Рожденная веком

Враг распознан

Задача лучевой терапии сводится к максимально быстрому подавлению опухолевого роста. С точки зрения радиобиологии она может быть оптимально решена путем лучевой стерилизации раковой ткани, произведенной без угрожающих жизни пациента повреждений окружающих нормальных тканей. На последнем конгрессе по радиационным исследованиям, прошедшем в 1974 году, американский радиобиолог Мендельсон довольно образно обрисовал ситуацию, сказав, что лучевая терапия балансирует между двумя в равной степени опасными последствиями: недоизлечением опухоли при недостаточной дозе излучения и повреждением нормальных тканей при ее превышении.

Морис Тюбиана — крупнейший французский радиобиолог (физик и врач по образованию), используя количественные данные клеточной радиобиологии, приводит следующие расчеты.

Если опухоль круглой формы имеет диаметр 2 см, а составляющие ее клетки 20 мкм, то она состоит из 10⁹ клеток. Допускается, что рост опухоли будет подавлен в том случае, если имеется лишь один из 100 шансов на сохранение одной жизнеспособной клетки. Для этого необходима такая доза, чтобы доля выживших клеток составила 10^-11. Эта доза оказывается равной 2500—3000 Р. Так как однократное облучение в такой дозе вызовет тяжелое поражение тканей, то оно осуществляется в виде фракционированного курса (многократных сеансов облучения) с интервалами между отдельными фракциями. Во время таких перерывов происходит частичное восстановление жизнеспособности здоровых клеток (и это хорошо, так как позволяет ослабить поражение нормальных тканей) и, к сожалению, частично опухолевых, вследствие чего суммарную дозу приходится увеличивать в 2—3 раза. Но и это часто приводит лишь к временному эффекту, в последующем опухолевый рост возобновляется — возникает так называемый рецидив, справиться с которым препятствует толерантность (устойчивость) нормальных тканей, находящаяся на пределе в результате предшествующего облучения.

Источником рецидивирования в основном являются гипоксические зоны, образующиеся в опухоли из-за недостаточного ее кровоснабжения. Дело в том, что формирование кровеносных сосудов, доставляющих в опухоль вместе с кровью кислород, как правило, отстает от роста клеточной массы опухоли. Находящиеся в таких зонах клетки, как вы теперь знаете, обладают повышенной радиорезистентностью. Для их дезактивации требуются дозы в 2—3 раза большие, чем в условиях хорошей оксигенации, т. е. заведомо повреждающие нормальные ткани.

Рис. 19 дает представление о роли фракции гипоксических клеток на исход лучевой терапии. Например, один и тот же лечебный эффект дозы 4500 Р может быть достигнут при лечении опухолей, диаметр которых различается более чем в 100 раз — 75, 3 и 0,5 мм, если доля гипоксических клеток составляет соответственно 0, 1 или 100%.

Рис. 19. Дозы, необходимые для излечения 90% опухолей разного размера, в зависимости от степени оксигенации: полной (верхний ряд), при наличии 1% (средний ряд) или 100% (нижний ряд) аноксических клеток. Цифры на рисунке —диаметр опухоли в миллиметрах (объяснение в тексте)

Наличие гипоксических клеток, таким образом, делает опухоли менее радиочувствительными, чем хорошо оксигенированные нормальные ткани. Отсюда разработка средств и способов преодоления радиорезистентности, или (что то же самое) повышения радиочувствительности гипоксических клеток опухоли, т. е., как говорят, расширения терапевтического интервала, составляет первостепенную задачу радиобиологии.

Артиллерия, кислород, химическая атака, перегрев

Помните наши путешествия в Дубну и к ядерным мастодонтам будущего? Мы упоминали тогда, что добываемые на современных ускорителях плотноионизирующие ядерные частицы — нейтроны, отрицательные пи-мезоны и тяжелые ионы могут быть с успехом использованы для повышения эффективности лечения рака. Оказывается, что такая тяжелая ядерная артиллерия не только сильнее поражает клетку, но и в значительной степени нивелирует кислородный эффект. Наибольшее число данных получено в экспериментах с использованием нейтронов. Как видно из рис. 20, при облучении нейтронами в результате меньшего коэффициента кислородного усиления поражение гипоксических клеток более выражено, чем при рентгеновском облучении: дозы, инактивирующие 90% клеток при облучении в азоте, различаются в 4 раза. Кроме того, нейтроны сильно подавляют восстановление клеток, в связи с чем при фракционировании дозы они значительно эффективнее рентгеновских или гамма-лучей, повреждения которыми клетки частично репарируют в интервалах между облучениями. Начавшееся в последние годы клиническое применение нейтронов позволило повысить эффективность воздействия на опухоли, если их радиоустойчивость определяется фракцией гипоксических клеток или повышенной способностью к репарации. В Советском Союзе эти работы курируются профессором Евгением Александровичем Жербиным, ныне возглавляющим созданный академиком Георгием Артемьевичем Зедгенидзе Институт медицинской радиологии АМН СССР.

