м'язовій тканині дуже велика, і тому нейтронозахвативающую терапію не можна застосовувати при пухлинах тулуба і кінцівок. Цей метод можна застосовувати тільки при пухлинах мозку.

До фотонним ІІ відносяться g-випромінювання радіоактивних речовин, характеристичне і гальмівне випромінювання, що генеруються різними прискорювачами. ЛПІ фотонного випромінювання найнижча (1-2 пари іонів на 1 см 3 повітря), що визначає його високу проникаючу здатність (в повітрі довжина пробігу становить кілька сот метрів).

g-випромінювання виникає при радіоактивному розпаді. Перехід ядра із збудженого в основний стан супроводжується випромінюванням g-кванта з енергіями від 10 кеВ до 5 МеВ. Основними терапевтичними джерелами g-випромінювання є g-апарати (гармати).

Гальмівний рентгенівське випромінювання виникає за рахунок прискорення і різкого гальмування електронів в вакуумних системах різних прискорювачів і відрізняється від рентгенівського більшою енергією квантів (від одного до десятків МеВ).

При проходженні потоку фотонів через речовину відбувається його ослаблення в результаті наступних процесів взаємодії (тип взаємодії фотонів з атомами речовини залежить від енергії фотонів):

- Класичне (когерентне, або томпсоновським, розсіювання) - для фотонів з енергією від 10 до 50-100 кеВ. Відносна частота цього ефекту мала. Відбувається взаємодія, яке істотної ролі не грає, так як падаючий квант, зіткнувшись з електроном, відхиляється, і його енергія не змінюється.

- Фотоелектричне поглинання (фотоефект) - при відносно малих енергіях - від 50 до 300 кеВ (грає істотну роль при рентгенотерапії). Падаючий квант вибиває орбітальний електрон з атома, сам при цьому поглинається, а електрон, трохи змінивши напрямок, летить. Цей полетів електрон називається фотоелектронна. Таким чином, енергія фотона витрачається на роботу виходу електрона і на надання йому кінетичної енергії.

- Ефект Комптона (некогерентного розсіювання) - виникає при енергії фотона від 120 кеВ до 20 МеВ (тобто практично весь спектр променевої терапії). Падаючий квант вибиває електрон з зовнішньої оболонки атома, передаючи йому частину енергії, і змінює свій напрямок. Електрон вилітає з атома під певним кутом, а новий квант відрізняється від початкового не тільки іншим напрямком руху, а й меншою енергією. Утворився квант буде побічно іонізувати середовище, а електрон - прямо.

- Процес утворення електронно-позитронного пар - енергія кванта повинна бути більше 1,02 МеВ (подвоєною енергії спокою електрона). З цим механізмом доводиться рахуватися при опроміненні хворого пучком гальмівного випромінювання високої енергії, тобто на високоенергетичних лінійних прискорювачах. Поблизу ядра атома падаючий квант відчуває прискорення і зникає, перетворюючись в електрон і позитрон. Позитрон швидко об'єднується із зустрічним електроном, і відбувається процес анігіляції (взаємного знищення), а натомість виникають два фотона, енергія кожного з яких вдвічі менше енергії вихідного фотона. Таким чином, енергія первинного кванта переходить в кінетичну енергію електрона і в енергію анігіляційного випромінювання.

- Фотоядерні поглинання - енергія квантів повинна бути більше 2,5 МеВ. Фотон поглинається ядром атома, в результаті чого ядро ​​переходить в збуджений стан і може або віддати електрон, або розвалитися. Таким чином виходять нейтрони.

В результаті перерахованих вище процесів взаємодії фотонного випромінювання з речовиною виникає вторинне фотонное і корпускулярне випромінювання (електрони і позитрони). Іонізаційна здатність частинок значно більше, ніж фотонного випромінювання.

Просторове ослаблення пучка фотонів відбувається за експоненціальним законом (законом зворотних квадратів): інтенсивність випромінювання обернено пропорційна квадрату відстані до джерела випромінювання.

Випромінювання в діапазоні з енергією від 200 кеВ до 15 МеВ знайшло найширше застосування в терапії злоякісних новоутворень. Велика проникаюча здатність дозволяє передавати енергію глибоко розташованим пухлин. При цьому різко знижується променеве навантаження на шкіру і підшкірну клітковину, що дозволяє підвести необхідну дозу до вогнища ураження без променевого ушкодження зазначених ділянок тіла (на відміну від м'якого рентгенівського випромінювання). Зі збільшенням енергії фотонів більше 15 МеВ збільшується ризик променевого ураження тканин на виході з пучка.

В основі застосування ІІ в ЛТ злоякісних пухлин лежать глибокі знання біологічної дії ШІ на різні органи, тканини і пухлини, яке представляє собою надзвичайно складний процес, що супроводжується певними морфологічними і функціональними змінами опромінюваної тканини. При цьому чітко простежується поєднання регресивних явищ з відновними, що знаходяться в тісній залежності від поглиненої енергії і часу, що пройшов після опромінення. Чіткі уявлення про ці процеси послужили основою для успішного застосування випромінювань в лікувальних цілях як засобу, що дозволяє знищити пухлинну тканину і придушити її зростання, в той же час уникнути необоротних постлучевих змін оточують пухлину нормальних органів і тканин.

