Рожденная веком

Внутрь атома

Для ионизирующих излучений нет преград, они проникают всюду и потому имеют второе, не менее часто употребляемое наименование — проникающая радиация. Этим свойством она обязана присущей ей высокой энергии, превышающей энергию связи отдельных атомов и молекул в любом веществе живой или неживой материи, вследствие чего в зависимости от конкретной величины энергии (а также от заряда) она проникает внутрь атомов на разную глубину облучаемого объекта. Минимальная энергия излучения, потребная для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата, составляет 10—15 эВ. Среднюю энергию ионообразования принимают равной 34 эВ. Максимальную величину энергии ионизирующих излучений трудно назвать, она достигает значений тысяч, миллионов и миллиардов электрон-вольт.

Все существующие в природе и искусственно образуемые ионизирующие излучения можно разделить на два типа: электромагнитные и корпускулярные.

Электромагнитные (их иногда называют квантовыми, или фотонными) излучения имеют ту же природу, что и видимый свет или радиоволны, отличаясь от них только значительно меньшей (в тысячи раз и более) длиной волны, или, как принято говорить, большей жесткостью. Минимальное количество одномоментно поглощаемой энергии электромагнитного излучения называют квантом, или фотоном. Энергия квантов выражается отношением 12 400/%, где % — длина волны излучения в ангстремах. Отсюда понятно, что чем короче длина волны, тем больше энергия излучения. В связи с этим энергия квантов коротковолнового излучения на много порядков выше, чем энергия световых квантов. К электромагнитным излучениям относят рентгеновские лучи, гамма-лучи радиоактивных изотопов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. На рис. 1 представлена шкала электромагнитных излучений в логарифмическом масштабе.

Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения. Для наглядности приведены размеры атомов и биологических микрообъектов.

Все остальные виды ионизирующей радиации имеют корпускулярную природу и являются элементарными ядерными частицами. Большинство из них заряженные корпускулы: отрицательные — р-частицы, представляющие собой электроны, или положительные — протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра тяжелого водорода дейтерия), α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы — ядра других элементов. Кроме того, к корпускулярным излучениям относят не имеющие заряда ядерные частицы — нейтроны, которые опосредованно также вызывают ионизацию. Наконец, в последнее время стали активно изучать отрицательные пи-мезоны в связи с перспективой их использования в лучевой терапии опухолей.

Отдельные кванты, или фотоны, гамма- и рентгеновских лучей обладают наибольшей проникающей способностью. Не имея массы покоя и не обладая зарядом, они почти беспрепятственно проникают в глубь ткани. Пробег их, главным образом, зависит от плотности вещества, поэтому он быстро сокращается в таких плотных материалах, как свинец или бетон, используемых обычно в качестве защитных экранов. Естественно, что проникающая способность увеличивается с ростом энергии падающего фотона, расходуемой по ходу его движения на ионизацию атомов и молекул.

Существует несколько механизмов передачи энергии электромагнитного излучения веществу. Основной из них, характерный для взаимодействия излучений с энергией больше 1 Мэв, называется эффектом Комптона. При нем происходит как бы упругое столкновение между падающим фотоном излучения и выбиваемым электроном. Оставшуюся энергию уносит другой, вторичный фотон, образующийся в результате этого взаимодействия, который вновь претерпевает комптон-эффект, и т. д. до полного расходования энергии первичного фотона (рис. 2).

Рис. 2. Комптон-эффект. Падающий фотон с энергией Е испытывает соударение с электроном е, приводя его в движение и сообщая ему энергию Е_а. Остаток энергии E_s = =Е—Е_а уносится рассеянным фотоном

Аналогичным образом вызывают ионизацию и заряженные корпускулярные излучения, длина пробега которых увеличивается с энергией и уменьшается с массой частиц. Нейтроны из-за отсутствия электрического заряда беспрепятственно проникают в глубь атомов, и, сталкиваясь с их ядрами, либо поглощаются ими, либо отталкиваются от них, подобно бильярдным шарам. При таком упругом рассеянии образуются сильно ионизирующие протоны большой энергии, а при поглощении нейтронов атомными ядрами из последних вылетают протоны, α-частицы и у-кванты, которые также производят ионизацию. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или у-квантами. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь около 10% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода — протонами энергия нейтрона уменьшается почти втрое, передаваясь протону отдачи (рис. 3). Поэтому вещества, содержащие много водорода,— графит, вода, парафин — используют для защиты от нейтронного излучения, так как в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. Если энергии ионизирующих излучений не хватает для отрыва электрона, т. е. для ионизации, то такие кванты поглощаются атомами и приводят их в возбужденное состояние.