Рис. 20. Кривые выживания клеток при рентгеновском облучении (А) и облучении быстрыми нейтронами (Б) на воздухе (нижние кривые) и в атмосфере азота (верхние кривые); коэффициент кислородного усиления составляет соответственно 2,5 и 1,6 (объяснение в тексте)

Еще большие перспективы сулит применение тяжелых заряженных ядерных частиц, в частности многозарядных ионов и отрицательных пи-мезонов. Обладая теми же преимуществами, что и нейтроны, они, кроме того, теряют максимум энергии в самом конце пробега. Локализуя пик Брэгга в зоне опухоли, можно рассчитывать на преодоление радиорезистентности гипоксических клеток, подвергая минимальной лучевой нагрузке здоровые ткани по ходу пучка и полностью исключая облучение тканей, находящихся за пиком Брэгга.

Опыта клинического использования отрицательных пи-мезонов и тяжелых ионов пока нет, так как до сих пор еще не сооружены нужные для этих целей гигантские ускорители, позволяющие вывести внешние пучки требуемой интенсивности. Однако радиобиологические экспериментальные исследования, выполненные на пучках малой интенсивности в нашей стране и в США, принципиально подтверждают теоретические предпосылки их практического применения.

Успешное использование прецизионного (высокоточного) облучения опухолей тяжелыми заряженными ядерными частицами высоких энергий связано с необходимостью резкого повышения разрешающей способности методов строгой локализации патологического очага. Над этой задачей сейчас активно работает физико-техническая мысль, используя самые разнообразные современные способы интервидения. Следует думать, что в обозримом будущем мы получим возможность эффективного контроля распространенности клеточных элементов опухоли, без чего трудно гарантировать как избежание рецидивирования, так и переоблучения нормальных тканевых элементов, непосредственно примыкающих к опухолевому очагу.

В обход этого препятствия и независимо от него разрабатываются другие подходы к избирательному усилению поражения гипоксических клеток, не связанные с необходимостью столь строгой топической диагностики опухоли. Один из них состоит в попытке повысить оксигенацию опухолей путем вдыхания чистого кислорода при повышенном давлении — до 3 атм. Метод этот, названный оксибарорадиотерапией, как упоминалось, был предложен в конце 50-х годов английским радиобиологом Греем и скоро получил широкое развитие, прежде всего на родине автора, а также в других странах Европы и США. Теоретические предпосылки применения оксибарорадиотерапии состояли в своеобразной зависимости изменения радиочувствительности клеток от концентрации кислорода (см. рис. 14), из которой следует, что после 20 мм рт. ст. дальнейшее повышение напряжения кислорода вплоть до нескольких атмосфер практически не сказывается на радиочувствительности. С учетом того, что напряжение кислорода в большинстве нормальных тканей человека составляет в среднем около 40 мм рт. ст., можно было ожидать, что при облучении пациента в условиях гипербарической оксигенации последняя приведет лишь к усилению поражения гипоксических опухолевых клеток и не повлияет на радиочувствительность нормальных тканей. Накопленный к настоящему времени опыт оксибарорадиотерапии, в том числе данные отечественных клиницистов Е. С. Киселевой и С. Л. Дарьяловой, подтвердил ее радиобиологические предпосылки, однако полученные результаты оказались ниже ожидавшихся. Дело в том, что кислород даже под давлением не доходит до наиболее гипоксических зон опухоли, так как расходуется по пути жадно поглощающими его менее гипоксическими клетками.

Поняв причину этого явления, радиобиологи в начале 70-х годов высказали мысль о замене кислорода химическими соединениями, как и он обладающими сродством к электрону — электронакцепторными свойствами, с которыми связывают сенсибилизирующее действие кислорода. Такие соединения не нужны клеткам, поэтому они должны диффундировать далеко от питающих опухоль капилляров. Этот поиск вскоре завершился успехом, и сейчас не только в эксперименте, но и в клинике проводится изучение ряда электронакцепторных препаратов, получивших общее название сенсибилизаторов гипоксических опухолевых клеток. Основная ценность таких препаратов состоит в том, что они не усиливают поражения нормальных тканей, находящихся в условиях хорошего снабжения кислородом и потому не реагирующих на дополнительный электрон акцепторный потенциал.

