Реактор для атомной бомбы, который помог изменить лечение рака

Как секретный объект Манхэттенского проекта превратился в источник радиоактивных лекарств и заложил основу современной индустрии медицинских изотопов

Пять часов утра. Реактор выходит на критический режим

Ночью 4 ноября 1943 года в секретном американском городе Ок-Ридж, штат Теннесси, сотрудники Манхэттенского проекта готовились завершить эксперимент, к которому шли несколько месяцев.

Накануне инженеры начали загружать в массивный графитовый реактор металлический уран. Они постепенно увеличивали количество топлива, контролируя интенсивность нейтронного излучения.

Каждая новая партия урана приближала систему к моменту, когда цепная ядерная реакция сможет поддерживать себя самостоятельно.

Этот момент физики называют достижением критичности. В данном случае речь шла не об аварии, а о необходимом условии нормальной работы реактора.

Подготовка продвигалась быстрее, чем ожидалось. Физик Луис Слотин отправился разбудить Артура Комптона и Энрико Ферми, двух нобелевских лауреатов, чтобы они успели присутствовать при историческом событии.

В 05:00 реактор X-10 достиг критического состояния.

Это был не первый ядерный реактор в истории. Ещё 2 декабря 1942 года команда Ферми осуществила управляемую цепную реакцию в Чикаго.

Но X-10 создавался для принципиально другой задачи: он должен был работать продолжительное время и производить материалы, необходимые для разработки атомного оружия.

Зачем атомной бомбе понадобился экспериментальный реактор

В 1943 году американские физики уже понимали, что плутоний-239 может использоваться в ядерном оружии. Однако между лабораторным открытием и промышленным производством оставалась огромная технологическая дистанция.

Необходимо было научиться получать плутоний в достаточных количествах, отделять его от облучённого урана и организовать этот процесс в промышленных масштабах.

Именно для проверки такой технологии построили X-10.

Внутри реактора находился огромный блок графита, пронизанный каналами для уранового топлива. Графит замедлял нейтроны, создавая условия для поддержания цепной реакции.

При делении урана-235 высвобождались нейтроны. Некоторые из них поглощались ядрами урана-238, что через последовательность ядерных превращений приводило к образованию плутония-239.

Затем облучённое топливо извлекали, а плутоний отделяли химическими методами.

X-10 не производил плутоний в количествах, необходимых для изготовления атомных бомб. Его роль заключалась в проверке технологии, получении исследовательских образцов и подготовке специалистов.

Полученный опыт использовали при создании значительно более крупных производственных реакторов в Хэнфорде, штат Вашингтон.

Именно там впоследствии производили плутоний для бомбы, сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 года.

Человек, который разбудил Ферми, не пережил атомную эпоху

В истории запуска X-10 есть ещё одна линия, напоминающая о том, насколько плохо тогда были изучены практические риски работы с делящимися материалами.

Луис Слотин, участвовавший в событиях 4 ноября 1943 года, позднее работал в Лос-Аламосе.

21 мая 1946 года он проводил эксперимент с плутониевым ядром, приближая систему к критическому состоянию. Во время опыта отвёртка, которой он удерживал раздельно две части бериллиевого отражателя нейтронов, соскользнула.

Произошла кратковременная неконтролируемая цепная реакция. Слотин получил смертельную дозу облучения и умер 30 мая 1946 года.

Это случилось не на реакторе X-10, а в другой лаборатории Манхэттенского проекта.

Трагедия стала одним из событий, повлиявших на развитие правил радиационной безопасности.

Август 1946 года. Радиоактивный материал отправляется в онкологическую больницу

После окончания войны перед лабораторией в Ок-Ридже возник принципиальный вопрос: что делать с оборудованием, научными коллективами и технологиями, созданными для производства атомного оружия?

Одним из ответов стало производство радиоактивных изотопов для мирных целей.

Радиоизотопы — разновидности химических элементов с нестабильными ядрами, которые при распаде испускают излучение.

Их можно использовать как своеобразные метки, позволяющие проследить движение вещества в организме, или как источники излучения для повреждения патологических клеток.

2 августа 1946 года состоялась символическая передача первой партии произведённого на реакторе радиоизотопа медицинскому учреждению.

Физик Юджин Вигнер передал контейнер с углеродом-14 представителю онкологической больницы Barnard Free Skin and Cancer Hospital в Сент-Луисе.

Особенно интересна одна деталь.

Первый радиоизотоп, отправленный в онкологическую больницу, не был лекарством, непосредственно уничтожающим опухоли.

Углерод-14 прежде всего использовали как радиоактивную метку для изучения химических реакций и биологических процессов.

Он позволял исследователям проследить, как вещества участвуют в обмене веществ и превращаются в организме.

Таким образом, медицинское наследие X-10 началось не только с лечения рака, но и с развития методов, позволивших значительно глубже изучать биохимию человека.

Как ядерный реактор превратился в поставщика медицинских изотопов

В 1946 году лаборатория опубликовала перечень радиоизотопов, которые могла производить и предоставлять научным и медицинским учреждениям.

Спрос оказался высоким.

По данным Американского химического общества (ACS), за первый год лаборатория осуществила более 1000 поставок радиоизотопов. К 1950 году их совокупное количество приблизилось к 20 тысячам.