Рис. 3. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода вещества. Часть энергии нейтрона передается в виде кинетической энергии протону отдачи, а сам нейтрон остается с меньшей энергией, постепенно замедляется и затем поглощается в одном из ядер атомов вещества

Кроме длины пробега, остальные различия между отдельными видами ионизирующих излучений сводятся к пространственному распределению вызываемых ими актов ионизации. Энергию, теряемую фотоном или частицей на единице их пути, называют линейной потерей, или передачей энергии (ЛПЭ). За единицу ЛПЭ принимают количество энергии (в кэВ) излучения, расходуемой при прохождении им 1 мкм в воде. В зависимости от этой величины все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим обычно относят электромагнитные излучения и электроны, а к плотноионизирующим — нейтроны, дейтроны и более тяжелые заряженные частицы.

Однако это деление достаточно условное, так как ЛПЭ связана не с физической природой или массой частицы, а зависит от скорости ее полета. В современных мощных ускорителях тяжелые заряженные ядерные частицы разгоняют до огромных скоростей и энергий, в результате чего они могут ионизовать даже слабее, чем электроны, и их, конечно, следует рассматривать как редкоионизирующие излучения, как, впрочем, и космические лучи, состоящие в основном из протонов и тяжелых ядер. Поэтому к редкоиони-зирующим следует относить все виды излучений независимо от физической природы, имеющие ЛПЭ 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим — превышающие эту величину. В конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицы максимальна, что приводит к характерному распределению ионизаций, описываемому известной кривой Брэгга, с конечным максимумом — пиком Брэгга (рис. 4). Эта особенность взаимодействия тяжелых ядерных частиц используется, как мы увидим далее, при лечении опухолей, так как позволяет сосредоточить на глубине значительную энергию при ее максимальном рассеянии в здоровых тканях по ходу пучка.

В отличие от заряженных частиц кванты электромагнитного излучения проходят мимо многих атомов, не притягиваясь ими, и, как мы теперь уже знаем, лишь случайно, столкнувшись с одним из них, вышибают орбитальный электрон. Поэтому ионы на пути движения кванта появляются очень редко, а проникающая способность, т. е. длина пробега, электромагнитных излучений велика.

Рис. 4. Кривая Брэгга α-частицы

Биологический эффект прежде всего связан с количеством поглощенной энергии, т. е. с дозой излучения. Оценку дозы производят различными физическими и химическими методами. Самое общее представление о падающей энергии излучения может быть получено измерением количества энергии, освобождаемой источником излучения за время облучения в объекте. Чаще всего измеряют так называемую экспозиционную дозу, под которой понимают ионизирующую способность излучения в воздухе. Единицей ее измерения для электромагнитного излучения служит 1 рентген (Р). При дозе 1 Р электроны, освобожденные γ-квантами из 1 см³ воздуха, создают 2,08-10⁹ пар ионов; энергетическим эквивалентом рентгена является величина, равная 0,88-10~² Дж/кг. Для всех других видов ионизирующих излучений единицей дозы служат производные 1 Р, учитывающие относительную биологическую эффективность данного вида излучения.

Итак, фотоны и ядерные частицы, беспрепятственно ворвавшись внутрь молекул и атомов, превращают одни из них в ионы, а другие приводят в возбужденное состояние. Результаты этой «молекулярной катастрофы» незамедлительно сказываются на дальнейшей судьбе облученных клеток, тканей и организмов. Нам еще предстоит не только рассмотреть все последующие акты драмы, но и увидеть, как она может быть использована на благо человеку. Сейчас, однако, предпримем путешествие в обители физиков, до недавнего времени считавшиеся священными, а теперь широко открытые их любезными хозяевами для биологов и медиков.