К проблеме использования электронакцепторных соединений в последнее время привлечено очень большое внимание. Специально этим вопросам был посвящен прошедший в сентябре 1977 года 7-й Греевский мемориал. Принята комплексная программа соответствующих исследований в странах СЭВ.

Совсем недавно началась температурная атака на опухоли. В Советском Союзе ее возглавил член-корреспондент АМН СССР Николай Николаевич Александров. Оказалось, что кратковременный локальный нагрев опухоли до 42—43° С подавляет процессы репарации, особенно в гипоксических клетках, что также способствует усилению их поражения.

Рассмотренные пути преодоления радиорезистентности опухолей, обусловленной гипоксическими клетками, объединены одним стремлением — избирательно увеличить их радиочувствительность. Существует и альтернативная возможность решения проблемы — уменьшить чувствительность нормальных тканей, с тем чтобы можно было повысить дозу на опухоль.

Удар с тыла

Охраняемые в процессе лучевого лечения нормальные ткани, окружающие опухоль, «используются» ею как своеобразный защитный панцирь, повреждение которого прежде всего чревато опасностями для организма.

Кроме того, сохранение нормальных тканей важно, так как опосредованно способствует излечению. Это становится понятным, если учесть совершенно очевидную значимость таких процессов, как васкуляризация (состояние сосудистого русла), ограничение локального развития опухоли, задержка диссеминации опухолевых клеток, участие в формировании рубца или заживлении и поддержание иммунитета. Отсюда ясно, что повышение устойчивости нормальных тканей всегда полезно организму, а сохранение их боеспособности позволяет ударить по опухоли как бы с тыла.

Для избирательной противолучевой защиты нормальных тканей сейчас разрабатываются два подхода — использование химических протекторов и средств, создающих острые гипоксические состояния.

В серии независимых экспериментальных исследований, выполненных Л. Н. Кублик и А. Л. Выгодской в СССР, а Д. Юхасом с сотрудниками в США, было установлено, что некоторые аминоалкилтиофосфаты медленнее проникают в клетки опухоли, и что особенно важно, их защитный эффект меньше проявляется в условиях гипоксии. Такие препараты синтезируются в лаборатории академика И. Л. Кнунянца его сотрудниками О. В. Кильдышевой и М. Г. Линьковой. Они успешно испытаны на экспериментальных животных как средства избирательной защиты нормальных тканей. Однако лучшим критерием истины, как известно, служит практика, а в клинике тиофосфаты пока еще не изучались.

Облучение опухолей в условиях острой гипоксии давно привлекает внимание радиобиологов. Наибольший экспериментальный и клинический опыт в этом плане накоплен при использовании локальной аноксии конечностей, создаваемой наложением кровоостанавливающего жгута.

Радиобиологические предпосылки этому были получены в нашей стране исследованиями С. Б. Балмуханова с сотрудниками и Ю. И. Рампана, а за рубежом — Ван ден Бренком, П. Линдопом и другими. В этих исследованиях было показано, что при наложении жгута (турникета) напряжение кислорода в нормальных тканях снижается быстрее, чем в опухолях. Соответственно ФИД, например, в коже и костном мозге составляет 1,9—2,2, а в опухолях — 1,5. В клинических работах Г. Сьютта, С. Б. Балмуханова и И. П. Кузнецовой было подтверждено, что нормальные ткани при облучении в условиях турникетной аноксии переносят в 2—3 раза, большие дозы излучения, а регрессия опухоли ослабляется в меньшей степени. К сожалению, этот метод ограничен возможностью использования турникета при лечении опухолей конечностей; в основном это — остеосаркомы, характеризующиеся бурным метастазированием. Поэтому улучшение местных результатов позволяет рассчитывать на излечение лишь в тех редких случаях, когда лучевая терапия начата еще до начала формирования метастазов.

Поэтому понятно стремление использовать общие гипоксические состояния в лучевой терапии других опухолей. Предположения о кратковременном вдыхании азота (на период облучения опухоли) высказывались неоднократно с начала 60-х годов такими мировыми авторитетами, как Бак, Холлендер и Тюбиана, а Райтом были получены весьма обнадеживающие результаты в опытах на опухолях крыс. Мне памятен рассказ Холендера об этих экспериментах Райта на первом международном симпозиуме по первичными механизмам радиобиологического эффекта, состоявшемся в 1961 году. Со слов Холендера, опухоли удавалось излечить в один-два сеанса облучения крупными дозами, без заметного повреждения окружающих тканей, но затем животных приходилось выводить из состояния клинической смерти... Разумеется, что среди лучевых терапевтов трудно было найти энтузиастов, которые бы рискнули на клиническую апробацию кратковременной многократной асфиксии. Рассчитывать на легко переносимые газовые смеси не было особых оснований. Такие смеси, как упоминалось в предыдущей главе, оказывают слабый радиозащитный эффект. Помните, в опытах М. М. Константиновой при облучении мышей в атмосфере, содержащей 9—10% О₂, ФИД составил около 1,2. Кроме того, до последнего времени не было уверенности в возможности селективной защиты нормальных тканей, без чего применение гипоксии не имело смысла.

