Разработка новых технологий диагностики и лучевой терапии социально значимых заболеваний протонными и ионными пучками с использованием бинарных ядерно-физических методов

Работы по проекту «Разработка новых технологий диагностики и лучевой терапии социально значимых заболеваний протонными и ионными пучками с использованием бинарных ядерно-физических методов» выполняются в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (головная организация) в рамках соглашения с Министерством образования и науки о предоставлении из федерального бюджета гранта в форме субсидии от 05.10.2021 г. № 075-15-2021-1347 (внутренний номер 15.СИН.21.0017). Соисполнители проекта – Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ и Национальный медицинский исследовательский центр радиологии Минздрава РФ. Цель исследовательской программы проекта - реализация следующих мероприятий Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 гг.: 1 Проведение синхротронных и нейтронных исследований (разработок), необходимых для решения принципиально новых фундаментальных и крупных прикладных задач. 2 Создание сетевой синхротронной и нейтронной научно-исследовательской инфраструктуры на территории Российской Федерации. 3 Подготовка специалистов в области разработки, проектирования и строительства источников синхротронного и нейтронного излучения, а также научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок) в целях получения результатов мирового уровня. В 2021 г. в соответствии с планом-графиком (ПГ) выполнены работы первого этапа проекта. Цель работы первого этапа по мероприятию 1 – решение запланированных в проекте на 2021 год фундаментальных и прикладных задач в области бинарных ядерно-физических методов лучевой диагностики и терапии: разработка технологий на основе бинарных ядерно-физических методов сенсибилизации протонной терапии с использованием наночастиц и сочетанного действия протонного и нейтронного излучений, численных методов оптимизации протонной терапии солидных опухолей, разработка технологий протонной радиографии, методов протонной терапии движущихся опухолей, разработка детекторов альфа частиц. На первом этапе реализации проекта с целью развития бинарных технологий протонной терапии с использованием наночастиц впервые отработана технология получения сверхчистых коллоидных растворов наночастиц бора (В) и висмута (Bi) методами лазерной абляции мишеней в водных средах (совместно с профессором Парасом Прасадом, Институт лазерных исследований, фотоники и биофотоники, Университет Баффоло, США). Метод обеспечивает хорошую воспроизводимость и высокую производительностью синтеза наночастиц с заданными размерами и свойствами. Проведена характеризация наночастиц методами атомно-абсорбционной, оптической и электронной микроскопии. Разработана технология в области ядерной медицины и подготовлена технологическая инструкция по созданию наноформуляций на основе синтезированных наночастиц B и Bi путем их функционализации оболочкой из полиэтилен-гликоля (ПЭГ) для улучшения биосовместимости и минимизации иммунного ответа, для применения в бинарных ядерно-физических технологиях лучевой диагностики и терапии онкологических заболеваний. Впервые изучено взаимодействие наночастиц бора-11 с пучками протонов, проведено облучение здоровых и опухолевых клеток остеосаркомы человека протонным пучком и исследована их выживаемость. Полученные первые экспериментальные результаты, показали сенсибилизирующую активность ПЭГ-стабилизированных наночастиц бора-11 в условиях облучения протонами. Установлен выраженный эффект гибели раковых клеток (увеличение на 20%) в присутствии наночастиц бора-11. Для регистрации альфа частиц при облучении наночастиц бора-11 протонами был разработан детектор с вакуумной камерой. С целью разработки новых эффективных технологий лучевой терапии на основе сочетанного действия излучений разной ионизирующей и биологической активности, исследованы режимы облучения протонами и нейтронами (в режимах «протоны-нейтроны» и «нейтроны-протоны» с разным вкладом излучений в общую дозу и интервалами между облучениями от 0,5 до 8 часов) опухолевых клеток разного генеза: китайского хомячка (линия В14-150, фибросаркома) и опухолевых стволовых клеток молочной железы (MCF-7, MDA-MB-231). На основе биологических исследований клоногенной активности после режима облучения определен оптимальный режим аддитивного действия излучений: 40 % нейтроны + 60 % протоны с интервалом 2 часа. Проведена пространственно-временная оптимизация протонной терапии методами математического моделирования. Показано, что пространственное распределение облучения может быть оптимизировано на основе данных о распределении плотности клеток и их радиочувствительности, приводя к увеличению вероятности излечения опухоли при сохраненном уровне повреждения нормальных тканей. Подана и зарегистрирована заявка на РИД «Программа оптимизации фракционирования радиотерапии методом математического моделирования», свидетельство №221668804 от 19.11.2021. Для реализации диагностических технологий протонной томографии и радиографии на комплексе протонной терапии «Прометеус» разработаны режимы работы протонного синхротрона с выводом протонного пучка сверхнизкой интенсивности, а также средств контроля и верификации статистически значимого количества однопротонных событий в структуре выведенного пучка. С целью разработки технологии протонной терапии интрафракционно движущихся опухолей проведено дозиметрическое исследование влияния движения опухоли и экспериментальное моделирование метода многократного сканирования протонным пучком с помощью предварительно протестированного неантропоморфного водного динамического фантома, что позволило компенсировать влияние интрафракционного движения, повысить качество облучения и дать рекомендации по оптимизации дозы в целевом объеме облучения. По мероприятию 2 ФНТП в соответствии с ПГ в ФИАН была создана лаборатория радиационной биофизики и биомедицинских технологий. Разработано положение о лаборатории. В исследовательскую инфраструктуру лаборатории для реализации проекта были включены протонный синхротрон и ионный ускоритель УНУ «Гелис». Приобретено необходимое оборудование. Создана молодежная группа, в которую в 2021 году вошло 6 исполнителей проекта возрастом до 39 лет, за которой были закреплены задачи по реализации отдельных пунктов ПГ. По мероприятию 3 ФНТП с целью подготовки специалистов в области медицинской ускорительной техники и ядерной медицины в 2021 году при реализации первого этапа была организована и проведена Молодежная школа в области ядерной медицины и лучевой диагностики и терапии, в которой приняло участие более 200 человек в очной и заочной форме, из которых 140 участников было в возрасте до 39 лет. Разработана и реализована программа ДПО «Перспективные технологии ядерной медицины для внедрения в практику высокотехнологичных центров РФ», по которой прошли обучение и получили удостоверение о повышении квалификации 22 человека. Все работы, запланированные к реализации на первом этапе в 2021 году, выполнены в соответствии с ПГ в полном объеме, достигнуты целевые показатели, смета исполнена.