Ядерные мастодонты

Представьте себе машину, имеющую сотни метров в диаметре или тысячи метров в длину. Это — далеко не предельные размеры ныне действующих ускорителей ядерных частиц тех самых представителей атомного микромира, о которых только что шла речь. Гигантские размеры линейных ускорителей, синхротронов, фазотронов и других машин, сложнейшее оборудование, среди которого в особом почете огромные магниты и магнитные линзы, нужны для того, чтобы разогнать ядерные частицы до фантастических скоростей и тем самым нагрузить их колоссальной энергией порядка миллионов (МэВ) и миллиардов (ГэВ) электрон-вольт. Такая энергия превращает и без того вездесущие «пули» в разрушительные «снаряды», моделирующие происходящие в природе микрокатастрофы и тем самым открывающие все новые тайны мироздания.

В последние 15—20 лет, однако, возможности ядерных мастодонтов стали пытаться использовать для практических, земных дел, прежде всего, для улучшения лучевых методов лечения рака. Совсем недавно для того, чтобы познакомиться со специально выведенными для медико-биологических целей пучками протонов высоких энергий, нужно было отправиться в США, в Швецию или в Швейцарию. Сегодня это легко сделать, посетив г. Дубну — ядерную мекку стран СЭВ, или Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве, или Ленинградский институт ядерной физики (ЛИЯФ) в г. Гатчине, или, наконец, Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино.

В Дубне нас любезно примет директор лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент АН СССР Венедикт Петрович Джелепов. Он первым откликнулся на предложение лидера отечественной онкологии академика АМН СССР Николая Николаевича Блохина и профессора Аркадия Иосифовича Рудермана изучить возможности клинического использования протонов, в изобилии получаемых на 780-МэВ-ном синхроциклотроне. На этом ускорителе выведен специальный медико-биологический пучок протонов с энергией 160—180 МэВ. Здесь же оригинальным способом, разработанным под руководством О. В. Савченко, получен пучок отрицательных пи-мезонов. Это чрезвычайно интересные ядерные частицы. Они имеют положительный заряд, но по своей массе намного легче протона, хотя в 173 раза превышают массу электрона. Отрицательные пи-мезоны с энергиями 25— 100 МэВ обладают уникальными особенностями. Весь свой путь в ткани до полного торможения они проходят почти без ядерных взаимодействий, а в конце пробега со 100 %-ной вероятностью захватываются ядрами атомов ткани. Так как при этом в ядро вносится очень большая энергия, равная массе покоя пи-мезона (140 МэВ), то, как правило, каждый акт его поглощения сопровождается разрушением ядра и вылетом нейтронов, протонов, α-частиц, ионов Li, β и других плотноионизирующих частиц, создающих большое локальное энерговыделение в непосредственной близости от места захвата пи-мезона. Эта особенность взаимодействия отрицательных пи-мезонов (образование «звезд») явилась основанием для начала работ по их применению в лучевой терапии опухолей, интенсивно проводящихся сейчас в СССР й США. Мы вернемся к ним специально, когда будем рассматривать возможности лечебного применения ионизирующих излучений.

Другая группа энтузиастов применения достижений ядерной физики и ускорительной техники в медицине встретит нас в ИТЭФ. Здесь она представлена директором Института профессором Иваном Васильевичем Чувило, профессором Львом Лазаревичем Гольдиным, В. С. Хорошковым и М. Ф. Ломановым. Ими осуществлен оригинальный вывод протонов в диапазоне 70—200 МэВ на 7-ГэВ-ном синхротроне с внутреннего участка ускорительной траектории (равновесной орбиты) в моменты, соответствующие определенным энергетическим ступеням. Этим обеспечивается моноэнергетичность пучка и возможность его использования независимо от работы ускорителя для физических целей.

Упсала и супермастодонты

Воспоминания о недавнем посещении Упсалы — древней столицы Швеции полны контрастами. Деревянные домики древних викингов, расположенные у подножия гигантских курганов, хранителей останков шведских королей, прекрасно сохранившийся мощный кирпичный замок одного из них рядом со старейшим Университетом, который, свято чтя память захороненного здесь Карла Линнея, располагает крупнейшей в Скандинавии библиотекой и самым современным Институтом Густава Вернера с его мощным ускорителем протонов — синхроциклотроном на 185 МэВ.