Здесь то и оказался крайне важным рассказанный в предыдущей главе обнаруженный В. Г. Овакимовым феномен ослабления защитного действия острой гипоксии на объектах, адаптированных к недостатку кислорода. Когда мы осмысливали с Валентином Григорьевичем это наблюдение, положенное в последующем в основу его докторской диссертации, мне показалась заманчивой аналогия с фракцией гипоксических клеток опухоли. Можно было легко представить себе, что такие клетки, длительно испытывая дефицит кислорода, также адаптируются к этим условиям, и, следовательно, дополнительная острая гипоксия должна оказывать на них меньшее радиомодифицирующее действие, чем на хорошо оксигенированные нормальные ткани. Идея эта показалась невероятно заманчивой, а ее проверка весьма проста. И вот через 2—3 месяца результаты первых же серий опытов не только подтвердили исходное предположение, но и обнаружили «парадоксальный» феномен. При локальном фракционированном облучении опухоли мышей (саркомы 37), вдыхавших смесь, содержащую 5% кислорода и 95% азота, регрессия опухоли не только не ослаблялась, а была выражена даже в большей степени, чем при облучении на воздухе.

Но, может быть, это случайность? Нет, опыт легко воспроизводился. Его результаты повторились и на двух других опухолевых штаммах.

На рис. 21 приведены результаты одного из таких экспериментов. Видно, что опухоли, подвергнутые дробному рентгеновскому облучению в условиях кратковременной острой гипоксии (продолжительность эксперимента 5 мин, включая время облучения), регрессируют — раньше, а рецидивируют позднее и с меньшей частотой, чем при облучении на воздухе.

Рис. 21. Регрессия (рассасывание) и рецидивнрование (возобновление роста) опухоли Эрлиха мышей при трехкратном облучении в разовой дозе 1750 Р на воздухе (1) и в условиях гипоксии — 5% О₂ и 95% N₂ (2); рост опухоли в контроле без облучения (3). Верхними стрелками показаны дни облучения, нижними — количество животных с рецидивами и время их возникновения

Парадоксально (теперь уже без кавычек), но факт!

В 1973 году докладываем дважды эти данные на Московском семинаре секции радиобиологии опухолей Научного совета АН СССР, а в 1974 году в Праге — на 1-й радиобиологической конференции социалистических стран. Встречают с интересом, но ощущается холодок и скепсис пополам с недоверием. Такая атмосфера лишь подливает масла в огонь. Все большее число сотрудников лаборатории приобщается к разработке гипоксирадиотерапии— так теперь назван новый метод лечения. С нами начинают сотрудничать и подтверждают результаты коллеги из ГДР; у них большой опыт работы с крупными лабораторными животными — свиньями и собаками.

После двукратного обстоятельного обсуждения на Ученом совете Онкологического научного центра клиницисты начинают гипоксирадиотерапию онкологических больных. Этому способствует кипучая энергия Р. Б. Стрелкова, независимо от нас обратившего внимание на целесообразность использования легко переносимых человеком гипоксических газовых смесей для противолучевой защиты человека и добившегося официального разрешения их использования в клинике.

Начинаем со смесей, содержащих 10% кислорода. Они хорошо переносятся человеком. Об этом свидетельствует большой опыт профессора П. А. Граменицкого — крупного авторитета в области авиационной и космической медицины. Параллельно испытываем на себе — группе авторов переносимость человеком более жестких (с меньшим содержанием кислорода) смесей, ибо понимаем, что эффективность метода сильно зависит от степени гипоксии и длительности ее воздействия. В эксперименте успешно исследуются возможности повышения устойчивости организма к гипоксии, не ослабляющие ее радиозащитного эффекта. В качестве средств, дифференцированно ослабляющих только токсическое действие острого недостатка кислорода, можно указать на гутимин, особенно в сочетании с витаминами группы В (данные П. Г. Жеребченко и А. В. Титова) и на мексамин (данные Э. Я. Каплана, В. Г. Овакимова и Л. И. Бережновой).

