«Кобальтовая бомба» впервые начала лечить рак

КАК РАДИОАКТИВНЫЙ МЕТАЛЛ ИЗ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА ОТКРЫЛ НОВУЮ ЭПОХУ ЛЕЧЕНИЯ РАКА И ИЗМЕНИЛ ВОЗМОЖНОСТИ ОНКОЛОГИИ ВО ВСЁМ МИРЕ

В больнице появилась «атомная бомба»

Осенью 1951 года воспоминания о Хиросиме и Нагасаки оставались частью повседневной жизни. Ядерная энергия ассоциировалась прежде всего с оружием, радиоактивным заражением и опасностью, которую человечество ещё только училось контролировать.

Именно в это время в больнице Victoria Hospital канадского Лондона готовили к работе устройство, использовавшее радиоактивное излучение для совершенно другой цели — лечения рака.

Аппарат назывался Eldorado A. Его разработали при участии компании Eldorado Mining and Refining, занимавшейся ядерными материалами, и канадских специалистов по медицинской физике.

23 октября 1951 года установку смонтировали в больнице. Через четыре дня, 27 октября, под руководством врача Айвена Смита (Ivan Smith) состоялся первый в мире сеанс дистанционной лучевой терапии с применением кобальта-60.

Пациент находился на лечебном столе, а радиоактивный источник размещался внутри массивной защищённой конструкции. Через специальное отверстие аппарат направлял пучок гамма-излучения в область опухоли.

Название «кобальтовая бомба» было журналистским и технически неточным. Никакого взрыва или цепной ядерной реакции устройство не производило. Оно использовало энергию радиоактивного распада, чтобы повреждать клетки опухоли.

Это не было первым применением радиации в медицине. Рентгеновское излучение начали использовать против рака ещё в конце XIX века. Новым стал способ получения достаточно интенсивного и проникающего излучения, пригодного для лечения опухолей глубоко внутри тела.

Почему прежняя радиотерапия не справлялась с глубокими опухолями

Уже в первые годы после открытия рентгеновских лучей врачи заметили, что излучение способно повреждать живые клетки. Возникла идея использовать этот эффект против злокачественных новообразований.

Но у ранних рентгенотерапевтических аппаратов имелось серьёзное ограничение.

Фотоны сравнительно низкой энергии интенсивно взаимодействовали с поверхностными тканями. При попытке доставить достаточно высокую дозу к опухоли, расположенной глубоко в организме, кожа и другие здоровые ткани могли получить значительное повреждение.

Для поверхностных опухолей такая терапия имела практическую ценность. При лечении глубоких новообразований возможности были значительно хуже.

Радий обеспечивал более проникающее гамма-излучение, однако был исключительно дорогим и редким материалом.

Из-за ограниченной активности доступных источников радиевые аппараты нередко приходилось располагать очень близко к телу пациента. Это создавало дополнительные проблемы с распределением дозы по глубине.

К середине XX века физики уже создавали высокоэнергетические ускорители, способные преодолеть часть этих ограничений. Но такие установки были сложными, громоздкими и дорогими.

Медицине требовался более доступный источник интенсивного излучения, позволяющий доставлять терапевтическую дозу в глубину тканей.

Решение нашли в ядерном реакторе.

Как обычный металл превратили в средство лечения

Кобальт-60 — радиоактивный изотоп кобальта, который можно получать искусственно.

Для этого стабильный кобальт-59 облучают нейтронами в ядерном реакторе. Ядро захватывает нейтрон и превращается в кобальт-60.

При последующем радиоактивном распаде кобальт-60 испускает два высокоэнергетических гамма-кванта с энергиями приблизительно 1,17 и 1,33 МэВ.

Такие фотоны значительно лучше проникают в ткани, чем рентгеновское излучение ранних терапевтических аппаратов.

Важным преимуществом оказался и период полураспада кобальта-60 — около 5,27 года. За это время активность источника уменьшается вдвое.

Это позволяло эксплуатировать медицинскую установку годами, хотя постепенное снижение активности требовало увеличивать время облучения и периодически заменять источник.

Канадские специалисты получали кобальт-60 на исследовательском реакторе NRX в Чок-Ривер (Chalk River).

Таким образом, технология, возникшая благодаря развитию ядерной физики, превратилась в источник излучения для лечения онкологических пациентов.

Принцип работы аппарата был относительно простым.

Герметично заключённый радиоактивный источник находился внутри тяжёлой защитной головки. При проведении процедуры механизм переводил его в рабочее положение, а коллиматор — система ограничения пучка — формировал поле облучения.

В отличие от рентгеновского аппарата, гамма-излучение не нужно было создавать электрическим током. Радиоактивный источник испускал его непрерывно, поэтому безопасность зависела от надёжности защиты и механизма перекрытия пучка.

Однако главный результат заключался не просто в высокой энергии фотонов.

Излучение кобальта-60 обладало эффектом относительного сохранения кожи: максимальная поглощённая доза при типичных условиях достигалась не непосредственно на поверхности, а на глубине около 5 мм.

Это уменьшало нагрузку на кожу по сравнению с прежними низкоэнергетическими методами и позволяло эффективнее облучать глубоко расположенные опухоли.

Полностью защитить здоровые ткани технология, конечно, не могла. Гамма-излучение повреждает не только раковые клетки, но и нормальные. Поэтому точное определение дозы, размеров поля и режима лечения оставалось критически важным.

Два канадских города соревновались за первенство

История первой «кобальтовой бомбы» оказалась сложнее, чем история одного аппарата.

Почти одновременно в Канаде разрабатывались две установки.