Среди наиболее востребованных материалов были йод-131, фосфор-32 и углерод-14.

Йод-131 стал важным инструментом лечения заболеваний щитовидной железы, включая некоторые формы рака.

Фосфор-32 применяли при отдельных заболеваниях крови, в том числе в онкогематологии.

Углерод-14 помогал исследовать обмен веществ, движение химических соединений и биологические процессы.

Однако важно разграничить два исторических события.

Радиоизотопная медицина возникла раньше массовых поставок из Ок-Риджа.

Ещё 31 марта 1941 года американский врач Сол Херц вместе с физиком Артуром Робертсом впервые применил радиоактивный йод для лечения пациента с заболеванием щитовидной железы.

Для получения изотопов тогда использовали циклотрон — ускоритель заряженных частиц.

Заслуга X-10 заключалась не в изобретении радиоизотопной терапии.

Реактор помог превратить ограниченные лабораторные возможности в систему регулярного производства и поставок, благодаря которой медицинские исследования и процедуры стали доступны гораздо большему числу учреждений.

Это был переход от экспериментальной технологии к формированию новой индустрии.

Почему радиоактивный йод способен лечить рак

Принцип действия йода-131 основан на физиологической особенности щитовидной железы.

Её клетки активно поглощают йод, поскольку он необходим для производства тиреоидных гормонов.

Если пациент получает радиоактивный йод, часть вещества накапливается в ткани щитовидной железы. Некоторые опухолевые клетки также сохраняют способность захватывать йод.

При радиоактивном распаде йод-131 испускает бета-частицы, которые повреждают клетки, накопившие изотоп.

Таким образом, источник излучения доставляется к определённым тканям изнутри организма.

Это один из ранних примеров направленной противоопухолевой терапии.

Но такая избирательность не абсолютна. Йод-131 повреждает не только опухолевые, но и нормальные клетки щитовидной железы, а также может воздействовать на другие ткани.

Кроме того, он эффективен не при всех видах рака щитовидной железы. Его применение прежде всего связано с отдельными формами дифференцированного рака, клетки которого сохраняют способность поглощать йод.

Поэтому решение о лечении зависит от типа опухоли, стадии заболевания, оценки риска и ожидаемой пользы.

От йода-131 к современной радиофармацевтике

Сегодня ядерная медицина значительно сложнее, чем в первые послевоенные годы.

Современные радиофармацевтические препараты могут состоять из двух функциональных компонентов.

Первый — молекула, способная связываться с определёнными клетками или биологическими структурами.

Второй — радиоактивный изотоп, позволяющий обнаруживать эти структуры либо воздействовать на них излучением.

Например, препараты на основе лютеция-177 применяют при некоторых нейроэндокринных опухолях и определённых формах распространённого рака предстательной железы.

В последнем случае молекула препарата направляет радиоактивный компонент к клеткам, экспрессирующим белок PSMA.

Так развивается тераностика — подход, объединяющий диагностику и лечение с использованием одной биологической мишени.

Сначала врач может определить, присутствует ли нужная мишень в опухолевых очагах, а затем использовать соответствующий радиофармацевтический препарат для лечения.

Разумеется, эти современные лекарства не являются прямыми продуктами реактора X-10.

Их создание потребовало десятилетий исследований в области ядерной физики, радиохимии, молекулярной биологии и онкологии.

Но развитие инфраструктуры радиоизотопного производства, начавшееся в том числе в Ок-Ридже, стало важной частью этой истории.

Почему эта история важна сегодня

История X-10 позволяет увидеть несколько проблем, которые остаются актуальными для современной фармацевтической индустрии.

Прежде всего, производство радиоактивного изотопа ещё не означает создание готового лекарства.

Необходимо получить материал требуемой чистоты, изготовить соответствующее радиофармацевтическое соединение, обеспечить точность активности, стерильность, стабильность и радиационную безопасность.

Кроме того, многие медицинские радиоизотопы имеют ограниченный период полураспада.

Это означает, что время между производством, доставкой и введением препарата пациенту становится частью технологического процесса.

Радиофармацевтика особенно сильно зависит от согласованной работы ядерных реакторов или ускорителей, радиохимических производств, логистических компаний и медицинских центров.

Возникают и специфические регуляторные требования: обычного контроля качества лекарств недостаточно без контроля радиационных характеристик и обращения с радиоактивными материалами.

Для пациентов эта система имеет вполне практическое значение.

Даже эффективный и зарегистрированный препарат не может помочь человеку, если необходимый изотоп не произведён вовремя, доставка задерживается или медицинский центр не располагает оборудованием и подготовленным персоналом.

Для фармацевтического рынка это пример отрасли, в которой конкурентоспособность определяется не только свойствами лекарства, но и надёжностью всей производственной инфраструктуры.

Есть и более широкий вопрос.

Технологии двойного назначения могут приносить пользу обществу, но их медицинское применение не отменяет военного происхождения и связанных с ним этических проблем.

X-10 был частью программы создания атомного оружия. Его последующая роль в медицине не меняет этого факта.

Однако она показывает, что дальнейшее развитие технологии зависит от научных целей, институциональных решений, регулирования и способов её применения.