Душа биологических исследований на этом ускорителе— профессор Бёри Ларсон. Он физик и биолог по образованию — один из пионеров использования протонов высоких энергий в онкологии, начал эти работы еще в середине 50-х годов. Ларсон — автор проекта многоканального протонного комплекса, который рассчитан на одновременное лечение нескольких больных. Это очень интересный проект, однако он не находит своей реализации в Швеции, так как государство не идет на выделение требуемых для строительства больших денежных средств.

Но то, что невозможно в Швеции, абсолютно реально в Советском Союзе. У нас в Онкологическом научном центре предусмотрено Строительство аналогичного комплекса, который рассчитан на ежедневное лечение 100 пациентов, что полностью обеспечивает потребности региона с 8 млн. жителей.

Крайне интересны перспективы развития ядерных установок Дубны. Здесь проектируется реконструкция синхроциклотрона Лаборатории ядерных проблем, рассчитанная на повышение интенсивности внутреннего пучка протонов в 100—200 раз и на получение мощных потоков отрицательных пи-мезонов. Здесь же проектируется выведение пучков ускоренных многозарядных ионов. На всех этих ускорителях — супермастодонтах можно будет, кроме того, получать короткоживущие радиоактивные изотопы для диагностики многих заболеваний.

Интересны перспективы биологических работ на уже ныне действующих супермастодонтах — синхротроне ИФВЭ в Протвино, где энергия ускоренных протонов составляет 70 ГэВ (70 000 МэВ).

История мировой цивилизации никогда не забудет советского первопроходца космоса Юрия Гагарина. Защита его сегодняшних последователей и жизнеобеспечение будущих поколений астронавтов составляет актуальную задачу самой молодой области радиобиологии — космической радиобиологии. Ее становление в нашей стране было осуществлено Юрием Григорьевичем Григорьевым. Развитие космической радиобиологии во многом связано с освоением биологических эффектов ядерных частиц высоких энергий, ибо они составляют значительную долю постоянного радиационного фона в космосе и представляют основную опасность при его резком повышении.

В феврале 1977 года в Дубне собрались физики, радиобиологи и лучевые терапевты социалистических стран. Здесь обсуждались перспективы нейтронной радиобиологии. Особый интерес и возможности в этом плане представляет оригинальный импульсный быстрый реактор нейтронов ИБР-2, реконструируемый здесь на основе действующего, созданного по проекту академика Ильи Михайловича Франка, реактора ИБР-30. Детальное комплексное изучение радиобиологических эффектов быстрых нейтронов, планируемое в странах СЭВ, позволит разработать принципы их оптимального использования в лучевой терапии опухолей, тем более что уже сегодня специалисты из ГДР располагают опытом их клинического применения, которым поделились профессор Эйхгорн, профессор Магдон, физики Мачке и Меркле.

Перспективы медико-биологическОго изучения тяжелых заряженных частиц в Советском Союзе привлекают внимание научной общественности всего мира. В обсуждении этой проблемы, которое состоялось в Москве в декабре 1977 года, наряду с отечественными видными физиками, экспериментаторами и клиницистами приняли участие крупнейшие иностранные ученые Европы и США. В дружеской обстановке горячих дискуссий обсуждалось сегодняшнее состояние вопроса и его перспективы. По общему признанию, протоны высоких энергий оценены как оптимальное радиационное средство среди редкоионизирующих излучений при облучении труднодоступных опухолевых мишеней, а в сочетании с эффективными радиомодифицирующими агентами и при лечении других злокачественных опухолей, когда удается сформировать необходимое изодозное поле.

Имеющиеся в нашей стране реальные возможности использования достижений ядерной физики и техники в биологических и медицинских целях отражают аналогичные тенденции в других технически развитых странах. Например, в США (Лос-Аламосе) строится линейный ускоритель протонов с энергией 800 МэВ, на котором предполагается получить интенсивный пи-мезонный пучок — «фабрику» отрицательных пи-мезонов. По проекту Калифорнийского университета в Беркли планируется строительство мощного циклического ускорителя многозарядных ионов — омнитрона. Чрезвычайная дороговизна омнитрона обусловила ему конкуренцию с проектом реконструкции для этих же целей действующего ускорителя Бевалака — Беватрона.

Выведение мощных пи-мезонных пучков планируется также в Британской Колумбии и Швейцарии.

Мы совершили краткий маршрут от физики к биологии. Продолжим его теперь по главным магистралям нашей дисциплины.