Первая создавалась в Лондоне, провинция Онтарио, с участием компании Eldorado и инженеров Роя Эррингтона (Roy Errington) и Дона Грина (Don Green).

Вторая разрабатывалась в Саскатуне, провинция Саскачеван, под руководством медицинского физика Гарольда Джонса (Harold Johns).

Обе команды использовали радиоактивные источники, изготовленные благодаря возможностям канадского ядерного комплекса Чок-Ривер.

Именно аппарат в Саскатуне был установлен и приведён в рабочее состояние раньше — ещё в августе 1951 года.

Но там началась длительная работа по дозиметрии — измерению того, какую дозу излучения получают ткани на различной глубине.

В ней участвовали физики, в том числе Сильвия Федорук (Sylvia Fedoruk), впоследствии ставшая одной из известных фигур канадской медицинской физики.

Подготовка и калибровка установки продолжались около 11 недель.

В Лондоне ввод аппарата в клиническую эксплуатацию занял менее недели. Поэтому именно здесь 27 октября 1951 года состоялось первое лечение пациента.

Саскатунская команда провела свой первый сеанс 8 ноября 1951 года.

Получилась интересная историческая ситуация: один город первым располагал действующим аппаратом, а другой первым применил кобальт-60 для лечения человека.

При этом значение обеих разработок было огромным.

Инженерная конструкция обеспечивала управляемое использование мощного радиоактивного источника. Дозиметрия позволяла рассчитывать воздействие на опухоль и окружающие ткани.

Без сочетания этих двух достижений новая технология не могла стать воспроизводимым методом лечения.

Из экспериментальной установки выросла мировая индустрия

Первый сеанс в Victoria Hospital стал началом распространения кобальтовой терапии.

Канадская компания Atomic Energy of Canada Limited (AECL) продолжила развитие и промышленное производство аппаратов.

В 1953 году появилась установка Theratron с усовершенствованной геометрией облучения. Она стала частью нового поколения медицинского оборудования, позволявшего направлять пучки излучения на опухоль под разными углами.

В последующие десятилетия кобальтовые аппараты получили широкое распространение в онкологических центрах разных стран.

По историческим оценкам Американской ассоциации медицинских физиков, за последующие 40 лет лечение с применением кобальта-60 получили около 35 миллионов онкологических пациентов.

Столь широкое распространение объяснялось не только медицинскими возможностями.

Кобальтовые установки имели относительно простую конструкцию, отличались надёжностью и были менее требовательны к техническому обслуживанию, чем многие ускорительные системы.

Развитие этой технологии создало устойчивую потребность в производстве медицинских радиоизотопов, инженерном обслуживании, дозиметрическом оборудовании, радиационной защите и подготовке специалистов.

Лечение рака становилось результатом взаимодействия нескольких отраслей — ядерной промышленности, машиностроения, физики, медицины и организации здравоохранения.

Но у технологии сохранялись ограничения.

Радиоактивный источник постепенно терял активность и требовал замены. Его транспортировка, эксплуатация и последующая утилизация нуждались в строгом радиационном контроле.

А возможности формирования сложных полей облучения были ограничены по сравнению с технологиями, которые появились позднее.

Почему эта история важна сегодня

Спустя 75 лет кобальтовая терапия остаётся важной частью истории современной онкологии, но её место в медицинской практике существенно изменилось.

В большинстве технологически развитых систем здравоохранения основную роль в дистанционной лучевой терапии выполняют медицинские линейные ускорители.

Они разгоняют электроны и позволяют получать высокоэнергетическое рентгеновское излучение непосредственно во время процедуры.

В отличие от радиоактивного кобальта, источник терапевтического излучения в таком аппарате можно выключить, прекратив его генерацию.

Современные ускорители объединяют сложные системы визуализации, компьютерного планирования и изменения интенсивности пучка. Это позволяет точнее формировать распределение дозы и уменьшать облучение критически важных здоровых органов.

Но кобальт-60 не исчез из медицины.

Он продолжает применяться в некоторых системах дистанционной терапии, а также в специализированных устройствах стереотаксической радиохирургии, где многочисленные узкие пучки гамма-излучения сходятся в заданной области, например при лечении определённых патологических образований головного мозга.

Кроме того, кобальтовые аппараты сохраняют практическую ценность для систем здравоохранения, в которых стоимость приобретения и обслуживания сложного ускорителя может ограничивать доступность лечения.

По данным ВОЗ, опубликованным в 2021 году, более половины онкологических пациентов нуждаются в лучевой терапии на определённом этапе лечения. При этом доступ к ней остаётся крайне неравномерным между странами.

Поэтому вопрос выбора оборудования имеет не только технологическое, но и экономическое значение.

Для медицинского центра важно не просто приобрести наиболее современную установку. Необходимо обеспечить её стабильную работу, качественную диагностику, точную дозиметрию, наличие специалистов и непрерывность лечебных курсов.

Более совершенная технология не принесёт ожидаемой пользы, если больница не способна обеспечить её полноценную эксплуатацию.

Существует и ещё одна современная параллель.

Сегодня быстро развивается радиофармацевтическая терапия, при которой радиоактивные вещества вводятся в организм и используются для воздействия на определённые клетки или ткани.

Это принципиально другой способ доставки излучения, чем дистанционная кобальтовая терапия. Но фундаментальная задача остаётся общей: доставить достаточную дозу излучения к патологической ткани, насколько возможно ограничивая воздействие на здоровые органы.

Для фармацевтической и медицинской индустрии история 1951 года напоминает, что крупные терапевтические изменения возникают не только благодаря созданию новых молекул.

Иногда решающим оказывается новый способ получения, измерения и контролируемой доставки уже известного физического воздействия.