У біологічному дії ІІ першою ланкою є поглинання енергії випромінювання з подальшим взаємодією його з речовиною тканини, яке протікає дуже короткий час - частки секунди. В результаті такої взаємодії в клітинах тканин і органів розвивається цілий ланцюг біофізичних, біохімічних, функціональних і морфологічних змін, які в залежності від конкретних умов протікають в різні терміни - хвилини, дні, роки. При взаємодії випромінювань з речовиною виникають іонізація і збудження атомів і молекул речовини, що опромінюється і утворюється тепло. При опроміненні процеси іонізації і збудження виникають тільки уздовж шляху іонізуючої частинки.

В результаті іонізації атома або молекули виникає два іона з позитивним і негативним зарядом. Обидва іона нестабільні, хімічно активні, мають виражену тенденцію до з'єднання з центральними молекулами, при порушенні яких змінюється електронна конфігурація молекули, що може привести до розриву її молекулярних зв'язків. Продукти розщеплення прореагировавших молекул також виявляються хімічно активними і, в свою чергу, вступають в хімічні реакції з нейтральними молекулами. Іонізація молекул води, якої в організмі більше 80%, веде до її розщеплення і утворення Н +. ВІН, Н2 О2. Н2. що володіють значною хімічною активністю і викликають окислення розчинних у воді речовин.

Таким чином, первинні фізичні процеси - іонізація і збудження атомів і молекул - призводять до хімічної перебудови опромінених молекул. У первинному механізмі біологічної дії розрізняють пряму дію (зміни, що виникають в молекулах клітин в результаті іонізації або збудження) і непряме (об'єднує всі хімічні реакції, що протікають з хімічно активними, але не іонізованими продуктами дисоціації іонізованих молекул).

Процеси іонізації і збудження є пусковими механізмами, які визначають всі наступні зміни в опромінюваних тканинах. Можливість іонізації залежить від розмірів молекули: чим більше її розміри, тим більша ймовірність її взаємодії з іонізуючої часткою. Всі найбільш важливі молекули мають великий обсяг. Прикладом можуть служити молекули ДНК, які беруть участь у передачі спадковості, в процесах розмноження і регуляції обміну в клітині. Опромінення призводить до розриву молекул, порушення структури ДНК. У облученной клітці порушуються процеси регуляції та діяльності її окремих складових (мембрани, мітохондрії і ін.). Загибель клітин, навіть при опроміненні великими дозами, може розтягуватися на тривалий час. Розрізняють два види загибелі клітин внаслідок опромінення: митотическая загибель (інактивація клітини слідом за опроміненням після першого або наступного мітозів) і інтерфазна загибель (загибель до вступу її в фазу мітозу).

Непряме дію випромінювань викликає менш грубі порушення, часто оборотні, але вони охоплюють більше число молекул в об'ємі тканин, що значно перевищує розміри полів опромінення. Прикладом непрямої дії може служити загальна реакція організму, лейкопенія, розвивається і в тих випадках, коли кістковий мозок виключений із зони опромінення.

Інтенсивність реакцій, пов'язаних з прямим і непрямим механізмами дії ІІ, залежить крім вихідного стану організму від ряду фізичних і хімічних чинників. До фізичних факторів належать доза і її потужність - з їх збільшенням біологічний ефект посилюється. Також біологічний ефект залежить від якості випромінювання, яке характеризується ЛПЕ і ЛПІ, так як ефект опромінення обумовлений не тільки кількістю поглиненої енергії, але і її макро - і мікрораспределенія в тканинах.

Введення кисню в тканини після опромінення не впливає на радіочутливість клітин, навпаки, воно сприяє більш швидкому відновленню їх після променевого впливу. Протилежна дія - зниження радіочутливості тканин - надають так звані протектори - речовини, що зв'язують кисень і радикальні групи і, таким чином, пригнічують розвиток реакції непрямої дії.

Зміни хімічної структури атомів і молекул під впливом опромінення ведуть до розвитку в клітинах біохімічних реакцій, не властивих їм в нормальному стані. Країни, що розвиваються біохімічні зміни вельми різноманітні, і значення їх для життя клітини неоднаково. Порушуються окисні процеси, білковий, жировий, вуглеводний обміни, інактивуються ензими і ферменти.

1. Дударєв А.Л. Променева терапія. Л. Медицина, 1988.192 с.

2. Кишковський А.Н. Дударєв А.Л. Променева терапія непухлинних захворювань. М. Медицина, 1977.176 с.

3. Клінічна Рентгенорадіологія: Керівництво: У 5 т. / Под ред.

4. Г.А. Зедгенідзе Т.5. М. Медицина, 1985.496 с.