Сейчас лишь самое начало работы. Она проводится в единичных центрах и ни о каких ее практических результатах говорить еще нельзя. На основании экспериментальных данных можно думать, что гипоксирадиотерапия должна быть особенно эффективна при опухолях, содержащих большую долю гипоксических клеток. Здесь-то и возникает тот самый парадоксальный эффект — усиление регрессии опухолей. Его причина в селективном сохранении боеспособности нормальных тканей, с тыла атакующих тяжело раненного врага.

Будущее покажет, насколько клиника человека подтвердит эксперимент. Профессор В. Ольснер — директор радиологической клиники К. Маркс-Университета в Лейпциге, с которым мы работаем в содружестве в области гипоксирадиотерапии, любит напоминать о многих примерах из истории онкологии, когда казавшиеся безупречными экспериментальные предпосылки не находили, к сожалению, клинического подтверждения. Однако имеющиеся практические успехи, как правило, все же явились следствием экспериментальных разработок. Весьма важно, что гипоксирадиотерапйя не сулит никаких неприятных неожиданностей и представляет простор для фундаментальных и прикладных исследований.

Биологический пи-мезон

Поездка в Швецию, о которой упоминалось в одной из начальных глав, к профессору Б. Ларсону, в значительной степени была вызвана нашей с ним общей любовью к гипоксии. Бьёри Ларсону, как и мне, представляется наиболее перспективным направлением усовершенствования лучевых методов лечения опухолей разработка способов управления тканевой радиочувствительностью с помощью модифицирующих агентов. Среди них в ближайшие годы (до получения и возможности использования исчерпывающей информации о цитокинетике опухолей человека) ведущая роль будет принадлежать средствам избирательного поражения гипоксических клеток и селективной защиты нормальных тканей. К первым относятся химические сенсибилизаторы и гипертермия, а ко вторым — протекторы и гипоксия. Мы только что познакомились с результатами экспериментальной гипоксирадиотерапии, проводимой в условиях вдыхания газовых смесей. Ларсона увлекает другой оригинальный путь создания кратковременной локальной гипоксии. Он вводит в артерию мелкодисперсные частички крахмала, которые закупоривают капилляры определенного участка тканей (например, кишечника или конечности) и вызывают в нем инфаркт. Не пугайтесь, однако, этого грозного слова, ибо закупорка эта — временная; частички крахмала быстро растворяются ферментом сыворотки крови — амилазой, и кровоснабжение восстанавливается. Зато облучение на высоте максимальной ишемии, вызванной прекращением кровотока, сопровождается наименьшим поражением нормальных тканей, что позволяет увеличить дозу на располагающуюся в этой зоне опухоль.

Особенно перспективным представляется нам с Ларсоном использование гипоксических состояний при облучении опухолей протонами высоких энергий. В этом случае удастся сочетать отличное дозное распределение (помните характерный для протонов пик Брэгга) с нивелировкой кислородного эффекта. Иными словами, если окажутся верными идеи, заложенные в гипоксирадиотерапию, и подтвердятся в клинике ее экспериментальные результаты, то на этом пути можно создать своего рода «биологический пи-мезон», при несоизмеримо меньших затратах, если учесть огромную стоимость пи-мезонной фабрики.

Перечисленные подходы к усовершенствованию и развитию лучевой терапии опухолей не исчерпывают всех возможностей, определяемых достижениями радиобиологии сегодняшнего дня, не говоря о ее перспективах. Сейчас все большее число специалистов сходятся во мнении о том, что развитие лучевых методов лечения опухолей связано и определяется успехами в разработке научно обоснованных средств и способов управления тканевой радиочувствительностью, особенно при использовании новых источников радиации.

Знаменательно, что об этом неоднократно говорили в своих выступлениях профессор Л. Ревес и академик АМН СССР Александр Сергеевич Павлов на международной и всесоюзной конференциях, одновременно проходивших в последней декаде ноября 1976 года в Вене и Ленинграде, а также в докладах на этих конференциях, посвященных данной проблеме. Об этом же годом раньше мне довелось с удовольствием слышать на берегах Дуная в великолепных залах национальной галереи Будапешта из уст крупнейших авторитетов, таких, как Д. Фаулер, А. Цупингер и другие, собравшихся вместе с венгерскими радиологами на 12-е заседание Европейского радиобиологического общества.

Мы коротко рассмотрели радиобиологию как научную основу лучевых методов лечения рака. Для этого пришлось навестить радиологическую клинику сегодняшнего дня и слегка заглянуть вперед. В частности, задача создания биологического пи-мезона, пусть вполне реальная, но все же является предметом будущих исследований и разработок. К ним-то и предстоит перейти на заключительном этапе наших странствий.